大跨鋼屋蓋卸載階段支座焊縫處剪應力分析與監(jiān)測

張曄 鄧星河 李鵬 李鴻 張維慶

【摘 要】大跨鋼屋蓋支座焊縫處為屋蓋與基礎結構連接的關鍵部位，而在以往卸載施工中對該部位的應力分析及監(jiān)測極少。因此本文以重慶魚洞體育館為研究對象，首先基于ABAQUS工作平臺建立了屋蓋整體模型與支座局部模型，并根據(jù)應力分布進行測點選取，再采用有限元分析中選取的測點進行現(xiàn)場實測，最后通過有限元分析與現(xiàn)場實測的對比，對鋼屋蓋卸載階段支座焊縫處剪應力的變化規(guī)律進行了分析。結果表明，采用整體模型分析結合局部模型分析進行測點選取的方法，能監(jiān)測結構的最不利狀況，不僅保證了卸載過程中的結構安全，同時為其設計提供一定可靠度保證，對類似工程的監(jiān)測與分析有一定的借鑒意義。

【關鍵詞】鋼屋蓋；支座焊縫；剪應力；卸載；有限元；監(jiān)測

中圖分類號： F426.92 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）01-0163-002

【Abstract】The weld of long-span steel roof supports is a key part of roof and foundation structure connection. However， the stress analysis and monitoring of this site during the unloading construction are very few. Therefore， this paper takes Chongqing Yudong as a research object. Firstly， based on the ABAQUS working platform， a local model of the roof and a partial model of the support are established， and the measuring points are selected according to the stress distribution. The measured points in the finite element analysis Finally， through the comparison between the finite element analysis and the field measurement， the change rule of the shear stress at the weld of steel roof unloading stage was analyzed. The results show that the whole model analysis combined with local model analysis can be used to monitor the most unfavorable condition of the structure， which not only ensures the structural safety during unloading but also provides a certain degree of reliability for its design. Monitoring and analysis have some reference.

【Key words】Steel roof； Bearing weld； Shear stress； Unloading； Finite element； Monitoring

0 引言

隨著我國經(jīng)濟實力的不斷提高，大跨度鋼結構在我國得到了廣泛的應用。而這些復雜空間結構的施工往往是先設置臨時支撐進行現(xiàn)場拼裝，待安裝完成后再拆除[1]，但相關研究表明，在拆除臨時支撐的過程中，會引起結構的內力重分布以及產(chǎn)生較大的結構變形，從而威脅到結構的安全[2]。因此如何保證拆除臨時支撐過程中結構的安全，是亟待解決的問題。

目前，除在卸載階段對結構進行受力分析外，引入最先進的監(jiān)測手段對卸載過程中結構的受力、變形進行監(jiān)測已成為必然趨勢。因此近年來吸引了眾多國內外學者進行了大量相關研究，例如曾志斌采用無線應力監(jiān)測設備，針對國家體育館中關鍵構件的應力變化歷程進行為期10天的跟蹤監(jiān)測，得到了鋼結構在體系轉換過程中整體的受力變化，對卸載完成后結構的安全運營提供了技術支撐[3]。李惠采用光纖光柵傳感器，對哈爾濱大劇院鋼結構屋蓋進行了施工監(jiān)測，并通過對比有限元模型與實測結果，全面把握了卸載過程中結構的受力狀態(tài)以及關鍵桿件的應力變化[4]。張煊銘以大跨鋼結構施工力學性能分析與健康監(jiān)測為關鍵技術，借助有限元分析軟件進行分析對比驗證了有限元模擬分析的正確性與準確性，保障了施工質量和安全[5]。林俊按照體育館鋼屋蓋的卸載步驟，在卸載過程中對斜腹桿及個別的下弦桿等應力敏感點進行監(jiān)測，并詳細地分析卸載過程中每一步鋼桁架的應力情況，保證了卸載過程中的施工安全[6]。

但以往對鋼結構的監(jiān)測大多集中在結構桿件上，較少關注支座處的受力情況，而卸載過程中結構的自重變化會引起下?lián)献冃?，從而導致支座處產(chǎn)生較大的水平推力[7]，當水平推力過大時，會引起支座的損壞，最終影響到上部結構的內力、變形，因此在卸載過程中對支座進行受力監(jiān)測具有較大的工程意義。

為解決卸載過程中引起的支座安全問題，本文以重慶市魚洞體育館鋼屋蓋的支座為研究對象，通過采用有限元分析指導臨時支架卸載過程中支座的受力監(jiān)測，分析了卸載施工過程中支座受力的變化規(guī)律，保證了卸載過程中結構的安全，為今后類似的施工監(jiān)測提供了數(shù)據(jù)和技術支撐。

1 項目簡介

1.1 工程概況及支座構造

重慶華熙LIVE·魚洞體育館項目（以下簡稱體育館）位于重慶市巴南區(qū)魚洞街道，總建筑面積27.9萬m2，如圖1（a）所示。整體屋蓋為圓角矩形（接近橢圓形），短邊跨度為109.2m，長邊跨度為126m，采用雙向交叉平面鋼桁架結構，四角部位為肋環(huán)形布置。桁架結構高度（上、下弦桿軸距）為5.77～8.717m，上弦桿均采用方鋼管，其他桿件采用H型鋼，節(jié)點間的連接為相貫焊接節(jié)點，如圖1（b）所示。

鋼屋蓋整體支承于下部型鋼混凝土柱頂，柱底均采用固定球型鉸支座，共36個支座，支座構造詳圖如圖2所示，其中支座主體下部鋼板尺寸為550mm×550mm×40mm，基礎預埋板的尺寸為610mm×610mm×40mm，焊縫的尺寸為40mm×30mm×610mm，鋼材均采用Q345。

1.2 卸載工況

臨時支撐的卸載分4次完成，均以位移控制為主，力控制為輔。其中前三次卸載中每次控制鋼屋蓋下降40mm，最后一次下降5mm，共下降125mm。具體卸載工況如表1所示。

2 有限元模擬計算

2.1 體育館整體模型受力分析與測點布設

根據(jù)體育館設計圖紙和卸載施工組織方案，采用Midas 軟件建立體育館的整體有限元模型，并采用實際卸載工況進行計算。為實現(xiàn)傳感器的最優(yōu)布置，根據(jù)支座反力最大原則確定傳感器的數(shù)量和布設位置，并結合結構自身受力特點，最終選取圖3中紅框處標記的支座作為長邊和短邊方向的監(jiān)測位置。

2.2 剪應力換算

由于支座最大剪應力無法直接通過測試得到，因此需測試三軸45°角的應變值，再按下式進行計算：

式中，ε0°為沿焊縫長邊方向應變；ε90°為沿焊縫短邊方向的應變；ε45°為長邊與短邊兩個方向角平分線上的應變，σmax和σmin分別為最大主應力和最小主應力；τmax為最大剪應力。

2.3 支座局部模型受力分析

基于ABAQUS工作平臺建立支座的局部有限元模型，由于支座主體構造復雜，因此在建模時不考慮支座主體以上部分。彈性模量取為206GPa，泊松比取為0.3，采用實體單元模擬，如圖4所示。為模擬支座處各部件之間的真實連接，焊縫與支座主體底板以及焊縫底邊與預埋鋼板外側的接觸面均設為綁接，預埋鋼板底部以及四周均設置為固結。

將Midas整體模型計算中獲取的支座部位的荷載數(shù)據(jù)分解為壓應力與剪應力兩部分，并均勻施加在支座主體的圓形頂板上，從而實現(xiàn)支座受力分析。

考慮到篇幅有限，文中僅給出支座1在工況4下的Tresca應力云圖，如圖5所示，并提取焊縫監(jiān)測點（即圖5中紅點所示，為便于表示，文后有限元測點均定義為TZ1、TZ2、TZ3、TZ4，實際測點均定義為Z1、Z2、Z3、Z4）。

從圖5可以看出，支座的長、短邊處，剪應力分布均呈中間大、兩邊小的現(xiàn)象，這是由于施加外力的位置離焊縫中部較近，越靠近支座邊兩端，焊縫剪應力越小。因此，監(jiān)測焊縫剪應力的最佳位置為焊縫中部，但考慮到焊縫中部位置被遮擋，無法安裝應變傳感器，故應將傳感器安裝在盡可能靠近中部的位置。

為保證數(shù)據(jù)的真實性，有限元模擬與現(xiàn)場實測均以鋼屋蓋開始卸載前的穩(wěn)定狀態(tài)為基準，并取其位移增量作為外加荷載進行計算。最終各工況下測點的剪應力計算值如表2所示。

從表2可以看出，隨著卸載量的增加，支座焊縫處剪應力均呈線性增長，且由于鋼屋蓋主要為長邊支承，因此支座2焊縫處剪應力均大于支座1焊縫處剪應力。

3 監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測參量

根據(jù)2.1節(jié)中整體模型與2.3節(jié)中支座模型的計算結果，并結合實際情況的可操作性，最終選取如圖6中所示的測點、位置進行布設應變花傳感器，同時測量3個方向的應變值。

其中Z1、Z2為支座1上的測點，Z3、Z4為支座2上的測點。

各次卸載工況中，通過應變采集儀12個通道進行支座焊縫處剪應力卸載的實時監(jiān)測，且在每個卸載工況結束后待監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定再進行下一階段卸載。支座大樣圖以及應變片布設如圖7所示。

3.2 卸載階段支座焊縫處剪應力監(jiān)測

將實測數(shù)據(jù)按式（1）、（2）、（3）計算后，Z1、Z2、Z3、Z4測點處最大剪應力值如表3所示。

從表3可以看出，前三次卸載中四個測點的最大剪應力值均呈線性增加。而第四次卸載完成后基本不再增加，逐漸趨于平穩(wěn)，表明此時支座受力已達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 對比分析

為進一步分析支座剪應力變化，將支座1與支座2中四個測點的實測數(shù)據(jù)與有限元模擬數(shù)據(jù)進行對比，如圖8所示。

由圖8可以看出，隨著卸載量的增加，支座焊縫處剪應力不斷增，但不同位置支座焊縫的剪應力增加幅度又有所不同，由此顯示出結構在卸載過程中支座處不斷發(fā)生內力重分布，結構自身的重量逐漸由其自身的支座體系來承擔。焊縫處剪應力模擬值呈線性增加，而實際監(jiān)測數(shù)據(jù)前期基本呈線性增加，后期增加較為平緩，基本趨于穩(wěn)定。相比于實測值，剪應力模擬值偏大，但變化趨勢基本一致。這也表明了模擬分析相對保守，對實際工程中焊縫的設計與施工留出一定的安全可靠度是有工程意義的。

而且從兩個支座上剪應力對比分析的結果可以看出，卸載過程中，不同位置支座的剪應力有所差別，有限元模擬分析與實測結果都表明支座2焊縫處剪應力比支座1焊縫處剪應力值大，而且總體增幅略高，這是由于屋蓋結構主要是長邊方向受力的原因，隨著卸載的逐步進行，屋蓋荷載主要落在長邊上的支座，而短邊上支座承擔的較少。

4 結論

鋼屋蓋卸載施工時支座焊縫處的有限元分析與現(xiàn)場實測結果表明：本文通過采用有限元模擬焊縫處剪應力的分布情況，并選取支座模型中應力最大處作為現(xiàn)場測點的方法，能反應結構的最不利狀況，保證了卸載過程中結構的安全。雖然由于材料缺陷、支座主體底部與基礎預埋板之間的摩擦等因素的存在，剪應力模擬值與實測值存在一定偏差，但總體變化趨勢基本一致，偏差始終在可控范圍內。為今后類似的鋼屋蓋卸載項目支座焊縫的安全性研究提供參考。

【參考文獻】

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