范志遠(yuǎn)

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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。