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        M形屋架張拉施工過程監(jiān)測研究

        2022-07-04 09:19:26范志遠(yuǎn)
        建筑施工 2022年1期
        關(guān)鍵詞:支桿屋架拉桿

        范志遠(yuǎn)

        上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

        隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展,場館、高層連廊、屋蓋的跨度越來越大,結(jié)構(gòu)形式也越來越復(fù)雜,目前屋蓋常用的結(jié)構(gòu)形式多為拉桿預(yù)應(yīng)力桁架體系。拉索(拉桿)預(yù)應(yīng)力桁架是預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科中研究最早、最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式,其涉及的類型有簡支桁架、連續(xù)桁架、懸臂桁架、拱式桁架、立體桁架等,施加預(yù)應(yīng)力的方法有單次預(yù)應(yīng)力與多次預(yù)應(yīng)力??梢哉f拉索(拉桿)預(yù)應(yīng)力鋼桁架的研究與應(yīng)用奠定了預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科的發(fā)展基礎(chǔ),并推動學(xué)科深入。雖然國內(nèi)外學(xué)者針對拉桿預(yù)應(yīng)力鋼桁架結(jié)構(gòu)體系開展了一系列的探索研究[1-4],然而其結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性、受力狀態(tài)的非線性和結(jié)構(gòu)找形等難題仍存在。因此,本文以某一M形屋架工程為背景,進(jìn)行施工過程監(jiān)測,以研究拉桿預(yù)應(yīng)力鋼桁架體系的力學(xué)狀態(tài)。

        1 工程概況

        背景工程的M形屋架鋼結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力鋼拉桿,共26根φ60 mm鋼拉桿,50根φ40 mm鋼拉桿。結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

        圖1 M形屋架鋼結(jié)構(gòu)示意

        M形屋架安裝流程:鋼構(gòu)件、拉桿預(yù)加工→安裝兩側(cè)邊桁架組合件、φ60 mm拉桿→現(xiàn)場拼接U形鋼結(jié)構(gòu)→安裝φ40 mm拉桿→中間向兩端對稱拼裝M形屋面→中間向兩端對稱張拉鋼拉桿→張拉成形。

        2 分析工況

        2.1 張拉工況

        中間φ40 mm拉桿預(yù)應(yīng)力按2次張拉到位,現(xiàn)場張拉大致按照中間→東側(cè)→西側(cè)順序進(jìn)行(圖2)。詳細(xì)張拉順序為:LG407→LG406(張拉部分力)→LG406'→LG405→L G404→LG403→LG402→LG401→LG406→LG405'→LG404'→LG403'→LG402'→LG401'→拆除臨時支桿。

        圖2 M形屋架鋼結(jié)構(gòu)平面示意

        2.2 張拉控制力

        中間φ40 mm拉桿預(yù)應(yīng)力張拉控制力參照設(shè)計圖紙中的張拉力。中間拉桿的張拉控制力如表1所示。

        表1 拉桿張拉控制力

        3 施工狀態(tài)監(jiān)測

        3.1 監(jiān)測關(guān)鍵要素

        M形屋架系柔性屋面結(jié)構(gòu),在M形屋架施工過程中,兩側(cè)支座均采用臨時支桿進(jìn)行限位約束,在拆除臨時支桿時,需要對支座水平位移進(jìn)行監(jiān)測,以便控制支座不產(chǎn)生較大水平位移。

        當(dāng)U形管內(nèi)側(cè)拉桿張拉時,臨時支桿力會發(fā)生較大變化,需要對臨時支桿力進(jìn)行監(jiān)測,明確臨時支桿受力變化趨勢,以確定臨時支桿拆除的適宜時機(jī)。同時,屋架的拉桿力會隨U形管內(nèi)側(cè)拉桿的張拉、臨時支桿的拆除及結(jié)構(gòu)恒載的到位而發(fā)生變化。因此,在施工中需對屋架拉桿力進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測,及時控制拉桿力使其最終達(dá)到成形受力狀態(tài)。

        3.2 主要監(jiān)測內(nèi)容

        結(jié)合屋架鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn),M形屋架的主要監(jiān)測內(nèi)容如下:

        1)支座水平位移的監(jiān)測:主要監(jiān)測22—24 軸支座水平約束解除前后的水平位移。

        2)U形管拉桿軸力的監(jiān)測:主要監(jiān)測U形管外側(cè)拉桿(LG413、LG415、LG417、LG419、LG423、LG424、LG425、LG426)、內(nèi)側(cè)拉桿(LG404、LG405、LG406、LG407)軸力。監(jiān)測張拉U形管內(nèi)拉桿,對外側(cè)拉桿力和相鄰拉桿力的影響。支座水平約束解除后,監(jiān)測拉桿力的變化。

        3)臨時支桿力的監(jiān)測:主要監(jiān)測22—24 軸支座臨時支桿力在U形管內(nèi)拉桿張拉前后的變化。

        3.3 監(jiān)測點(diǎn)布置

        M形屋架布置支座水平位移監(jiān)測點(diǎn)6個、外側(cè)拉桿應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)8個、內(nèi)側(cè)拉桿應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)4個、臨時支桿應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)6個,合計位移監(jiān)測點(diǎn)6個、應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)18個。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖3~圖9所示。

        圖3 位移監(jiān)測點(diǎn)平面布置示意(屋架縱向為X向,橫向為Y向)

        圖4 外側(cè)拉桿應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)平面布置示意

        圖5 外側(cè)拉桿應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)安裝示意

        圖6 內(nèi)側(cè)拉桿應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)平面布置示意

        圖7 內(nèi)側(cè)拉桿應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)安裝示意

        圖8 臨時支桿應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)平面布置示意

        圖9 臨時支桿應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)安裝示意

        4 理論與實測對比分析

        4.1 理論模型

        本文利用有限元計算軟件Midas/Gen,進(jìn)行M形屋架的施工全過程模擬(圖10),分析了整個張拉過程中各拉桿軸力、臨時支桿內(nèi)力及支座位移的變化趨勢,并與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

        圖10 計算模型示意

        M形屋架的鋼結(jié)構(gòu)部分采用梁單元模擬,拉桿均采用桁架單元模擬,拉索采用索單元模擬。

        屋架的橡膠支座采用彈性支撐模擬,彈性支撐的豎向、水平剛度以設(shè)計圖紙中剛度參數(shù)為準(zhǔn)。屋架外側(cè)拉桿、拉索與裙樓連接處按鉸接處理。

        4.2 結(jié)果分析

        4.2.1 中間拉桿

        依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析可得,中間拉桿實測軸力與理論結(jié)果的變化趨勢比較吻合,偏差在20%范圍以內(nèi)。

        理論計算時,支座處的所有臨時支桿均在拉桿張拉完成后拆除,因此,在拆除臨時支桿階段,各拉桿拉力會相應(yīng)減小。而實際施工時,現(xiàn)場部分臨時支桿在張拉拉桿階段出現(xiàn)自動脫離現(xiàn)象,因此部分拉桿的拉力減小現(xiàn)象出現(xiàn)在張拉階段而非拆除臨時支桿階段。拉桿軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)詳見圖11、圖12。

        圖11 中間拉桿軸力變化曲線

        圖12 中間拉桿軸力實測理論曲線對比

        從圖11、圖12中可得:

        1)當(dāng)張拉中間拉桿LG407時,會引起相鄰拉桿LG406、LG404出現(xiàn)壓力。主要是拉桿張拉時,會引起結(jié)構(gòu)向內(nèi)收縮變形,而該屋架拉桿均為非柔性拉桿,從而導(dǎo)致相鄰拉桿出現(xiàn)壓力。

        2)第9階段,張拉拉桿LG406時,相鄰拉桿拉力均出現(xiàn)不同程度的減小。拉桿拉力松弛程度:LG405>LG407>LG404。這表明,拉桿張拉時會引起相鄰拉桿拉力的松弛,同時松弛程度隨拉桿間距的增大而減小。

        3)張拉對稱側(cè)拉桿時(階段10~14),上述3根拉桿拉力基本保持不變。這表明,當(dāng)拉桿間距較大時,相互的影響作用也較小。

        4.2.2 邊側(cè)拉桿

        依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析可得,北岸邊側(cè)拉桿實測軸力與理論結(jié)果的變化趨勢比較吻合,偏差大致在40%以內(nèi),如圖13、圖14所示。

        圖13 北岸邊側(cè)拉桿軸力變化曲線

        從圖13、圖14中可得:

        1)當(dāng)張拉中間拉桿的同時,會引起同一軸上的邊側(cè)拉桿拉力增大。

        2)第9階段,張拉拉桿LG406時,相鄰邊側(cè)拉桿拉力均出現(xiàn)不同程度的減小。主要由于中間拉桿張拉時引起相鄰中間拉桿拉力的松弛,從而導(dǎo)致相應(yīng)軸的邊側(cè)拉桿的拉力減小。

        4.2.3 臨時支桿

        在吊桿張拉前,標(biāo)定臨時支桿的初始值F0,臨時支桿相對內(nèi)力按監(jiān)測值減初始值計算:F=F測-F0。即臨時支桿的監(jiān)測內(nèi)力均是以張拉前為初始的相對增量。依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析可得,臨時支桿實測內(nèi)力與理論結(jié)果的變化趨勢比較吻合,偏差大致在20%以內(nèi),如圖15~圖17所示。

        圖15 25 軸臨時支桿內(nèi)力實測理論對比

        圖16 26 軸臨時支桿內(nèi)力實測理論對比

        圖17 27 軸臨時支桿內(nèi)力實測理論對比

        從圖15~圖17中可得:

        1)當(dāng)張拉中間拉桿時,會引起對應(yīng)軸號的臨時支桿的拉力增大。

        2)當(dāng)張拉中間拉桿時,與中間拉桿相對應(yīng)的臨時支桿拉力的增量大致為拉桿張拉力的一半。主要是因為1根中間拉桿對應(yīng)兩軸的臨時支桿,因此,同一軸號的南、北岸臨時支桿的拉力總增量約為對應(yīng)中間拉桿拉力的一半。

        3)各個軸的北岸臨時支桿的內(nèi)力增量均大于南岸臨時支桿。

        4.2.4 支座水平位移

        拉桿張拉前,利用全站儀測量的各監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)初始值(X0,Y0,Z0);待臨時支桿完全拆除后,再利用全站儀測量各監(jiān)測點(diǎn)變形后位移值(X,Y,Z),前后兩次坐標(biāo)差值即為監(jiān)測點(diǎn)的位移值(ΔX,ΔY,ΔZ)。其中,測量坐標(biāo)系X軸沿屋架縱向朝東為正,Y軸沿屋架橫向朝北為正。

        依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析可得,支座水平位移實測值與理論結(jié)果的變化趨勢較吻合,偏差約30%,如圖18所示。

        圖18 支座水平位移坐標(biāo)系示意

        根據(jù)表2可得:結(jié)構(gòu)成形后,支座水平位移均在1 cm以內(nèi),且主要以橫向(Y向)位移為主,橫向位移最大為7 mm。結(jié)構(gòu)成形后,結(jié)構(gòu)整體具有橫向朝南岸偏移的趨勢,且北岸的橫向位移相對南岸的橫向位移較大。

        表2 支座水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)單位:mm

        5 結(jié)語

        1)拉桿張拉時,會引起結(jié)構(gòu)向內(nèi)收縮變形,從而引起相鄰拉桿拉力的松弛,同時松弛程度隨拉桿間距的增大而減小。當(dāng)拉桿間距較大時,相互的影響作用較小。中間拉桿張拉時引起相鄰中間拉桿拉力的松弛,會引起相應(yīng)軸的邊側(cè)拉桿的拉力減小。

        2)結(jié)構(gòu)成形后,支座水平位移均在1 cm以內(nèi),且主要以橫向(Y向)位移為主,橫向位移最大為7 mm。

        通過本工程的現(xiàn)場監(jiān)測研究,深入探究了拉桿預(yù)應(yīng)力鋼桁架體系的施工力學(xué)狀態(tài),為類似結(jié)構(gòu)體系的張拉施工提供了實測數(shù)據(jù)參考。

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