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單層網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)體系荷載模擬驗(yàn)證與變形分析

2016-02-05 02:25:24付效鐸
天津建設(shè)科技 2016年6期
關(guān)鍵詞:網(wǎng)殼屋蓋單層

□文/付效鐸 胡 洋

單層網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)體系荷載模擬驗(yàn)證與變形分析

□文/付效鐸 胡 洋

單層鋼網(wǎng)殼是一種應(yīng)用較少的空間結(jié)構(gòu)體系,造型復(fù)雜、曲面多變、跨度大是其顯著特點(diǎn),結(jié)構(gòu)體系綜合受力異常復(fù)雜。通過模擬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系卸載加載過程,計(jì)算得出卸載前后的變形控制值并對已安裝構(gòu)件進(jìn)行分級靜力預(yù)加載試驗(yàn),通過比對分析變形監(jiān)測數(shù)據(jù),進(jìn)而確定網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系的安全性。

空間曲面;單層網(wǎng)殼;靜力加載;變形;荷載

1 工程概況

某工程的中庭“馬鞍形”鋼結(jié)構(gòu)屋蓋位于東西兩座塔樓之間,呈南北向布置,為單層網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)體系,建筑面積約1 500 m2,鋼屋蓋在建筑標(biāo)高15.6~19.4 m之間,跨度約14.3~27.5 m,桿件總質(zhì)量約170 t。其上為玻璃幕墻采光頂,桿件外包裝飾鋁板。單層鋼網(wǎng)殼主要由弧形箱型環(huán)梁、門廳箱型鋼梁及斜肋桿組成,桿件連接均采用焊接節(jié)點(diǎn),網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)通過4個(gè)固定鋼支座、18個(gè)單向滑動(dòng)鋼支座與東西塔樓結(jié)構(gòu)連接固定,見圖1和圖2。

圖1 單層網(wǎng)殼鋼屋蓋

圖2 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)單元

2 屋蓋安裝及卸載方案

屋蓋結(jié)構(gòu)安裝時(shí)劃分為3個(gè)流水段,采用搭設(shè)滿堂腳手架支撐、操作平臺(tái),現(xiàn)場高空拼接肋桿的安裝工藝。屋蓋結(jié)構(gòu)卸載時(shí),遵循“均勻、對稱、分級”的原則,分2次進(jìn)行卸載,即網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)完成后拆除支撐架卸載1次,變形監(jiān)測后再原位回頂,鋁合金主框及幕墻玻璃安裝完成后,再進(jìn)行第2次卸載。卸載期間監(jiān)測桿件的空間位移、支座滑動(dòng)位移及焊縫的外觀變化。

3 施工卸載模擬計(jì)算分析

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,利用MIDAS建立屋蓋有限元模型。采用的鋼材物理性能指標(biāo)見表1。設(shè)計(jì)圖紙中滑動(dòng)、固定支座的節(jié)點(diǎn)詳圖是邊界條件的確定依據(jù)。

表1 鋼材物理性能指標(biāo)

3.1 荷載取值

構(gòu)件安裝時(shí)采取保溫措施,焊接時(shí)環(huán)境溫度假定為7℃。因此,對屋蓋網(wǎng)殼進(jìn)行施工卸載模擬分析時(shí)考慮屋蓋網(wǎng)殼自重荷載、采光頂玻璃幕墻荷載、全玻幕墻頂部反力、溫度荷載分別進(jìn)行分析,荷載均取標(biāo)準(zhǔn)值。

卸載分析考慮2種情況。

1)工況1。網(wǎng)殼自重(軟件自動(dòng)考慮)+方鋼管交匯處附加自重(局部實(shí)心方鋼管折算成集中荷載1 860 N施加)。

2)工況2。網(wǎng)殼自重(軟件自動(dòng)考慮)+方鋼管交匯處附加自重(局部實(shí)心方鋼管折算成集中荷載1 860 N施加)+采光頂玻璃幕墻自重(0.969 kPa)+全玻幕墻頂部豎向反力+全玻幕墻頂部水平反力。

3.2 屋面網(wǎng)殼位移與變形

提取結(jié)構(gòu)模型在工況1情況下的各方向位移。X向最大位移為3.79 mm,位于屋蓋南端,見圖3;Y向最大位移為3.13 mm,同樣位于屋蓋南端,見圖4;Z向最大位移為14.50 mm,位于屋蓋南北兩端,見圖5。

圖3 工況1X向變形

圖4 工況1Y向變形

圖5 工況1Z向變形

提取結(jié)構(gòu)模型在工況2情況下的各方向位移。X向最大位移為9.78mm,位于屋蓋南端,見圖6;Y向最大位移為6.70 mm,同樣位于屋蓋南端,見圖7;Z向最大位移為30.23 mm,位于屋蓋南北兩端,見圖8。

圖6 工況2X向變形

圖7 工況2Y向變形

圖8 工況2Z向變形

3.3 支座位移

提取結(jié)構(gòu)模型在工況1和工況2情況下的Y向支座位移,見圖9。

圖9 支座Y向位移

從圖10可以看出,工況1情況下,靠近東塔側(cè)支座位移較大,這與支座類型固定支座、滑動(dòng)支座的設(shè)置位置有關(guān),Y向最大位移為1.13 mm,位于靠近東塔側(cè)南端;工況2情況下,Y向最大位移為3.33 mm,同樣位于靠近東塔側(cè)南端。

3.4 溫度變形

考慮溫度效應(yīng),分別提取結(jié)構(gòu)模型在工況1和工況2情況下的Y、Z方向位移,假定焊接完成時(shí)的初始溫度為7℃,計(jì)算溫度(卸載溫度)分別取10、15、20、30℃4種情況,計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同計(jì)算溫度下的最大變形值 mm

3.5 理論變形值

屋蓋在2種工況下理論變形值見表3。

表3 計(jì)算結(jié)果匯總

4 靜力分級預(yù)加載試驗(yàn)

為避免屋蓋結(jié)構(gòu)自重及幕墻恒載作用下產(chǎn)生較大變形,主要構(gòu)件在工廠制作及安裝階段預(yù)起拱18~38 mm,單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)第一次卸載完成后,經(jīng)現(xiàn)場測量網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)Z向位移超過變形控制值約3~11 mm,為保證結(jié)構(gòu)的安全使用及后期幕墻結(jié)構(gòu)的正常安裝,有必要對幕墻的實(shí)際著力點(diǎn)位進(jìn)行現(xiàn)場預(yù)加載試驗(yàn),以分析屋蓋結(jié)構(gòu)在玻璃幕墻荷載作用下的變形特性。

4.1 預(yù)加載方案

對屋蓋南北兩側(cè)門廳400 mm×300 mm×30 mm箱形鋼梁(用于吊掛豎向幕墻結(jié)構(gòu))采取靜力分級預(yù)加載法試驗(yàn),即通過懸掛水箱配重法對吊掛點(diǎn)進(jìn)行逐級加載,主要原理是利用水體自重作為試驗(yàn)荷載,通過控制每個(gè)容器的水體流速及流量,實(shí)現(xiàn)同步加載、按需加載、同步卸載的目的。該加載方案對結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件沒有動(dòng)荷載干擾,可以模擬工程實(shí)際恒載疊加次序。靜力分級預(yù)加載試驗(yàn)內(nèi)容如下:監(jiān)測在試驗(yàn)荷載下主梁的撓度值;監(jiān)測在試驗(yàn)荷載下屋蓋滑動(dòng)支座處的水平位移值;在試驗(yàn)過程中,查看屋蓋支座及混凝土牛腿、混凝土頂板的變形與開裂等情況。

4.2 實(shí)施方式

靜力加載試驗(yàn)裝置主要由鋼吊籠、盛水容器、供水系統(tǒng)、懸吊鋼索組成,見圖10。

圖10 靜力分級加載試驗(yàn)裝置

1)根據(jù)加載試驗(yàn)需求焊接制作鋼吊籠,將盛水容器裝入鋼吊籠,將鋼吊籠運(yùn)至吊點(diǎn)正下方,注意進(jìn)出水口朝向一致。

2)用倒鏈將鋼吊籠懸掛,用電子吊秤精確量取每個(gè)鋼吊籠及盛水容器的自重,分級加載荷載=裝置自重+注水荷載,按照分級加載要求在盛水容器上標(biāo)記注水刻度線。

3)安裝承載鋼絲繩,承載鋼絲繩上部與構(gòu)件懸掛點(diǎn)設(shè)置限位及鋼護(hù)角,防止鋼絲繩在加載試驗(yàn)過程中滑動(dòng)及鋼絲繩受損。鋼吊籠應(yīng)滿足極限荷載作用下與樓地面距離≮200 mm。

4)安裝供水系統(tǒng)管道及閥門,將所有容器連成整體。加載時(shí)打開總閥門及分水閥門,將水同時(shí)注入容器,注水過程中,安排專人觀測水位,通過控制分水閥門保證同步加載,加載完成后,切斷供水主管道,將供水主管道與排水系統(tǒng)連通,依次打開總閥門及分水閥門分級卸載。

4.3 試驗(yàn)步驟

為保證整個(gè)加載過程的平穩(wěn)、安全,本次試驗(yàn)分6級加載、2級卸載,共8個(gè)步驟。當(dāng)荷載<80%試驗(yàn)荷載值時(shí),每級荷載不宜大于該荷載值的20%;當(dāng)荷載接近最大荷載檢驗(yàn)值時(shí),每級荷載不大于承載力檢驗(yàn)荷載設(shè)計(jì)值的10%。每級加載完成后,持荷30 min。在每級持荷時(shí)間內(nèi),仔細(xì)觀察主梁變形情況以及結(jié)構(gòu)有無其他異?,F(xiàn)象等;在持續(xù)時(shí)間結(jié)束時(shí),觀測并記錄各項(xiàng)讀數(shù)。根據(jù)上述原則,荷載分級和加載時(shí)間見表4。

表4 荷載加載分級和持荷時(shí)間

4.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過現(xiàn)場加載試驗(yàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測,考慮溫度因素影響、各級荷載作用,北南側(cè)門廳鋼梁加載、卸載前后的撓度理論值與實(shí)測值變化曲線見圖11和圖12。

4.5 試驗(yàn)結(jié)論

1)試驗(yàn)加載過程有序、平穩(wěn)、安全,加載過程中屋蓋結(jié)構(gòu)未見明顯的局部變形、支座開裂、沉降等異?,F(xiàn)象。

2)現(xiàn)場實(shí)測構(gòu)件的最大豎向變形值:北側(cè)主梁6.5mm,南側(cè)主梁6.8 mm。最大撓度值未超過設(shè)計(jì)最大允許變形限值。

3)試驗(yàn)卸載后,未出現(xiàn)明顯的殘余變形,基本符合彈性變形規(guī)律。

4)屋蓋滑動(dòng)支座處的滑移量主要受溫度變化的影響較大,受加載級別的影響較小。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測,最南側(cè)支座的最大滑移量為5.99 mm,此時(shí)該處構(gòu)件的表面溫度為41.8℃(初始表面溫度為12.6℃);最北側(cè)支座的最大滑移量為3.32 mm,此時(shí)構(gòu)件表面溫度為32.1℃(初始表面溫度為11.9℃)。

圖11 北側(cè)門廳鋼梁荷載-撓度曲線

圖12 南側(cè)門廳鋼梁荷載-撓度曲線

5 卸載前后結(jié)構(gòu)體系變形分析

屋蓋結(jié)構(gòu)在主體安裝完畢卸載后,結(jié)構(gòu)在自重作用下產(chǎn)生了下?lián)献冃危▽?shí)際變形較設(shè)計(jì)模型計(jì)算值偏大)。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測、驗(yàn)算分析并結(jié)合過往工程經(jīng)驗(yàn)判斷,造成上述變形偏大的主要原因。

1)結(jié)構(gòu)定位偏差的影響。結(jié)構(gòu)安裝過程中,整體定位(胎架)存在偏差,結(jié)構(gòu)定位形態(tài)與設(shè)計(jì)模型不完全一致,部分支座可能存在懸空未壓實(shí)狀態(tài),卸載時(shí),結(jié)構(gòu)在變形協(xié)調(diào)中產(chǎn)生局部剛體變位和變形,實(shí)際產(chǎn)生的變形與計(jì)算模型不同。

2)施工過程中焊接殘余應(yīng)力的影響。焊接變形和構(gòu)件定位偏差在結(jié)構(gòu)中已產(chǎn)生了初期的應(yīng)力場和位移場,結(jié)構(gòu)卸載前不是無應(yīng)力狀態(tài),卸載過程的變形除結(jié)構(gòu)自重引起外,還疊加了初期應(yīng)力場的影響,因而實(shí)際的變形與計(jì)算模型之間存在偏差。

3)溫度環(huán)境變化的影響。由于屋蓋結(jié)構(gòu)的卸載變形是卸載前、后兩次測量結(jié)果的差值,而且鋼結(jié)構(gòu)變形受環(huán)境溫度(整體與不均勻溫度)影響較大,卸載前后兩次測量時(shí)的溫度環(huán)境是不一致的。

根據(jù)現(xiàn)場靜載試驗(yàn)結(jié)果,在考慮恒載、活荷載或雪荷載、風(fēng)荷載、地震作用等25種最不利荷載組合工況下的驗(yàn)算表明:在承載能力極限狀態(tài)下,屋蓋結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力比為0.72<1.0,滿足規(guī)范要求;在正常使用極限狀態(tài)下,南北兩側(cè)吊掛豎向玻璃幕墻位置的門廳鋼梁(截面規(guī)格□300 mm×400 mm×30 mm)最大變形理論計(jì)算值約為12 mm<L/250(L梁的長度),滿足規(guī)范要求。由此可以推斷屋蓋安裝完成卸載后,最大變形值滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

鋼屋蓋安裝前,利用計(jì)算軟件模擬卸載過程得出變形控制值,屋蓋結(jié)構(gòu)卸載后實(shí)施現(xiàn)場分級靜力預(yù)加載試驗(yàn)并對試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,查找出了影響單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的變形因素,驗(yàn)證了安裝方案的合理性及已施結(jié)構(gòu)的安全性。

[1]JGJ 7—2010,空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB50205—2001,鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[3]GB50344—2004,建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]JGJ 8—2007,建筑變形測量規(guī)程[S].

□胡 洋/中建八局三公司天津分公司。

TU391

C

1008-3197(2016)06-05-04

10.3969/j.issn.1008-3197.2016.06.002

2016-09-20

付效鐸/男,1980年出生,工程師,中建八局三公司天津分公司,從事工程技術(shù)管理工作。

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