□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。