李 鵬,張 曄,鄧星河,鄭小川,張 麒

(1.中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司，北京100102; 2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400030)

大型鋼結(jié)構(gòu)由于自重大，往往無法整體一次性吊裝到位，多借助臨時(shí)支撐進(jìn)行拼裝，待結(jié)構(gòu)整體成形后再逐步卸除臨時(shí)支撐上的荷載并將其拆除。而在臨時(shí)支撐的卸載過程中，結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐的受力會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移、內(nèi)力發(fā)生重分布[1-2]，現(xiàn)有工程實(shí)例表明，卸載過程受力狀況將直接影響到結(jié)構(gòu)的初始內(nèi)力、變形，使用階段的性能甚至使用壽命[3]。因此，借助當(dāng)前先進(jìn)的監(jiān)測(cè)手段，掌握卸載過程中結(jié)構(gòu)的受力變化已成為保障結(jié)構(gòu)安全的重要手段之一。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)不同類型屋蓋結(jié)構(gòu)的卸載過程進(jìn)行了大量的研究,例如曾志斌對(duì)國(guó)家體育場(chǎng)(鳥巢)支撐胎架的卸載過程進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)值較好地反映了鋼結(jié)構(gòu)在體系轉(zhuǎn)換過程中整體受力的變化[4]；張亮泉對(duì)連續(xù)鋼梁和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜大跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測(cè)，連續(xù)鋼梁和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的結(jié)合使結(jié)構(gòu)受力不均勻，應(yīng)力監(jiān)測(cè)成為不可或缺的一部分[5]；陳志華針對(duì)天津市圖書館在施工過程中存在體系轉(zhuǎn)換的問題，進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果為現(xiàn)場(chǎng)施工的順利進(jìn)行提供了保障[6]。

但在實(shí)際工程中，大型鋼結(jié)構(gòu)為滿足建筑或功能的不同需求，采用的結(jié)構(gòu)形式往往不同，導(dǎo)致卸載施工過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律也不盡相同。因此本文以某雙向交叉平面鋼桁架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，在其臨時(shí)支撐卸載過程中進(jìn)行結(jié)構(gòu)桿件的受力監(jiān)測(cè)，并結(jié)合有限元分析，研究卸載過程中桿件內(nèi)力變化規(guī)律，為同類結(jié)構(gòu)的卸載施工提供技術(shù)支持。

1 工程概況

某大型體育場(chǎng)作為以籃球比賽、訓(xùn)練為主的多功能體育、文化活動(dòng)中心場(chǎng)所，總建筑面積27.9×104m2。為滿足賽事要求及多種使用功能需要，建筑采用了大跨度屋蓋。主體平面結(jié)構(gòu)呈橢圓形，采用鋼筋混泥土框架結(jié)構(gòu)體系。固定屋蓋平面形狀為圓角矩形(接近橢圓形)，整體采用雙向交叉平面鋼桁架結(jié)構(gòu)，短邊跨度為109.2 m，有四榀桁架貫穿其中，長(zhǎng)邊跨度為126 m，有六榀桁架貫穿其中，四角部位為肋環(huán)形布置，共設(shè)置8處臨時(shí)支撐，屋蓋整體支承于下部型鋼混凝土柱頂，桁架結(jié)構(gòu)高度(上、下弦桿軸線間距離)5.77～8.717 m。其中桁架上弦桿采用方鋼管，其他桿件均采用H型鋼，節(jié)點(diǎn)采用相貫焊接節(jié)點(diǎn)(圖1)。

圖1 施工中的鋼桁架屋蓋結(jié)構(gòu)

2 有限元模型分析及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2.1 有限元理論計(jì)算

采用Midas gen軟件，根據(jù)鋼屋蓋的施工圖紙并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況建立有限元模型。由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，為減少計(jì)算量，所有構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧M。桿件截面按施工圖紙取值，鋼材彈性模量取為2.06×105MPa，泊松比取為0.3。卸載階段采用減少支撐反力的方法來模擬，且所有支座處均采用節(jié)點(diǎn)彈性連接。最終有限元計(jì)算見圖2。

(a)上弦桿

(b)腹桿

(c)下弦桿圖2 卸載后鋼屋蓋的應(yīng)力云(單位：MPa)

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

為保證選取的測(cè)點(diǎn)能反映結(jié)構(gòu)的最不利狀況，在選取測(cè)點(diǎn)時(shí)綜合考慮以下因素：(1)卸載完成后應(yīng)力較大和位移較大的桿件。(2)卸載前后應(yīng)力和應(yīng)變變化較大的桿件。

從圖2可以看出，上弦桿、下弦桿均在中央?yún)^(qū)域應(yīng)力最大，且往四周逐漸減小，因此在布置上弦桿、下弦桿的測(cè)點(diǎn)時(shí)均以中央?yún)^(qū)域控制為主，四周控制為輔。且腹桿的應(yīng)力也較大，承擔(dān)了一定的傳力作用，因此在腹桿應(yīng)力最大處也布設(shè)部分測(cè)點(diǎn)。

共布置30個(gè)測(cè)點(diǎn)，均采用振弦式應(yīng)變計(jì)布設(shè)于桿件表面(圖3)。其中上弦桿布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，腹桿布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，下弦桿布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，且每一個(gè)測(cè)點(diǎn)距最近的桿件節(jié)點(diǎn)均為2 m。

(a)上弦桿

(b)腹桿

(c)下弦桿圖3 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

本次支撐胎架的卸載過程共分4次完成，均以位移控制為主，力的卸載控制為輔。其中前3次卸載，每次控制下降40 mm，最后一次卸載下降5 mm，共下降125 mm。為保證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的精確性，每次卸載后待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后(即應(yīng)變?cè)谝欢〞r(shí)長(zhǎng)內(nèi)保持不變)方才開始下一次卸載，并在全部卸載完成后的1 h、24 h、48 h、30 d分別對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行一次獨(dú)立監(jiān)測(cè)，作為后續(xù)施工階段對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)影響變化的對(duì)比依據(jù)。通過分析應(yīng)變變化規(guī)律，從而評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

同時(shí)考慮到溫度變化會(huì)影響傳感器的自身量值，因此對(duì)每次的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均采用式(1)進(jìn)行修正，從而消除其自身量值產(chǎn)生的影響，再根據(jù)材料本構(gòu)方程將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為應(yīng)力。

ε= (ε1-ε0) + (T1-T0) (Fv-Fs)

(1)

式中：ε1為當(dāng)前儀器測(cè)量應(yīng)變值，單位為με；ε0為初始應(yīng)變值；T1為當(dāng)前傳感器測(cè)試溫度；T0為初始溫度；Fv=12.2為鋼弦的線膨脹系數(shù)(με/℃)；Fs=12為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)的線膨脹系數(shù)(με/℃)。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

4.1 上弦桿應(yīng)力分析

最終不同工況下各上弦桿的應(yīng)力實(shí)測(cè)值如圖4所示。

圖4 各工況上弦桿應(yīng)力變化

從圖4可以看出：(1)前3次卸載中上弦桿應(yīng)力增長(zhǎng)較快，但在第三次卸載完成后，應(yīng)力逐漸趨于平緩，說明此時(shí)結(jié)構(gòu)已基本完成應(yīng)力重分布；(2)第5次、6次卸載中部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)力出現(xiàn)明顯波動(dòng)，但波動(dòng)幅值較小。主要是因?yàn)閷?shí)際監(jiān)測(cè)中，第7次卸載時(shí)的溫度高于第6次，溫度的變化影響了桿件的受力，因此部分桿件的應(yīng)力有所增加；(3)第8次卸載時(shí)的應(yīng)力較第7次有所增加，其原因是第8次卸載晚于第7次卸載一個(gè)月，在這期間屋蓋四周安裝了托架，導(dǎo)致下弦桿增加了附加荷載。

考慮到U7、U8號(hào)測(cè)點(diǎn)存在異常，因此單獨(dú)將其實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行對(duì)比分析(圖5)。

圖5 U7、U8測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力值與理論值對(duì)比

從圖5可以看出，前三次卸載中，U7、U8號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值均大于理論值，其主要是因?yàn)橛邢拊治鲋忻看涡遁d所采用的模型均是理想模型，即不考慮殘余應(yīng)力等因素的影響，而實(shí)際結(jié)構(gòu)在卸載后會(huì)存在殘余應(yīng)力，容易引起局部應(yīng)力集中，且隨著卸載量的增加，累積殘余應(yīng)力持續(xù)增大，應(yīng)力集中現(xiàn)象也愈發(fā)明顯，從而導(dǎo)致部分測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與理論值之間的偏差也逐漸增大。雖然存在一定偏差，但實(shí)測(cè)值始終小于卸載完成后的最大理論值(即工況4)，表明結(jié)構(gòu)安全仍在可控范圍內(nèi)。

4.2 腹桿局部應(yīng)力分析

不同工況下W1、W2測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力值如圖6所示。其中W1為腹桿腹板處的測(cè)點(diǎn)，W2為腹桿翼緣處的測(cè)點(diǎn)。

圖6 各工況下腹桿W1、W2測(cè)點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比

從圖6可以看出，不同工況下同一桿件中不同位置的應(yīng)力始終相差20 MPa左右，表明此時(shí)腹桿主要受壓或受拉，同時(shí)承受部分彎矩。而H型鋼中腹板主要承受剪力作用，翼緣主要承受彎矩作用，因此W1(腹板處測(cè)點(diǎn))處的應(yīng)力普遍大于W2(翼緣處測(cè)點(diǎn))，符合理論設(shè)計(jì)要求。

4.3 下弦桿應(yīng)力分析

不同工況下下弦桿應(yīng)力值如圖7所示。從圖7可以看出，前3次卸載中，D9～D14號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力增長(zhǎng)明顯較D1～D8更快，主要是因?yàn)镈1～D8號(hào)測(cè)點(diǎn)位于屋蓋最外側(cè)，自身承擔(dān)的荷載較小。而后5次卸載中，所有測(cè)點(diǎn)應(yīng)力逐漸趨于平穩(wěn)，雖然D1～D8號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力出現(xiàn)小幅波動(dòng)，但始終小于25 MPa，在可控范圍內(nèi)，相反，D9～D14號(hào)測(cè)點(diǎn)在第一次卸載時(shí)應(yīng)力值已接近25 MPa，表明桿件的卸載順序以及卸載量的大小會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生一定的影響。

(a)D1～D8測(cè)點(diǎn)

(b)D9～D14測(cè)點(diǎn)圖7 各工況下弦桿應(yīng)力曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用有限元分析指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布設(shè)，對(duì)某大型鋼桁梁屋蓋卸載過程中的桿件進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了卸載過程中桿件的安全性，并對(duì)桿件內(nèi)力重分配規(guī)律進(jìn)行了分析，得到的主要結(jié)論如下：

(1)前三次卸載完成后，鋼屋蓋已基本承擔(dān)了自身荷載，結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，雖然附加結(jié)構(gòu)、溫度變化以及殘余應(yīng)力的存在仍會(huì)引起整體結(jié)構(gòu)、部分桿件的應(yīng)力變化，但并不會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全。

(2)腹桿的偏心受力和受彎作用會(huì)使斜腹桿腹板和翼緣板的受力產(chǎn)生差異，因此在同類型結(jié)構(gòu)卸載過程的腹桿監(jiān)測(cè)中，應(yīng)以腹板監(jiān)測(cè)為主，翼緣監(jiān)測(cè)為輔。

(3)下弦桿最外側(cè)受力普遍較小，卸載過程中應(yīng)力變化規(guī)律并不明顯，因此在同類型支架卸載過程中可減少最外側(cè)的測(cè)點(diǎn)布設(shè)，從而達(dá)到節(jié)約經(jīng)濟(jì)的目的。