基于施工全过程健康监测的装配式部分包覆钢-混凝土组合结构体系动力特性研究*

2024-03-13孙求知李亚明刘宏欣

建筑结构 2024年4期

孙求知, 李亚明, 刘宏欣

(1 上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041；2 上海建筑空间结构工程技术研究中心，上海 200041)

0 引言

部分包覆钢-混凝土组合构件(简称PEC构件)是通过在型钢翼缘配置剪力连接件和浇筑混凝土而形成的新型组合构件,具有预制率高、生产周期短、环境干扰少等显著优势[1-3]。动力特性是结构自身的固有性质[4],自振频率是阵型分解反应谱法确定动力作用的重要参数[5],阻尼比是反映阻尼力对能量消耗的能力[6],其取值对结构设计至关重要[7]。

迄今为止,已有许多关于PEC结构力学性能和应用方面的研究。赵冲等[8]通过4个组合框架模型的低周往复荷载试验,分析了其滞回曲线和骨架曲线的普遍规律。Mucedero等[9]采用数值分析方法研究了PEC框架结构的抗连续倒塌性能,根据试验数据验证了基于非弹性纤维的梁数值模型。夏远洋等[10]建立12个带PEC柱钢框架结构模型算例,并进行Pushover分析,发现在型钢钢柱中注入混凝土可以提高结构的抗侧刚度、延性和承载能力。方有珍等[11]进行了3榀PEC柱-钢梁通长预拉杆自复位连接组合框架的试验,发现该设计理念可实现在中震作用下利用辅助耗能元件提供耗能,在大震作用下将连接转换为承压型传力模式。吴承修等[12]进行了中柱失效工况下焊接连接钢框架结构的试验,并采用部分包裹混凝土加固形成PEC结构,有效提升了钢框架在抗连续倒塌承载力和变形能力方面的性能。

目前国内对PEC结构的研究较为广泛,但针对实际典型工程案例基于动力监测的施工全过程动力特性方面的研究尚显不足,尤其是阻尼比取值是否合理尚未得到有效验证。本文拟通过健康监测和有限元分析技术手段,对施工全过程中PEC结构体系进行应力监测和动力特性监测,研究结构体系自振周期、阻尼比的在施工过程中的变化,重点研究节点封闭前后动力特性的变化情况,为PEC梁柱节点设计提供有益的探索。

1 工程概况

世博文化公园东区双子山项目位于上海市浦东新区雪野路以南。双子山是一座景观堆山建筑,为世博文化公园的主要组成部分,采用结构空腔方法进行堆山设计。本工程采用框架-剪力墙结构体系,其中空腔结构规则框架采用部分包覆钢-混凝土(PEC)框架,PEC梁、柱在工厂预制完成后先通过螺栓连接,再浇筑混凝土,剪力墙全现浇。该工程为国内首次大规模采用PEC组合结构的工程项目,由于项目特点,结构顶部覆土荷载较大,因此采用大截面PEC结构构件,在施工过程中需要关注节点封闭前后结构自振周期、结构阻尼比及刚度变化等动力特性。

2 试验方案

2.1 有限元模型

采用MIDAS/Gen软件对结构进行施工全过程有限元模拟分析,通过对比应力监测值和计算值,检验模型静力计算参数的合理性。MIDAS/Gen三维计算模型及监测现场如图1所示。

图1 MIDAS/Gen三维计算模型及监测现场

2.2 应力应变监测方案

项目梁柱节点后浇区域为组合构件协同工作薄弱位置,在施工过程和运营阶段进行实时监测,并分析梁柱后填充混凝土和钢构工作协同性,确保结构安全性。在结构2层、3层、5层、7层的PEC梁、PEC柱、后浇节点内预埋应变计,包括PEC节点及PEC梁型钢上下翼缘位置的表面式应变计、PEC柱型钢腹板中心位置的表面式应变计、各部位混凝土中的埋入式应变计,具体布置如图2所示。

图2 PEC构件应变测点布置详图

应力、应变监测采用AIOT-A01BM102表面式应变传感器和AIOT01010103埋入式应变计。对于型钢表面式应变计,在结合《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[13]中的钢材设计强度要求后,通过设置三级预警阀值来评估应力数据,其中黄色预警值、橙色预警值、红色预警值分别为应力σ达到设计强度的70%(210MPa)、80%(240MPa)、90%(270MPa)时的值。对于混凝土埋入式应变计,在结合《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)[14]中的混凝土设计强度要求后,通过设置三级预警阀值来评估应力数据,其中黄色预警值、橙色预警值、红色预警值分别为当应力σ达到设计强度的50%(10MPa)、70%(15MPa)、90%(17MPa)时的值。

2.3 动力特性监测方案

结构动力特性是反映结构状态的一个最重要、最直接的性能指标。在关键位置布置加速度传感器可以获取结构的基本自振频率和阻尼。根据施工阶段和进度,在结构关键位置进行人工采集监测数据,进行模态参数分析,确定节点后浇混凝土对结构的影响,并评估填充质量。动力特性测点布置如图3所示,选择结构楼层最高的一个柱子层布置测点。

图3 动力特性测点布置图

施工阶段采用AIOT-A0601型加速度计进行动力监测,并及时收集结构振动数据以进行模态参数分析。通过统计后填充混凝土质量来计算节点浇筑前结构的动力特性理论值,与实测值进行比较,评估节点后浇筑对结构的影响,同时通过节点浇筑前后4组数据的对比,评估后浇筑混凝土的施工质量。加速度传感器在项目运营阶段仍保持实时监测,以便进一步对PEC结构体系长期的动力特性进行研究。

加速度传感器安装示意图如图4所示,以X向加速度传感器为例:1)加工一块尺寸为150×150×10的耳板,并对其表面进行清洁和平滑处理,以改善安装耦合并提高高频响应;在耳板中心部位预先安装一枚M5普通螺栓,长8mm,使其轴线与测试方向保持一致。2)将耳板沿Y向通过螺栓连接安装至需要测加速度信息的梁/墙部位的表面。3)将传感器拧入耳板螺栓中,安装后传感器与安装面应紧密贴实,不应有缝隙。4)将传感器保护罩通过焊接连接安装至耳板上,保护罩中心要提前预留好数据线出口。

图4 加速度计安装示意图

2.4 监测阶段

选取4个主要施工阶段进行应力应变分析,分别为:施工阶段1,对应测点位置的框架梁柱和剪力墙施工完成;施工阶段2,对应测点位置的楼板浇筑完成;施工阶段3,对应测点的节点浇筑完成;施工阶段4,结构顶部覆土完成。

选取3个关键施工阶段进行动力特性分析,分别为:施工阶段1,楼板浇筑完成;施工阶段2,节点浇筑完成;施工阶段3,结构顶部覆土完成。

3 PEC结构动力响应试验结果

3.1 应力应变监测结果分析

结构全过程施工模拟应力云图如图5所示,可以看出,覆土完成后,结构最大应力为232.26MPa,小于295MPa,结构受力满足《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)的强度要求。受文章篇幅限制,仅选取了部分典型的测点进行分析。其中,节点后浇区型钢梁翼缘应力增量的监测结果和计算结果如图6所示,型钢梁腹板中部应力增量的监测结果和计算结果如图7所示,节点后浇区框架梁和框架柱混凝土位置的应力增量如图8所示。

图5 结构全过程施工模拟应力云图/MPa

图6 型钢梁翼缘应力增量绝对值对比图

图7 型钢梁腹板中部应力增量绝对值对比图

图8 混凝土应力增量绝对值对比图

通过对图6～8进行分析,可得出以下结论:

(1)钢结构和混凝土应力计算值与实测值存在一定差异,但整体趋势相似,且在结构顶部覆土完成时的应力增量差别不大,说明结构施工全过程仿真模拟计算具有合理性,但在指导结构施工和设计时需考虑不同误差的影响,如早龄期混凝土具有过大的收缩量,现场施工电磁场或临时荷载变化等。

(2)随着施工进展,各测点的应力整体呈增大趋势。其中,2层、3层与5层型钢梁翼缘在楼板浇筑完成前后应力变化较大,7层型钢梁翼缘在开始覆土后应力变化较大。2层型钢梁腹板在楼板浇筑完成前后应力变化较大,3层、5层与7层型钢梁腹板在开始覆土后应力变化较大。不同位置的混凝土均是在楼板浇筑完成前后与节点浇筑完成前后发生较大变化,其他期间应力波动较小。

(3)结构施工全过程的应力监测结果表明,在整个施工过程中,钢材应力实际监测结果均小于295MPa,符合《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)的强度要求,梁柱型钢及节点后浇区型钢具备安全可靠性;C30和C40级别的混凝土应力实际监测结果分别小于14.3MPa和19.1MPa,满足《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)对强度要求,确保了混凝土的安全可靠性。

3.2 动力特性监测结果分析

受文章篇幅限制,仅选取了一条轴上的测点进行分析,自振频率计算结果和监测结果如图9、10所示。位移功率谱密度平方根的监测结果峰值对应的频率,即为该方向结构的基本自振频率,结合自振频率的软件计算值,可以求出监测值和计算值的相对误差=(计算值-监测值)/计算值,如表1所示。结构的阻尼比实测值如表2所示。由图9、图10、表1和表2分析可知:

表1 自振频率计算值

表2 阻尼比实测值

图9 东西方向在施工阶段自振频率计算结果和监测结果

图10 南北方向在施工阶段自振频率计算结果和监测结果

(1)在整个施工过程中,结构基本自振频率计算值与实测值间的相对误差波动较大,范围为1.06%～14.68%,有限元模拟结果能在一定程度上反应结构施工过程中自振频率的变化。

(2)节点后浇区混凝土浇筑前后,结构的自振周期和阻尼比变化较小;而覆土完成后,结构的自振频率和阻尼比均有所增加。这是由于在节点后浇区混凝土浇筑完成后结构质量虽然增加,但是刚度也相应有所提高,结构刚重比变化不大,自振周期和阻尼比变化也较小。而覆土完成后,结构质量增加明显,刚重比变小,自振周期和阻尼比响应增大。

(3)在结构设计时,以0.04作为阻尼比取值,该数值小于施工完成后实测阻尼比最小值0.046,说明结构阻尼比取值偏向安全。