大跨度型钢混凝土转换梁施工过程受力性能分析

2014-12-16张运帅罗宗礼

安徽建筑大学学报 2014年2期

陈燕，张运帅，罗宗礼，刘睿，郑磊

（1．安徽建筑大学土木工程学院，合肥 230022；2．中建四局第六建筑工程有限公司，合肥 230001）

0 引言

型钢混凝土转换梁由于其承载力高、延性好、抗震性能好、施工速度快、耐久性能优越等特点被广泛用于多种大跨度多功能建筑的结构中。对于设置了转换梁的高层建筑结构，沿建筑物高度方向刚度的均匀性发生很大变化，竖向承力构件不连续以及墙、柱截面的突变，导致传力路线曲折和应力集中［1］，因此，转换结构的受力情况复杂，如果设计、施工不当，将会危及结构的安全。目前关于型钢混凝土转换梁结构的相关规范较少，对关键技术的研究还不深入。对转换梁在施工过程中的安全性也少有监测分析研究，也很少有对设计和施工的优化分析。本文以贵阳花果园办公一号楼项目的大跨度型钢混凝土转换梁为研究背景，通过对其在施工过程中进行不同工况的数值模拟，分析其受力机理及安全性，并对转换梁在不同工况下的受力情况进行监测分析，保证了本工程型钢混凝土梁施工过程中的安全性。

1 工程概况及难点

贵阳花果园办公一号楼项目位于贵阳市彭家湾地区。该建筑依山倾斜而建，总建筑面积近11万m2，建筑总高度132m。由于建筑功能实现了转变，在八层、九层分别设置了型钢混凝土转换梁。转换梁最大长度72m，跨度最大达35．4m，截面最大为1200×3500mm，内设大型H型钢，截面尺寸为H3100×700×40×50mm。构件的体积及重量均很大，对吊装和安装的要求高；型钢梁自重及承受的上部荷载巨大，高支模难度大；钢筋密集且夹有大型型钢，混凝土的浇筑及振捣困难等。施工过程中各工序难度大且危险性高，如何优化施工方案，保证转换梁在施工过程中的安全，是一个迫切且值得研究的课题。型钢混凝土转换梁的位置及现场施工图分别如图1、图2所示。

图1 型钢混凝土转换梁位置图（深色方框）

图2 型钢混凝土转换梁现场施工图

2 大跨度型钢混凝土转换梁数值模拟分析

由于工程结构是按照设计要求逐步建造起来的，在建造过程中整体结构的几何形态、荷载及边界条件不断发生变化，呈现出结构时变、材料时变和边界时变的特点。因此若不考虑施工过程对结构的影响，所得分析结果与实际情况将有较大差别［2－3］。

本文采用MIDAS／GEN软件，根据结构逐步建造的过程模拟转换梁在不同工况下的受力情况，每一结构层作为一个施工工况。选取有代表性的9轴型钢梁作为研究对象，并考虑到梁、板、柱的空间作用，将相邻两跨作为整体分析，考虑竖向荷载和施工荷载作用。为方便分析，只建立分析对象的上部结构。按照不同工况建立的转换梁模型分别如图3～图7所示。

图3 工况一下的转换梁模型

图4 工况二下的转换梁模型

图5 工况三下的转换梁模型

图6 工况四下的转换梁模型

图7 工况五下的转换梁模型

由于该转换梁的截面较大，且与型钢柱整体现浇在一起，钢筋能够足够锚固，因此考虑转换梁两端的约束方式为固结。荷载选取依据《建筑结构荷载规范》GB50009－2012［4］中的相关规定，根据施工过程中可能出现的荷载取其最不利组合进行计算。加载过程中考虑本层及上部结构自重，以及上部结构浇筑混凝土时的施工活荷载和脚手架、模板的自重等。经过模拟分析，得到该模型在不同工况下的应力云图及位移云图分别如图8～图17所示。

图8 工况一下的转换梁应力云图

图9 工况二下的转换梁应力云图

图10 工况三下的转换梁应力云图

图11 工况四下的转换梁应力云图

图12 工况五下的转换梁应力云图

图13 工况一下的转换梁位移云图

图14 工况二下的转换梁位移云图

图15 工况三下的转换梁位移云图

图16 工况四下的转换梁位移云图

图17 工况五下的转换梁位移云图

根据以上模拟结果得出以下结论:

（1）从应力云图上看，梁两端及跨中的应力较大，反映了托柱转换梁的跨中及两端的应力较大的受力规律［5］。在第一工况下，梁跨中的最大应力为17．9MPa，靠近斜柱一端的梁的最大应力为－33．9MPa，其支座处应力为负值反映了上部荷载使托柱转换梁支座处由于受力拱的作用产生轴向压力的受力规律［6－7］。随着结构层和荷载的施加，35．4m跨的转换梁应力也随之增加，没有出现应力突变；到施工至屋面层时，梁跨中的最大应力为33．93MPa，靠近斜柱一端的梁的最大应力为－69．1MPa，远小于Q345型钢和HRB400钢筋的屈服强度值。

（2）在型钢梁的模拟过程中的应力最大值为－198．44MPa，出现在第5工况即屋面层施工时的直柱的上端，反映了转换梁的边柱受力比中柱大的规律［5］，但应力的最大值均小于Q345型钢的应力屈服强度值315MPa。表明型钢混凝土梁在施工过程中的受力是安全的。

（3）从位移云图上看，型钢梁最大位移均发生在靠近跨中的直柱一侧。在第一结构层施工时最大位移为60．601mm，随着荷载和结构层的施加，其最大位移值也随之变化，到最后一层结构层施工时最大位移值为104．771mm，小于35．4m的型钢梁的允许位移值118mm（35400／300＝118mm）。为了防止型钢梁在施工阶段混凝土自重引起梁下垂，影响型钢梁的质量和安全，施工时应在跨中靠近直柱侧起拱约100mm，向梁两端的起拱值依次减小。

（4）经过模拟分析，型钢梁的受力与位移值均较小，远小于其应力和位移的允许值，表明大跨度型钢混凝土梁在不同工况下的施工是安全的。

3 大跨度型钢混凝土转换梁的现场监测与分析

为保证大跨度型钢混凝土转换梁施工过程中的质量安全，对其在施工过程中的受力情况进行监测，分析转换梁在各种不同工况下的受力情况。根据型钢混凝土转换梁的受力理论，当转换梁上部仅有框架结构时，可不考虑上部结构与转换梁共同工作，按照普通框架梁受力性能分析［7］。本监测方案中对跨度为35．4m的型钢混凝土梁进行监测分析，在受力较大的型钢梁跨中、两端的上下边缘及腹板分别设置了表面应变计和钢筋计，分别监测型钢与钢筋混凝土的受力及协同受力情况。仪器布置位置及部分现场埋设图分别如图18～图20所示。

图18 型钢梁表面应变计、钢筋计埋设示意图

图19 表面应变计的现场埋设图

图20 钢筋计的现场埋设图

监测过程中的各种工况如表1所示。

表1 转换梁监测过程中的各种工况

根据监测结果，各种工况下转换梁结构型钢和钢筋受力变化曲线，如图21～图24所示。

图21 型钢梁直柱支座处应力曲线

图22 型钢梁斜柱支座处应力曲线

图23 型钢梁跨中处型钢翼缘应力曲线

图24 型钢梁跨中处型钢腹板应力曲线

从上述监测应力曲线图可看出:

（1）型钢梁在各种不同工况下的受力均不是很大，应力值均在70MPa以内，远小于Q345型钢的抗拉强度设计值315MPa及型钢焊接的最小抗弯设计值265MPa，表明型钢梁的受力是安全的。

（2）型钢梁在各种不同工况下的受力较为平稳，没有出现较大的应力突变；个别应力变化较大是由于浇筑混凝土时产生的倾倒、振捣混凝土等产生的瞬时荷载，但对结构受力的影响不大。

（3）型钢梁在各种不同工况下跨中部位的受力较大，特别是在型钢梁的外边缘处。随着施工荷载的施加，型钢梁外缘的受力呈现逐渐上升状态；在下层脚手架拆除后，转换梁单独受力，型钢的上边缘受力较大，并且钢筋的受力状态发生了改变，表明脚手架对梁产生的次应力是不可忽略的，但对型钢的受力影响并不明显。

（4）随着上部荷载的增加，型钢和钢筋的受力均有所增加，但型钢分担的力要比钢筋大，体现了型钢混凝土承载力大的优点；且随着上部楼层的施工，转换梁跨中的上翼缘、两端的下翼缘受压趋势明显，反映了转换梁上托普通框架时，其受力同普通梁受力特点［8］。

（5）通过对型钢梁腹板的监测分析发现，型钢梁腹板中部处于中性轴附近，在十层楼板浇筑前后受力一直比较稳定，在十层楼板混凝土浇筑后，中性轴开始上移，呈现受压状态且有上升趋势；其腹板的上部和下部受力比较明确，在上部荷载的作用下，腹板的上部受压，下部受拉，但受力的绝对值均比型钢上下边缘小。

（6）在斜柱部位的转换梁处于梁柱节点处，是受力与传力的关键部位，受力状态比较复杂。在九层楼板特别是靠山体部分的九层楼板混凝土浇筑后，在支座处受压的状态日趋明显，反映了托柱转换梁的支座处由于受力拱作用的受压理论。在转换梁另一端的梁端，在八层以后作为露台使用，在八层楼板混凝土浇筑后受力一直较为平稳，少许的应力变化是由于在此处堆放了些材料，但不影响结构的整个受力情况。

4 数值模拟与现场实测对比分析

通过对型钢梁在不同工况下的数值模拟和现场监测分析可以看出，有限元模拟与现场监测有些偏差，以转换梁跨中的应力值为例，其监测值与模拟值的对比曲线图如图25所示。

图25 监测值与模拟值对比曲线图

监测值与模拟值出现偏差的主要原因如下:

（1）数值模拟的力学模型仅考虑了部分结构的整体性和结构间的相互约束作用，只考虑了本跨的相邻结构及上部结构对本跨结构的影响，且认为型钢梁与型钢柱之间是刚接的，但实际上柱端是有转角产生的，因而模拟值较小，偏不安全。监测值反映了整体结构真实地受力状态，充分考虑了结构间的相互约束。

（2）数值模拟值所采用的荷载是规范给出的设计荷载，且进行了多种理论假设，是理想状态下的取值，与施工现场中各种不利工况有所不同，所得出的结果必然存在差异。模拟计算中施工工作面所受到的荷载是均布的面荷载，梁上所受的荷载为线荷载，而实际施工中，工作面上的荷载存在不均现象，而且会不可避免的出现一些动力荷载。

（3）为减少大体积混凝土产生的裂缝对结构的影响，现场采取分三层浇筑混凝土。当后层混凝土浇筑时，前层混凝土对型钢梁已经产生作用力，且混凝土浇筑时对型钢梁的冲击荷载和堆积荷载较大，使得监测值较大；而模拟分析没有考虑现场这些偶然因素的影响。