大跨鋼屋蓋卸載階段支座焊縫處剪應(yīng)力分析與監(jiān)測

張曄 鄧星河 李鵬 李鴻 張維慶

【摘 要】大跨鋼屋蓋支座焊縫處為屋蓋與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)連接的關(guān)鍵部位，而在以往卸載施工中對(duì)該部位的應(yīng)力分析及監(jiān)測極少。因此本文以重慶魚洞體育館為研究對(duì)象，首先基于ABAQUS工作平臺(tái)建立了屋蓋整體模型與支座局部模型，并根據(jù)應(yīng)力分布進(jìn)行測點(diǎn)選取，再采用有限元分析中選取的測點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，最后通過有限元分析與現(xiàn)場實(shí)測的對(duì)比，對(duì)鋼屋蓋卸載階段支座焊縫處剪應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，采用整體模型分析結(jié)合局部模型分析進(jìn)行測點(diǎn)選取的方法，能監(jiān)測結(jié)構(gòu)的最不利狀況，不僅保證了卸載過程中的結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)為其設(shè)計(jì)提供一定可靠度保證，對(duì)類似工程的監(jiān)測與分析有一定的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】鋼屋蓋；支座焊縫；剪應(yīng)力；卸載；有限元；監(jiān)測

中圖分類號(hào)： F426.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）01-0163-002

【Abstract】The weld of long-span steel roof supports is a key part of roof and foundation structure connection. However， the stress analysis and monitoring of this site during the unloading construction are very few. Therefore， this paper takes Chongqing Yudong as a research object. Firstly， based on the ABAQUS working platform， a local model of the roof and a partial model of the support are established， and the measuring points are selected according to the stress distribution. The measured points in the finite element analysis Finally， through the comparison between the finite element analysis and the field measurement， the change rule of the shear stress at the weld of steel roof unloading stage was analyzed. The results show that the whole model analysis combined with local model analysis can be used to monitor the most unfavorable condition of the structure， which not only ensures the structural safety during unloading but also provides a certain degree of reliability for its design. Monitoring and analysis have some reference.

【Key words】Steel roof； Bearing weld； Shear stress； Unloading； Finite element； Monitoring

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷提高，大跨度鋼結(jié)構(gòu)在我國得到了廣泛的應(yīng)用。而這些復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的施工往往是先設(shè)置臨時(shí)支撐進(jìn)行現(xiàn)場拼裝，待安裝完成后再拆除[1]，但相關(guān)研究表明，在拆除臨時(shí)支撐的過程中，會(huì)引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布以及產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)變形，從而威脅到結(jié)構(gòu)的安全[2]。因此如何保證拆除臨時(shí)支撐過程中結(jié)構(gòu)的安全，是亟待解決的問題。

目前，除在卸載階段對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析外，引入最先進(jìn)的監(jiān)測手段對(duì)卸載過程中結(jié)構(gòu)的受力、變形進(jìn)行監(jiān)測已成為必然趨勢(shì)。因此近年來吸引了眾多國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量相關(guān)研究，例如曾志斌采用無線應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備，針對(duì)國家體育館中關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力變化歷程進(jìn)行為期10天的跟蹤監(jiān)測，得到了鋼結(jié)構(gòu)在體系轉(zhuǎn)換過程中整體的受力變化，對(duì)卸載完成后結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營提供了技術(shù)支撐[3]。李惠采用光纖光柵傳感器，對(duì)哈爾濱大劇院鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行了施工監(jiān)測，并通過對(duì)比有限元模型與實(shí)測結(jié)果，全面把握了卸載過程中結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)以及關(guān)鍵桿件的應(yīng)力變化[4]。張煊銘以大跨鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)性能分析與健康監(jiān)測為關(guān)鍵技術(shù)，借助有限元分析軟件進(jìn)行分析對(duì)比驗(yàn)證了有限元模擬分析的正確性與準(zhǔn)確性，保障了施工質(zhì)量和安全[5]。林俊按照體育館鋼屋蓋的卸載步驟，在卸載過程中對(duì)斜腹桿及個(gè)別的下弦桿等應(yīng)力敏感點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，并詳細(xì)地分析卸載過程中每一步鋼桁架的應(yīng)力情況，保證了卸載過程中的施工安全[6]。

但以往對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的監(jiān)測大多集中在結(jié)構(gòu)桿件上，較少關(guān)注支座處的受力情況，而卸載過程中結(jié)構(gòu)的自重變化會(huì)引起下?lián)献冃危瑥亩鴮?dǎo)致支座處產(chǎn)生較大的水平推力[7]，當(dāng)水平推力過大時(shí)，會(huì)引起支座的損壞，最終影響到上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形，因此在卸載過程中對(duì)支座進(jìn)行受力監(jiān)測具有較大的工程意義。

為解決卸載過程中引起的支座安全問題，本文以重慶市魚洞體育館鋼屋蓋的支座為研究對(duì)象，通過采用有限元分析指導(dǎo)臨時(shí)支架卸載過程中支座的受力監(jiān)測，分析了卸載施工過程中支座受力的變化規(guī)律，保證了卸載過程中結(jié)構(gòu)的安全，為今后類似的施工監(jiān)測提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 項(xiàng)目簡介

1.1 工程概況及支座構(gòu)造

重慶華熙LIVE·魚洞體育館項(xiàng)目（以下簡稱體育館）位于重慶市巴南區(qū)魚洞街道，總建筑面積27.9萬m2，如圖1（a）所示。整體屋蓋為圓角矩形（接近橢圓形），短邊跨度為109.2m，長邊跨度為126m，采用雙向交叉平面鋼桁架結(jié)構(gòu)，四角部位為肋環(huán)形布置。桁架結(jié)構(gòu)高度（上、下弦桿軸距）為5.77～8.717m，上弦桿均采用方鋼管，其他桿件采用H型鋼，節(jié)點(diǎn)間的連接為相貫焊接節(jié)點(diǎn)，如圖1（b）所示。

鋼屋蓋整體支承于下部型鋼混凝土柱頂，柱底均采用固定球型鉸支座，共36個(gè)支座，支座構(gòu)造詳圖如圖2所示，其中支座主體下部鋼板尺寸為550mm×550mm×40mm，基礎(chǔ)預(yù)埋板的尺寸為610mm×610mm×40mm，焊縫的尺寸為40mm×30mm×610mm，鋼材均采用Q345。

1.2 卸載工況

臨時(shí)支撐的卸載分4次完成，均以位移控制為主，力控制為輔。其中前三次卸載中每次控制鋼屋蓋下降40mm，最后一次下降5mm，共下降125mm。具體卸載工況如表1所示。

2 有限元模擬計(jì)算

2.1 體育館整體模型受力分析與測點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)體育館設(shè)計(jì)圖紙和卸載施工組織方案，采用Midas 軟件建立體育館的整體有限元模型，并采用實(shí)際卸載工況進(jìn)行計(jì)算。為實(shí)現(xiàn)傳感器的最優(yōu)布置，根據(jù)支座反力最大原則確定傳感器的數(shù)量和布設(shè)位置，并結(jié)合結(jié)構(gòu)自身受力特點(diǎn)，最終選取圖3中紅框處標(biāo)記的支座作為長邊和短邊方向的監(jiān)測位置。

2.2 剪應(yīng)力換算

由于支座最大剪應(yīng)力無法直接通過測試得到，因此需測試三軸45°角的應(yīng)變值，再按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，ε0°為沿焊縫長邊方向應(yīng)變；ε90°為沿焊縫短邊方向的應(yīng)變；ε45°為長邊與短邊兩個(gè)方向角平分線上的應(yīng)變，σmax和σmin分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力；τmax為最大剪應(yīng)力。

2.3 支座局部模型受力分析

基于ABAQUS工作平臺(tái)建立支座的局部有限元模型，由于支座主體構(gòu)造復(fù)雜，因此在建模時(shí)不考慮支座主體以上部分。彈性模量取為206GPa，泊松比取為0.3，采用實(shí)體單元模擬，如圖4所示。為模擬支座處各部件之間的真實(shí)連接，焊縫與支座主體底板以及焊縫底邊與預(yù)埋鋼板外側(cè)的接觸面均設(shè)為綁接，預(yù)埋鋼板底部以及四周均設(shè)置為固結(jié)。

將Midas整體模型計(jì)算中獲取的支座部位的荷載數(shù)據(jù)分解為壓應(yīng)力與剪應(yīng)力兩部分，并均勻施加在支座主體的圓形頂板上，從而實(shí)現(xiàn)支座受力分析。

考慮到篇幅有限，文中僅給出支座1在工況4下的Tresca應(yīng)力云圖，如圖5所示，并提取焊縫監(jiān)測點(diǎn)（即圖5中紅點(diǎn)所示，為便于表示，文后有限元測點(diǎn)均定義為TZ1、TZ2、TZ3、TZ4，實(shí)際測點(diǎn)均定義為Z1、Z2、Z3、Z4）。

從圖5可以看出，支座的長、短邊處，剪應(yīng)力分布均呈中間大、兩邊小的現(xiàn)象，這是由于施加外力的位置離焊縫中部較近，越靠近支座邊兩端，焊縫剪應(yīng)力越小。因此，監(jiān)測焊縫剪應(yīng)力的最佳位置為焊縫中部，但考慮到焊縫中部位置被遮擋，無法安裝應(yīng)變傳感器，故應(yīng)將傳感器安裝在盡可能靠近中部的位置。

為保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性，有限元模擬與現(xiàn)場實(shí)測均以鋼屋蓋開始卸載前的穩(wěn)定狀態(tài)為基準(zhǔn)，并取其位移增量作為外加荷載進(jìn)行計(jì)算。最終各工況下測點(diǎn)的剪應(yīng)力計(jì)算值如表2所示。

從表2可以看出，隨著卸載量的增加，支座焊縫處剪應(yīng)力均呈線性增長，且由于鋼屋蓋主要為長邊支承，因此支座2焊縫處剪應(yīng)力均大于支座1焊縫處剪應(yīng)力。

3 監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測參量

根據(jù)2.1節(jié)中整體模型與2.3節(jié)中支座模型的計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際情況的可操作性，最終選取如圖6中所示的測點(diǎn)、位置進(jìn)行布設(shè)應(yīng)變花傳感器，同時(shí)測量3個(gè)方向的應(yīng)變值。

其中Z1、Z2為支座1上的測點(diǎn)，Z3、Z4為支座2上的測點(diǎn)。

各次卸載工況中，通過應(yīng)變采集儀12個(gè)通道進(jìn)行支座焊縫處剪應(yīng)力卸載的實(shí)時(shí)監(jiān)測，且在每個(gè)卸載工況結(jié)束后待監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定再進(jìn)行下一階段卸載。支座大樣圖以及應(yīng)變片布設(shè)如圖7所示。

3.2 卸載階段支座焊縫處剪應(yīng)力監(jiān)測

將實(shí)測數(shù)據(jù)按式（1）、（2）、（3）計(jì)算后，Z1、Z2、Z3、Z4測點(diǎn)處最大剪應(yīng)力值如表3所示。

從表3可以看出，前三次卸載中四個(gè)測點(diǎn)的最大剪應(yīng)力值均呈線性增加。而第四次卸載完成后基本不再增加，逐漸趨于平穩(wěn)，表明此時(shí)支座受力已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 對(duì)比分析

為進(jìn)一步分析支座剪應(yīng)力變化，將支座1與支座2中四個(gè)測點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

由圖8可以看出，隨著卸載量的增加，支座焊縫處剪應(yīng)力不斷增，但不同位置支座焊縫的剪應(yīng)力增加幅度又有所不同，由此顯示出結(jié)構(gòu)在卸載過程中支座處不斷發(fā)生內(nèi)力重分布，結(jié)構(gòu)自身的重量逐漸由其自身的支座體系來承擔(dān)。焊縫處剪應(yīng)力模擬值呈線性增加，而實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)前期基本呈線性增加，后期增加較為平緩，基本趨于穩(wěn)定。相比于實(shí)測值，剪應(yīng)力模擬值偏大，但變化趨勢(shì)基本一致。這也表明了模擬分析相對(duì)保守，對(duì)實(shí)際工程中焊縫的設(shè)計(jì)與施工留出一定的安全可靠度是有工程意義的。

而且從兩個(gè)支座上剪應(yīng)力對(duì)比分析的結(jié)果可以看出，卸載過程中，不同位置支座的剪應(yīng)力有所差別，有限元模擬分析與實(shí)測結(jié)果都表明支座2焊縫處剪應(yīng)力比支座1焊縫處剪應(yīng)力值大，而且總體增幅略高，這是由于屋蓋結(jié)構(gòu)主要是長邊方向受力的原因，隨著卸載的逐步進(jìn)行，屋蓋荷載主要落在長邊上的支座，而短邊上支座承擔(dān)的較少。

4 結(jié)論

鋼屋蓋卸載施工時(shí)支座焊縫處的有限元分析與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明：本文通過采用有限元模擬焊縫處剪應(yīng)力的分布情況，并選取支座模型中應(yīng)力最大處作為現(xiàn)場測點(diǎn)的方法，能反應(yīng)結(jié)構(gòu)的最不利狀況，保證了卸載過程中結(jié)構(gòu)的安全。雖然由于材料缺陷、支座主體底部與基礎(chǔ)預(yù)埋板之間的摩擦等因素的存在，剪應(yīng)力模擬值與實(shí)測值存在一定偏差，但總體變化趨勢(shì)基本一致，偏差始終在可控范圍內(nèi)。為今后類似的鋼屋蓋卸載項(xiàng)目支座焊縫的安全性研究提供參考。

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