梁 巖 魏瑩瑩 馮浩琪 趙 明 郭 靖

(1.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 450001;2.中國聯(lián)合工程有限公司，杭州 310000)

大跨鋼結(jié)構(gòu)具有跨越能力強、承載力高及結(jié)構(gòu)美觀等優(yōu)點，在公共與工業(yè)建筑中廣為應(yīng)用[1]。但其體量龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計難度大，施工具有時變性[2]，這就要求對結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行有限元模擬分析及監(jiān)控，確保施工方案的科學(xué)性及施工過程的安全性。秦杰等對奧運會羽毛球館預(yù)應(yīng)力和變形施工監(jiān)測做了研究，借助有限元軟件進(jìn)行分析對比驗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[3]；王秀麗等對西寧體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行了施工加載過程有限元模擬分析與健康監(jiān)測，較好地反映了結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化與受力形態(tài)[4]；田黎敏等采用施工力學(xué)方法對三個大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行施工過程跟蹤模擬分析，表明進(jìn)行施工過程模擬分析可以優(yōu)化施工方案，保證施工過程中結(jié)構(gòu)的安全[5]；吳窮等對武漢光谷網(wǎng)球中心進(jìn)行施工監(jiān)測,將計算值與監(jiān)測值對比分析，兩者基本能吻合，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的最不利狀態(tài)有可能出現(xiàn)在施工過程中[6]。在這些研究中，針對施工過程監(jiān)控的分析多為上部屋架鋼結(jié)構(gòu)，而對大跨鋼結(jié)構(gòu)下部支承系統(tǒng)及基礎(chǔ)關(guān)鍵部位的研究甚少。以某遺址保護(hù)工程大跨斜撐鋼結(jié)構(gòu)建筑為依托，采用有限元分析軟件MIDAS/Gen對應(yīng)天門城樓施工過程進(jìn)行了模擬，得到結(jié)構(gòu)施工過程中斜柱支承系統(tǒng)構(gòu)件內(nèi)力及樁頂位移變化規(guī)律，并與相應(yīng)測點實測數(shù)據(jù)對比；同時針對實際施工過程中的異常情況及時作出預(yù)警，以保證正常施工的安全。

1 工程概況

應(yīng)天門遺址保護(hù)工程(圖1)采用對遺址進(jìn)行全覆蓋模式，工程分為三個部分，分別是東西對稱的闕樓、朵樓和位于中間位置的城樓。研究主體為城樓。城樓建筑主體設(shè)計為地上9層，建筑總高約46 m。城樓主體采用鋼結(jié)構(gòu)，在立面上分為8.22 m以下的斜柱支承結(jié)構(gòu)、24.27 m以下的大跨度桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)和上部鋼框架結(jié)構(gòu)。

圖1 應(yīng)天門遺址建筑立面Fig.1 The facade of the building in Yingtianmen Site

為避免上部結(jié)構(gòu)施工過程中對既有遺址的不利影響，上部荷載通過大跨度轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)傳遞到遺址外圍樁基礎(chǔ)承臺上，下部遺址層支承斜柱與地面斜交約60°，水平分力明顯(圖2)。為平衡斜柱柱腳水平推力，通過在基礎(chǔ)承臺之間暗挖頂管預(yù)應(yīng)力拉桿，使結(jié)構(gòu)平面上處于自平衡狀態(tài)，遺址區(qū)域能得到很好的保護(hù)[7]?；A(chǔ)預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉與上部結(jié)構(gòu)施工存在多次平衡轉(zhuǎn)換，樁基在上部水平荷載及基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力荷載作用下會產(chǎn)生水平位移，該位移過大將引起樁身開裂，影響結(jié)構(gòu)安全。因此在預(yù)應(yīng)力施工過程中需嚴(yán)格控制樁頂位移和斜柱應(yīng)力。

圖2 下部斜柱支承系統(tǒng)Fig.2 The support system of inclined pillars in the lower part of the building

2 測點布置及有限元模型建立

2.1 測點布置

為保證上部結(jié)構(gòu)施工過程中基礎(chǔ)的安全性，在暗挖頂管處需設(shè)置測點，測點處布置振弦式應(yīng)變計，以分析頂管梁受力狀態(tài)；在承臺處需設(shè)置位移測點，測點處分別安裝百分表，用于測量承臺頂部水平位移，并以此推算樁頂水平位移(規(guī)定承臺位移向外為正)。下部結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(圖3)包含：承臺位移、頂管軸力、基礎(chǔ)承臺沉降。

1—承臺；2—預(yù)應(yīng)力拉桿。圖3 承臺及拉桿測點布置Fig.3 Arrangements of measurment points on caps and pipe jacking

在上部鋼結(jié)構(gòu)中，斜鋼柱作為整個結(jié)構(gòu)的主要支承構(gòu)件，其柱端由于受軸力和彎矩的雙重作用，壓應(yīng)力較大，因此需要在斜柱關(guān)鍵部位設(shè)置測點，埋設(shè)振弦式應(yīng)變計，用于獲取施工中關(guān)鍵部位應(yīng)力及其變化規(guī)律。斜柱支承系統(tǒng)施工監(jiān)測(圖4)包含：柱腳應(yīng)力、斜柱軸力應(yīng)力、柱頂位移。斜柱應(yīng)力與基礎(chǔ)承臺位移測試相互驗證，形成閉合數(shù)據(jù)分析鏈。

a—底層框架平面布置；b—部分斜柱框架。 位移測點； 應(yīng)力測點。圖4 斜柱支承框架測點布置Fig.4 Arrangements of measurement points on the moment frame with inclined pillars

2.2 有限元模型建立

在有限元分析軟件MIDAS/Gen中建立城樓模型。由于城樓理論模型分析計算量大、復(fù)雜程度高，需要根據(jù)工程實際情況進(jìn)行模型簡化。城樓上部鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用梁單元模擬，下部基礎(chǔ)承臺采用實體單元模擬，各層樓板及屋面、挑檐鋼板選用板單元進(jìn)行模擬。構(gòu)件之間的連接采用共節(jié)點(剛接)。

根據(jù)應(yīng)天門遺址保護(hù)工程單樁水平靜載試驗結(jié)果(表1)可知：編號SZ-70-02及SZ-70-03試樁水平臨界荷載280 kN對應(yīng)的水平位移分別為2.00，8.85 mm,因此樁頂水平位移容許值取2 mm，樁頂水平剛度取30 kN/mm。同時考慮水平彈性支撐剛度KH，約束豎向位移及轉(zhuǎn)動，樁土相互作用采用等效的節(jié)點彈性支承模擬[8]。將樁簡化為節(jié)點彈性支承作為邊界條件。

表1 單樁水平靜載試驗結(jié)果Table 1 Horizontal static test results of single pillars

各鋼梁、鋼柱截面形式根據(jù)設(shè)計圖紙采用自定義截面法確定，通過定義有限元模型中單元轉(zhuǎn)角的方法確定鋼梁單元橫截面朝向。施工階段模擬通過結(jié)構(gòu)組、邊界組和荷載組的激活或鈍化實現(xiàn)。城樓有限元模型如圖5所示。

圖5 城樓有限元模型Fig.5 The finite element model of the city gate tower

根據(jù)施工條件及施工工藝，綜合考慮各種因素后，偏安全地分三階段張拉，施工階段初步劃分如表2所示。

表2 施工階段初步劃分Table 2 Preliminary division of construction phases

3 模型優(yōu)化及施工階段調(diào)整

有限元模擬分析時，一方面，模型部分參數(shù)與現(xiàn)場實際情況有差異，因此，需要對施工中部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行采集，并與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，對模型進(jìn)行優(yōu)化，使其更加接近現(xiàn)場實際施工情況，并指導(dǎo)后續(xù)施工[9-10]。另一方面，部分施工設(shè)計未達(dá)到最優(yōu)施工工序，需要根據(jù)調(diào)整后的最優(yōu)工序進(jìn)行實際施工。

3.1 模型優(yōu)化

闕樓與城樓的張拉方案具有相似性，實際施工是以闕樓第一次預(yù)應(yīng)力張拉完成的監(jiān)測數(shù)據(jù)為指導(dǎo)。根據(jù)闕樓前期實際監(jiān)測結(jié)果，在第一次預(yù)應(yīng)力張拉后，承臺向內(nèi)實際位移小于理論計算值。因原模型僅考慮樁基對承臺的約束作用，忽略承臺周圍回填土及遺址堆載對承臺的抗力作用，導(dǎo)致承臺水平位移監(jiān)測值與理論值存在較大誤差。因此，結(jié)合闕樓第一次預(yù)應(yīng)力張拉完成后的分析結(jié)果調(diào)整城樓有限元模型中基礎(chǔ)部分邊界條件。如圖6所示，在原模型的基礎(chǔ)上，考慮上部遺址原土堆載高度5 m，土的重度根據(jù)地勘土層信息報告取18 kN/m3，根據(jù)Rankine土壓力理論將遺址土等效為大面積均布荷載，承臺高度范圍內(nèi)回填土等效為三角形土壓力，并將土壓力加載到承臺側(cè)面。

3.2 實際施工階段調(diào)整

在預(yù)應(yīng)力張拉過程中，由于現(xiàn)場情況多變，工程設(shè)計和現(xiàn)場施工條件存在很大差異，為減少斷絲、滑絲等現(xiàn)象發(fā)生，結(jié)合闕樓初次張拉承臺位移離預(yù)期較小，同時為了減小施工步驟，縮短施工工期，施工中將城樓預(yù)應(yīng)力張拉方案調(diào)整為分兩次張拉。

圖7為城樓兩種張拉方案承臺CLWY08測點的位移對比。對于三階段張拉方案，第一次張拉完成后，承臺位于初始位置附近，隨著施工進(jìn)行，上部荷載逐漸增大，承臺產(chǎn)生正向位移，且位移逐漸增大；第二及第三次張拉完成后，承臺產(chǎn)生明顯的負(fù)向位移；使用階段承臺位移為-1.13 mm。當(dāng)采用兩階段張拉方案時，第一次張拉完成后，承臺位移為負(fù)，隨著施工的進(jìn)行，上部荷載逐漸增大，承臺位移向正方向移動，逐漸到達(dá)初始位置；第二次張拉完成后，承臺產(chǎn)生負(fù)方向位移；使用階段承臺位移為-1.02 mm。兩種張拉方案中承臺位移相差不大，且分兩次張拉更接近初始位置。

三次張拉；兩次張拉。圖7 承臺CLWY08測點位移對比Fig.7 Comparisons of the displacement at measurement point of cap CLWY08

在施工過程中，根據(jù)現(xiàn)場實際條件及上述分析結(jié)果，采用了兩次張拉方案并調(diào)整了部分施工階段，實際施工階段劃分如表3所示。

表3 實際施工階段劃分Table 3 Division of the actual construction phases

4 模擬值與實測值對比分析

由于篇幅限制，選取C10-1框架柱測點、DGL-3400(東)頂管梁測點、CLWY08承臺測點為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與模型理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

4.1 應(yīng)力分析

有限元模型使用階段的應(yīng)力如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)使用階段應(yīng)力 MPaFig.8 Contours of stress of the city gate tower in the service stage

圖9為框架C10-1斜柱的應(yīng)力變化曲線，斜柱各點應(yīng)力實測值與理論值變化趨勢基本一致。階段14第二次預(yù)應(yīng)力張拉階段，在預(yù)應(yīng)力及部分裝飾裝修荷載作用下，斜柱應(yīng)力發(fā)生明顯突變。階段15裝飾裝修完成，在彎矩和軸力共同作用下，斜柱應(yīng)力增大。施工完成后，實測應(yīng)力和理論應(yīng)力存在差異，理論應(yīng)力最大為-8 MPa，實測應(yīng)力為-9.3 MPa。

模擬值；實測值。圖9 C10-1框架南側(cè)斜柱應(yīng)力變化Fig.9 Variations of the stress of the inclined pillar in the south side of frame C10-1

由圖10可知，梁跨中應(yīng)力變化十分復(fù)雜，梁為受彎構(gòu)件，由軸力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力較小，彎矩引起應(yīng)力為主控因素。前三個施工階段，框架梁臨時支撐未卸載，上部荷載作用下梁跨中應(yīng)力為拉應(yīng)力，變化平緩。階段4臨時支撐卸載后，拉應(yīng)力突變?yōu)閴簯?yīng)力；隨著上部荷載的增加，梁跨中應(yīng)力逐漸增大。施工完成后，框架梁跨中壓應(yīng)力實測值達(dá)到最大值-37.6 MPa，對應(yīng)理論值為-27.4 MPa。

模擬值；實測值。圖10 C10-1框架梁跨中應(yīng)力變化Fig.10 Variations of stress at the midspan of frame beam C10-1

圖11為C10-1框架南側(cè)柱腳應(yīng)力變化情況，可知：柱腳各點實測值與理論值變化趨勢基本一致；斜柱作為壓彎構(gòu)件，前期施工中彎曲應(yīng)力起控制作用，柱腳外側(cè)受壓、內(nèi)側(cè)受拉；在階段13前，隨著施工進(jìn)行，上部荷載逐漸增大，軸向應(yīng)力逐漸起控制作用，柱腳轉(zhuǎn)變?yōu)槿孛媸軌?；階段14，由于預(yù)應(yīng)力張拉，柱腳外側(cè)應(yīng)力突然增大，柱腳內(nèi)側(cè)由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力；階段15柱腳各點應(yīng)力逐漸增大，由于裝飾裝修完成，框架軸力和彎矩增大，在軸力和彎矩的共同作用下，框架各點應(yīng)力變大；施工完成后，柱腳外側(cè)理論應(yīng)力最大為-72.1 MPa，實測應(yīng)力最大為-61.2 MPa，柱腳內(nèi)側(cè)理論應(yīng)力最大為21.4 MPa，實測應(yīng)力最大為18.8 MPa。

a—柱腳外側(cè)應(yīng)力；b—柱腳內(nèi)側(cè)應(yīng)力。模擬值；實測值。圖11 C10-1框架南側(cè)柱腳應(yīng)力變化Fig.11 Variations of stress at the column foot in the south side of frame C10-1

圖12為DGL-3400(東)頂管梁應(yīng)力變化情況，可知，理論值與實測值變化趨勢一致。第一次張拉前監(jiān)測頂管處于受拉狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力張拉后監(jiān)測頂管處于受壓狀態(tài)，之后隨著上部結(jié)構(gòu)施工，柱腳水平分力逐漸增大，頂管逐漸由受壓狀態(tài)向受拉狀態(tài)過渡；在第二次張拉完成后，頂管從受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，且頂管應(yīng)力達(dá)到最大值，實測最大值為-17.1 MPa，對應(yīng)模型理論值為-25.6 MPa。

模擬值；實測值。圖12 DGL-3400(東)頂管梁應(yīng)力變化Fig.12 Variations of the stress of pipe jacking DGL-3400

對施工中結(jié)構(gòu)底部的斜柱支承體系力學(xué)性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明各構(gòu)件關(guān)鍵截面應(yīng)力均在容許范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)受力較為合理且強度滿足要求。

4.2 位移分析

有限元模型結(jié)構(gòu)使用階段位移如圖13所示。

圖13 結(jié)構(gòu)使用階段位移 mmFig.13 Displacement of the city gate tower in the servic stage

根據(jù)圖14可知：結(jié)構(gòu)在重力作用下樁頂產(chǎn)生正向位移，預(yù)應(yīng)力張拉引起樁頂位移向預(yù)應(yīng)力施加方向變化；隨著上部結(jié)構(gòu)施工，荷載逐漸增大，樁頂又產(chǎn)生正向位移；第二次預(yù)應(yīng)力張拉后，樁頂位移達(dá)到最大值，為1.42 mm，小于設(shè)計控制值2 mm，結(jié)構(gòu)位移在可控范圍內(nèi)；在裝飾裝修及使用階段，樁頂位移產(chǎn)生正向相對移動但仍未回到原始位置。

圖14 承臺CLWY08測點處樁頂位移變化Fig.14 Variations of the displacement on the pile top at the measurement point of cap CLWY08

圖15為承臺CLWY08測點實測及理論位移值，可知：承臺位移變化趨勢與樁頂位移變化趨勢保持一致，且現(xiàn)場實測值與理論值變化趨勢較為接近，但實測值小于理論值，表明結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)實際剛度略大于有限元模型基礎(chǔ)剛度。實測位移最大值為0.9 mm，理論位移最大值為1.41 mm，小于設(shè)計控制值2 mm。

模擬值；實測值。圖15 承臺CLWY08測點位移變化Fig.15 Variations of the displacement at measurement points of cap CLWY08

通過上述對監(jiān)測結(jié)果的分析，再結(jié)合樁頂水平位移的理論分析結(jié)果，可以推斷在整個施工過程中樁頂水平位移也較小，樁身沒有發(fā)生剪切破壞的趨勢和跡象，因此整個施工過程中樁身處于安全狀態(tài)，說明兩階段張拉方案比較合理且能夠保證結(jié)構(gòu)施工過程的安全性。

通過以上對比可知，現(xiàn)場實測值與理論值存在差異，造成兩者差異原因主要有：建模時不可避免地存在模型的簡化，如柱腳、頂管梁、承臺三者連接的簡化，結(jié)構(gòu)各桿件之間的連接等；結(jié)構(gòu)理論模型與實際結(jié)構(gòu)施工環(huán)境存在差異，建模參數(shù)設(shè)置存在誤差，如施工工藝及順序、材料的不均勻性，荷載組合等；有限元理論本身存在誤差，與實際構(gòu)件相比存在離散化誤差。

5 結(jié)束語

1)施工過程中斜柱支承系統(tǒng)各構(gòu)件關(guān)鍵截面應(yīng)力均在容許范圍之內(nèi)，且實測值和理論值變化趨勢基本一致，結(jié)構(gòu)受力較為合理且強度滿足要求。

2)承臺位移變化趨勢與樁頂位移變化趨勢保持一致，且實測值與理論值變化趨勢較為接近。承臺位移實測最大值為0.9 mm，理論最大值為1.41 mm，小于設(shè)計控制值2 mm，樁身處于安全狀態(tài)，兩階段張拉方案比較合理且能夠保證結(jié)構(gòu)施工過程的安全性。

3)考慮遺址原土堆載的樁的簡化模型一定程度上能反映斜柱支承系統(tǒng)構(gòu)件內(nèi)力及樁頂位移變化規(guī)律，具有一定的實用性。