陳 燕， 張運(yùn)帥， 羅宗禮， 劉 睿， 鄭 磊

（1．安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)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

型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁由于其承載力高、延性好、抗震性能好、施工速度快、耐久性能優(yōu)越等特點(diǎn)被廣泛用于多種大跨度多功能建筑的結(jié)構(gòu)中。對(duì)于設(shè)置了轉(zhuǎn)換梁的高層建筑結(jié)構(gòu)，沿建筑物高度方向剛度的均勻性發(fā)生很大變化，豎向承力構(gòu)件不連續(xù)以及墻、柱截面的突變，導(dǎo)致傳力路線曲折和應(yīng)力集中［1］，因此，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的受力情況復(fù)雜，如果設(shè)計(jì)、施工不當(dāng)，將會(huì)危及結(jié)構(gòu)的安全。目前關(guān)于型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)范較少，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的研究還不深入。對(duì)轉(zhuǎn)換梁在施工過程中的安全性也少有監(jiān)測(cè)分析研究，也很少有對(duì)設(shè)計(jì)和施工的優(yōu)化分析。本文以貴陽(yáng)花果園辦公一號(hào)樓項(xiàng)目的大跨度型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁為研究背景，通過對(duì)其在施工過程中進(jìn)行不同工況的數(shù)值模擬，分析其受力機(jī)理及安全性，并對(duì)轉(zhuǎn)換梁在不同工況下的受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，保證了本工程型鋼混凝土梁施工過程中的安全性。

1 工程概況及難點(diǎn)

貴陽(yáng)花果園辦公一號(hào)樓項(xiàng)目位于貴陽(yáng)市彭家灣地區(qū)。該建筑依山傾斜而建，總建筑面積近11萬(wàn)m2，建筑總高度132m。由于建筑功能實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變，在八層、九層分別設(shè)置了型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁。轉(zhuǎn)換梁最大長(zhǎng)度72m，跨度最大達(dá)35．4m，截面最大為1200×3500mm，內(nèi)設(shè)大型H型鋼，截面尺寸為H3100×700×40×50mm。構(gòu)件的體積及重量均很大，對(duì)吊裝和安裝的要求高；型鋼梁自重及承受的上部荷載巨大，高支模難度大；鋼筋密集且夾有大型型鋼，混凝土的澆筑及振搗困難等。施工過程中各工序難度大且危險(xiǎn)性高，如何優(yōu)化施工方案，保證轉(zhuǎn)換梁在施工過程中的安全，是一個(gè)迫切且值得研究的課題。型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁的位置及現(xiàn)場(chǎng)施工圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁位置圖（深色方框）

圖2 型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁現(xiàn)場(chǎng)施工圖

2 大跨度型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁數(shù)值模擬分析

由于工程結(jié)構(gòu)是按照設(shè)計(jì)要求逐步建造起來(lái)的，在建造過程中整體結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)、荷載及邊界條件不斷發(fā)生變化，呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)時(shí)變、材料時(shí)變和邊界時(shí)變的特點(diǎn)。因此若不考慮施工過程對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，所得分析結(jié)果與實(shí)際情況將有較大差別［2－3］。

本文采用MIDAS／GEN軟件，根據(jù)結(jié)構(gòu)逐步建造的過程模擬轉(zhuǎn)換梁在不同工況下的受力情況，每一結(jié)構(gòu)層作為一個(gè)施工工況。選取有代表性的9軸型鋼梁作為研究對(duì)象，并考慮到梁、板、柱的空間作用，將相鄰兩跨作為整體分析，考慮豎向荷載和施工荷載作用。為方便分析，只建立分析對(duì)象的上部結(jié)構(gòu)。按照不同工況建立的轉(zhuǎn)換梁模型分別如圖3～圖7所示。

圖3 工況一下的轉(zhuǎn)換梁模型

圖4 工況二下的轉(zhuǎn)換梁模型

圖5 工況三下的轉(zhuǎn)換梁模型

圖6 工況四下的轉(zhuǎn)換梁模型

圖7 工況五下的轉(zhuǎn)換梁模型

由于該轉(zhuǎn)換梁的截面較大，且與型鋼柱整體現(xiàn)澆在一起，鋼筋能夠足夠錨固，因此考慮轉(zhuǎn)換梁兩端的約束方式為固結(jié)。荷載選取依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009－2012［4］中的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)施工過程中可能出現(xiàn)的荷載取其最不利組合進(jìn)行計(jì)算。加載過程中考慮本層及上部結(jié)構(gòu)自重，以及上部結(jié)構(gòu)澆筑混凝土?xí)r的施工活荷載和腳手架、模板的自重等。經(jīng)過模擬分析，得到該模型在不同工況下的應(yīng)力云圖及位移云圖分別如圖8～圖17所示。

圖8 工況一下的轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力云圖

圖9 工況二下的轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力云圖

圖10 工況三下的轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力云圖

圖11 工況四下的轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力云圖

圖12 工況五下的轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力云圖

圖13 工況一下的轉(zhuǎn)換梁位移云圖

圖14 工況二下的轉(zhuǎn)換梁位移云圖

圖15 工況三下的轉(zhuǎn)換梁位移云圖

圖16 工況四下的轉(zhuǎn)換梁位移云圖

圖17 工況五下的轉(zhuǎn)換梁位移云圖

根據(jù)以上模擬結(jié)果得出以下結(jié)論:

（1）從應(yīng)力云圖上看，梁兩端及跨中的應(yīng)力較大，反映了托柱轉(zhuǎn)換梁的跨中及兩端的應(yīng)力較大的受力規(guī)律［5］。在第一工況下，梁跨中的最大應(yīng)力為17．9MPa，靠近斜柱一端的梁的最大應(yīng)力為－33．9MPa，其支座處應(yīng)力為負(fù)值反映了上部荷載使托柱轉(zhuǎn)換梁支座處由于受力拱的作用產(chǎn)生軸向壓力的受力規(guī)律［6－7］。隨著結(jié)構(gòu)層和荷載的施加，35．4m跨的轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力也隨之增加，沒有出現(xiàn)應(yīng)力突變；到施工至屋面層時(shí)，梁跨中的最大應(yīng)力為33．93MPa，靠近斜柱一端的梁的最大應(yīng)力為－69．1MPa，遠(yuǎn)小于Q345型鋼和HRB400鋼筋的屈服強(qiáng)度值。

（2）在型鋼梁的模擬過程中的應(yīng)力最大值為－198．44MPa，出現(xiàn)在第5工況即屋面層施工時(shí)的直柱的上端，反映了轉(zhuǎn)換梁的邊柱受力比中柱大的規(guī)律［5］，但應(yīng)力的最大值均小于Q345型鋼的應(yīng)力屈服強(qiáng)度值315MPa。表明型鋼混凝土梁在施工過程中的受力是安全的。

（3）從位移云圖上看，型鋼梁最大位移均發(fā)生在靠近跨中的直柱一側(cè)。在第一結(jié)構(gòu)層施工時(shí)最大位移為60．601mm，隨著荷載和結(jié)構(gòu)層的施加，其最大位移值也隨之變化，到最后一層結(jié)構(gòu)層施工時(shí)最大位移值為104．771mm，小于35．4m的型鋼梁的允許位移值118mm（35400／300＝118mm）。為了防止型鋼梁在施工階段混凝土自重引起梁下垂，影響型鋼梁的質(zhì)量和安全，施工時(shí)應(yīng)在跨中靠近直柱側(cè)起拱約100mm，向梁兩端的起拱值依次減小。

（4）經(jīng)過模擬分析，型鋼梁的受力與位移值均較小，遠(yuǎn)小于其應(yīng)力和位移的允許值，表明大跨度型鋼混凝土梁在不同工況下的施工是安全的。

3 大跨度型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析

為保證大跨度型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁施工過程中的質(zhì)量安全，對(duì)其在施工過程中的受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析轉(zhuǎn)換梁在各種不同工況下的受力情況。根據(jù)型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁的受力理論，當(dāng)轉(zhuǎn)換梁上部?jī)H有框架結(jié)構(gòu)時(shí)，可不考慮上部結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)換梁共同工作，按照普通框架梁受力性能分析［7］。本監(jiān)測(cè)方案中對(duì)跨度為35．4m的型鋼混凝土梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，在受力較大的型鋼梁跨中、兩端的上下邊緣及腹板分別設(shè)置了表面應(yīng)變計(jì)和鋼筋計(jì)，分別監(jiān)測(cè)型鋼與鋼筋混凝土的受力及協(xié)同受力情況。儀器布置位置及部分現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)圖分別如圖18～圖20所示。

圖18 型鋼梁表面應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)埋設(shè)示意圖

圖19 表面應(yīng)變計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)圖

圖20 鋼筋計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)圖

監(jiān)測(cè)過程中的各種工況如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)換梁監(jiān)測(cè)過程中的各種工況

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，各種工況下轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)型鋼和鋼筋受力變化曲線，如圖21～圖24所示。

圖21 型鋼梁直柱支座處應(yīng)力曲線

圖22 型鋼梁斜柱支座處應(yīng)力曲線

圖23 型鋼梁跨中處型鋼翼緣應(yīng)力曲線

圖24 型鋼梁跨中處型鋼腹板應(yīng)力曲線

從上述監(jiān)測(cè)應(yīng)力曲線圖可看出:

（1）型鋼梁在各種不同工況下的受力均不是很大，應(yīng)力值均在70MPa以內(nèi)，遠(yuǎn)小于Q345型鋼的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值315MPa及型鋼焊接的最小抗彎設(shè)計(jì)值265MPa，表明型鋼梁的受力是安全的。

（2）型鋼梁在各種不同工況下的受力較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)較大的應(yīng)力突變；個(gè)別應(yīng)力變化較大是由于澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的傾倒、振搗混凝土等產(chǎn)生的瞬時(shí)荷載，但對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響不大。

（3）型鋼梁在各種不同工況下跨中部位的受力較大，特別是在型鋼梁的外邊緣處。隨著施工荷載的施加，型鋼梁外緣的受力呈現(xiàn)逐漸上升狀態(tài)；在下層腳手架拆除后，轉(zhuǎn)換梁?jiǎn)为?dú)受力，型鋼的上邊緣受力較大，并且鋼筋的受力狀態(tài)發(fā)生了改變，表明腳手架對(duì)梁產(chǎn)生的次應(yīng)力是不可忽略的，但對(duì)型鋼的受力影響并不明顯。

（4）隨著上部荷載的增加，型鋼和鋼筋的受力均有所增加，但型鋼分擔(dān)的力要比鋼筋大，體現(xiàn)了型鋼混凝土承載力大的優(yōu)點(diǎn)；且隨著上部樓層的施工，轉(zhuǎn)換梁跨中的上翼緣、兩端的下翼緣受壓趨勢(shì)明顯，反映了轉(zhuǎn)換梁上托普通框架時(shí)，其受力同普通梁受力特點(diǎn)［8］。

（5）通過對(duì)型鋼梁腹板的監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，型鋼梁腹板中部處于中性軸附近，在十層樓板澆筑前后受力一直比較穩(wěn)定，在十層樓板混凝土澆筑后，中性軸開始上移，呈現(xiàn)受壓狀態(tài)且有上升趨勢(shì)；其腹板的上部和下部受力比較明確，在上部荷載的作用下，腹板的上部受壓，下部受拉，但受力的絕對(duì)值均比型鋼上下邊緣小。

（6）在斜柱部位的轉(zhuǎn)換梁處于梁柱節(jié)點(diǎn)處，是受力與傳力的關(guān)鍵部位，受力狀態(tài)比較復(fù)雜。在九層樓板特別是靠山體部分的九層樓板混凝土澆筑后，在支座處受壓的狀態(tài)日趨明顯，反映了托柱轉(zhuǎn)換梁的支座處由于受力拱作用的受壓理論。在轉(zhuǎn)換梁另一端的梁端，在八層以后作為露臺(tái)使用，在八層樓板混凝土澆筑后受力一直較為平穩(wěn)，少許的應(yīng)力變化是由于在此處堆放了些材料，但不影響結(jié)構(gòu)的整個(gè)受力情況。

4 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比分析

通過對(duì)型鋼梁在不同工況下的數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析可以看出，有限元模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)有些偏差，以轉(zhuǎn)換梁跨中的應(yīng)力值為例，其監(jiān)測(cè)值與模擬值的對(duì)比曲線圖如圖25所示。

圖25 監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比曲線圖

監(jiān)測(cè)值與模擬值出現(xiàn)偏差的主要原因如下:

（1）數(shù)值模擬的力學(xué)模型僅考慮了部分結(jié)構(gòu)的整體性和結(jié)構(gòu)間的相互約束作用，只考慮了本跨的相鄰結(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)對(duì)本跨結(jié)構(gòu)的影響，且認(rèn)為型鋼梁與型鋼柱之間是剛接的，但實(shí)際上柱端是有轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的，因而模擬值較小，偏不安全。監(jiān)測(cè)值反映了整體結(jié)構(gòu)真實(shí)地受力狀態(tài)，充分考慮了結(jié)構(gòu)間的相互約束。

（2）數(shù)值模擬值所采用的荷載是規(guī)范給出的設(shè)計(jì)荷載，且進(jìn)行了多種理論假設(shè)，是理想狀態(tài)下的取值，與施工現(xiàn)場(chǎng)中各種不利工況有所不同，所得出的結(jié)果必然存在差異。模擬計(jì)算中施工工作面所受到的荷載是均布的面荷載，梁上所受的荷載為線荷載，而實(shí)際施工中，工作面上的荷載存在不均現(xiàn)象，而且會(huì)不可避免的出現(xiàn)一些動(dòng)力荷載。

（3）為減少大體積混凝土產(chǎn)生的裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，現(xiàn)場(chǎng)采取分三層澆筑混凝土。當(dāng)后層混凝土澆筑時(shí)，前層混凝土對(duì)型鋼梁已經(jīng)產(chǎn)生作用力，且混凝土澆筑時(shí)對(duì)型鋼梁的沖擊荷載和堆積荷載較大，使得監(jiān)測(cè)值較大；而模擬分析沒有考慮現(xiàn)場(chǎng)這些偶然因素的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以貴陽(yáng)花果園辦公一號(hào)樓型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁為研究對(duì)象，得出了以下結(jié)論:

（1）采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析，都驗(yàn)證了大型轉(zhuǎn)換梁由于受力拱的作用，在支座處受壓的受力規(guī)律。

（2）通過數(shù)值模擬，得出本工程在施工時(shí)轉(zhuǎn)換梁應(yīng)在跨中靠近直柱位置處起拱100mm，起拱值向梁兩端依次減小，有效指導(dǎo)了施工，保證了施工質(zhì)量。

（3）對(duì)轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行不同工況下的實(shí)時(shí)受力監(jiān)測(cè)，確保大型轉(zhuǎn)換梁施工過程中的施工安全，其安全性監(jiān)測(cè)方案和研究方法可為類似工程提供借鑒和參考。

1 陳孟榮．型鋼混凝土梁式轉(zhuǎn)換層的受力性能及設(shè)計(jì)探討［D］．西安建筑科技大學(xué)，2005．

2 曹志遠(yuǎn)．土木工程分析的施工力學(xué)與時(shí)變力學(xué)基礎(chǔ)［J］．土木工程學(xué)報(bào)，2001，34（3）:41－46．

3 王光遠(yuǎn)．論時(shí)變結(jié)構(gòu)力學(xué)［J］．土木工程學(xué)報(bào)，2000，33（6）:105－108．

4 GB 50009－2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012．

5 李永貴．高層建筑鋼筋混凝土梁式轉(zhuǎn)換層施工技術(shù)研究［D］．湖南大學(xué)，2006．

6 董 堃，孫 穎．高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)實(shí)用設(shè)計(jì)方法探討［J］．工業(yè)建筑，2009，39（增），265－269．

7 魏 璉，王 森，韋承基．高層建筑轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)類型及計(jì)算方法的研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2001，31（11），7－14．

8 唐興榮．高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002．