預(yù)應(yīng)力系梁基礎(chǔ)斜柱鋼結(jié)構(gòu)施工全過(guò)程受力分析

梁 巖， 趙正豪， 杜曉溪， 盧奧奇

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著建筑結(jié)構(gòu)趨向于多樣化、異型化、不規(guī)則化以及大空間對(duì)建筑構(gòu)造的要求，斜柱鋼結(jié)構(gòu)開始涌現(xiàn)。但斜柱鋼結(jié)構(gòu)主要以鋼斜柱與基礎(chǔ)承臺(tái)連接[1]，基礎(chǔ)承臺(tái)在斜柱結(jié)構(gòu)荷載傳遞中承受較大的水平荷載，施工過(guò)程若未控制斜柱結(jié)構(gòu)內(nèi)力及基礎(chǔ)位移，可能導(dǎo)致基礎(chǔ)變形甚至破壞，危害整體結(jié)構(gòu)安全。目前，對(duì)于斜柱鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的相關(guān)研究較少。楊偉等[2]對(duì)北京機(jī)場(chǎng)航站樓上部鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過(guò)程監(jiān)控，保證了施工的安全。劉學(xué)武[3]采用單元生死技術(shù)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的施工全過(guò)程中內(nèi)力和變形情況進(jìn)行跟蹤分析，并采用分階段綜合迭代法給出了構(gòu)件的加工和安裝預(yù)調(diào)值。Zhang等[4]和Tian等[5]進(jìn)行大跨鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)仿真，探究路徑效應(yīng)、溫度等因素對(duì)分析結(jié)果的影響。由此可見，關(guān)于大跨鋼結(jié)構(gòu)的模擬方法及施工監(jiān)測(cè)研究大多以上部結(jié)構(gòu)為對(duì)象[6-7]，對(duì)于斜柱鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)施工過(guò)程中內(nèi)力及位移監(jiān)測(cè)和控制的研究比較缺乏。

本文依托洛陽(yáng)應(yīng)天門大型遺址保護(hù)斜柱鋼結(jié)構(gòu)建筑，各承臺(tái)之間設(shè)置預(yù)應(yīng)力系梁且分階段張拉以平衡水平分力。隨著施工的推進(jìn)，斜柱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承受斜柱水平分力不斷增大，預(yù)應(yīng)力張拉后又承受反向荷載作用。為對(duì)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的內(nèi)力和基礎(chǔ)水平位移變化跟蹤分析，基于Midas Gen建立全施工階段有限元模型，研究系梁數(shù)量、剛度、預(yù)應(yīng)力對(duì)斜柱基礎(chǔ)位移及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響規(guī)律，為同類建筑的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 工程概況

洛陽(yáng)應(yīng)天門遺址保護(hù)建筑分為城樓、東西朵樓及闕樓等5個(gè)部分[8]，本文研究對(duì)象為東朵樓，其基礎(chǔ)由4個(gè)斜柱鋼對(duì)稱承臺(tái)及群樁組成。結(jié)構(gòu)主體采用鋼結(jié)構(gòu)，樓面采用現(xiàn)澆混凝土樓板。其立面結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)如圖1所示，整體傳力路徑清晰[9]，上部建筑層荷載沿立柱傳遞至中部城墻層，通過(guò)城墻層斜撐轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)將其傳遞至下部斜柱，然后通過(guò)斜柱鋼結(jié)構(gòu)落地將上部荷載傳遞給基礎(chǔ)承臺(tái)，最后由樁基承臺(tái)與群樁共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)荷載。支撐斜柱與地面呈近60°夾角，位移控制尤為重要。

圖1 東朵樓結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)Figure 1 Stress characteristics of Dongduo Building

2 分析與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)建筑樁基技術(shù)規(guī)范，該工程單樁水平位移可取2～5 mm[10]，而現(xiàn)場(chǎng)單樁水平靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)樁的水平臨界荷載為280 kN，臨界水平位移為2.0 mm。為控制樁頂位移，進(jìn)而保障結(jié)構(gòu)施工及運(yùn)營(yíng)安全，取施工階段位移限值為±2.0 mm；使用階段位移限值為±1.5 mm。

基礎(chǔ)承臺(tái)內(nèi)部鋼柱腳鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q390，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45。采用Midas Gen 2019建模，建模中主體鋼結(jié)構(gòu)選用梁?jiǎn)卧?，各層樓面、屋面及鋼挑檐采用板單元進(jìn)行模擬，承臺(tái)混凝土及地基土體選用實(shí)體單元。鋼結(jié)構(gòu)主體框架梁采用600 mm×1 000 mm×40 mm×40 mm焊接箱型截面，斜柱為800 mm×1 000 mm×60 mm×60 mm焊接箱型截面。上部鋼結(jié)構(gòu)、下部斜柱柱腳及基礎(chǔ)承臺(tái)間均采用共節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接；承臺(tái)、系梁及柱腳之間采用剛性連接。假設(shè)土體為理想彈性體，土體單元力學(xué)性能參數(shù)根據(jù)地勘報(bào)告(見表1)計(jì)算。土體計(jì)算寬度從承臺(tái)外邊緣向外擴(kuò)展1倍樁長(zhǎng)，約20 m[11-12]。土體頂面自由，側(cè)面施加法向固定約束，底面固結(jié)。

表1 項(xiàng)目場(chǎng)址的地質(zhì)信息Table 1 Geological information of the project

為了考慮系梁數(shù)量、剛度、預(yù)應(yīng)力因素對(duì)施工全過(guò)程的受力影響，基于上述建模方法建立4種有限元模型，分別為模型A0，不加基礎(chǔ)系梁；模型A1，添加預(yù)應(yīng)力；模型A2，調(diào)整系梁數(shù)量；模型A3，調(diào)整系梁剛度。為進(jìn)行參數(shù)分析，對(duì)模型A2、A3分別建立了若干子模型，具體見下文。部分方案的有限元模型如圖2所示。

圖2 東朵樓有限元模型Figure 2 Finite element model of Dongduo Building

2.2 施工階段劃分

由于基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值較大，基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力一次張拉至設(shè)計(jì)值會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)承受較大反方向荷載，無(wú)法保證樁基安全，故預(yù)應(yīng)力采用兩階段進(jìn)行張拉。

該遺址保護(hù)建筑在立面上大致分為4層，以承臺(tái)頂部為0 m標(biāo)高；0～8.72 m高度為下部遺址層，為主框架梁柱結(jié)構(gòu)；8.72～19.32 m高度為中部城墻層，為鋼框架結(jié)構(gòu)；19.32～23.27 m高度為桁架轉(zhuǎn)換層；23.27 m以上為上部城墻層。主要包含兩層鋼屋面，分別位于30.3 m及40.27 m處。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件東朵樓施工階段初步劃分為12個(gè)分析工況，如表2所示。

表2 東朵樓施工階段劃分Table 2 Construction phase of Dongduo Builing

2.3 測(cè)點(diǎn)布置方案

為保證結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的安全，本文重點(diǎn)對(duì)斜柱鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并輔以斜柱結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換桁架梁的應(yīng)力監(jiān)測(cè)。為方便對(duì)比，模型A0、A1、A2、A3選取相同位置布置應(yīng)力及位移測(cè)點(diǎn)。A0模型的斜柱、桁架梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置及A1模型的位移測(cè)點(diǎn)布置如圖3、圖4所示。

圖3 模型A0應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置Figure 3 stress measurement points of A0 model

圖4 模型A1位移測(cè)點(diǎn)布置Figure 4 Displacement measuring points of A1 model

3 影響因素分析

3.1 預(yù)應(yīng)力系梁因素對(duì)比分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)施工方案的可行性，方案A1采用預(yù)應(yīng)力基礎(chǔ)系梁，并通過(guò)方案A1下基礎(chǔ)水平位移與實(shí)測(cè)位移數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證有限元模型的正確性，進(jìn)而研究預(yù)應(yīng)力系梁基礎(chǔ)的受力位移變化規(guī)律。各預(yù)應(yīng)力系梁的張拉力根據(jù)斜柱結(jié)構(gòu)有限元模型的主斜柱底部水平分力確定，各系梁的鋼絞線規(guī)格及對(duì)應(yīng)的張拉控制力見表3。

表3 預(yù)應(yīng)力張拉控制力Table 3 Prestress tension control force

為方便表述，定義基礎(chǔ)位移向多承臺(tái)中心發(fā)展為負(fù)向，遠(yuǎn)離多承臺(tái)中心發(fā)展為正向;結(jié)構(gòu)應(yīng)力取壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正。圖5為各施工階段基礎(chǔ)位移的實(shí)測(cè)值與方案A0、A1的分析值,圖6為A0、A1兩方案的應(yīng)力分析結(jié)果。由圖5可知，方案A1下基礎(chǔ)水平位移變化趨勢(shì)同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況基本一致，隨著上部結(jié)構(gòu)施工，基礎(chǔ)在自重荷載等作用下發(fā)生正向位移，基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力張拉后，基礎(chǔ)產(chǎn)生反方向水平位移。第二次預(yù)應(yīng)力張拉完成后，基礎(chǔ)最大水平位移由正向1.21 mm變化為負(fù)向0.57 mm，相對(duì)于張拉前最大變化約140%。施工階段最大位移實(shí)測(cè)值與分析值分別為0.78、1.21 mm，使用階段則分別為0.45、0.47 mm，均位于限值以內(nèi)，基樁安全可控，預(yù)應(yīng)力系梁能有效控制基礎(chǔ)水平位移。

圖5 基礎(chǔ)位移對(duì)比Figure 5 Comparison of foundation displacement

由圖6可知，方案A1下兩次預(yù)應(yīng)力張拉完成后(工況3，工況10)，鋼結(jié)構(gòu)柱腳關(guān)鍵截面應(yīng)力發(fā)生反向變化，最大變化量約為10 MPa，相比張拉前最大降低約20%(ZY1測(cè)點(diǎn))。施工完成后，方案A1下各柱腳截面外側(cè)應(yīng)力均低于A0方案，且各施工階段的應(yīng)力始終處于安全范圍以內(nèi)。故預(yù)應(yīng)力系梁基礎(chǔ)能減小斜柱結(jié)構(gòu)柱腳截面的最大應(yīng)力，且施工過(guò)程中不會(huì)導(dǎo)致柱腳局部應(yīng)力激增，有利于保證結(jié)構(gòu)安全。

圖6 方案A0和A1柱腳應(yīng)力分析結(jié)果Figure 6 Stress analysis of the plan A0 and A1 column foot

3.2 基礎(chǔ)系梁數(shù)量影響分析

上節(jié)分析結(jié)果表明，在預(yù)應(yīng)力系梁約束下，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面應(yīng)力及基礎(chǔ)位移遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)限值，具有較大的富余度。由于現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力施工存在多次張拉及預(yù)應(yīng)力損失問(wèn)題，故本節(jié)考慮不同數(shù)量的基礎(chǔ)系梁代替預(yù)應(yīng)力以降低施工難度(方案A2)。分別建立系梁數(shù)量分別為1根、2根、3根的子模型，相應(yīng)的編號(hào)分別為A2-1、A2-2、A2-3。

選取不同位置的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全施工階段應(yīng)力及位移分析，結(jié)果如圖7、圖8所示。由圖7可知，同工況下方案A2各測(cè)點(diǎn)關(guān)鍵截面應(yīng)力與方案A0的差值最大約為5.0 MPa。A2各子方案梁柱結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面應(yīng)力變化在2 MPa內(nèi)，故系梁數(shù)量增加對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較小。

圖7 方案A0和A2應(yīng)力分析結(jié)果Figure 7 Stress analysis results of scheme A0 and A2

圖8 方案A0和A2位移分析結(jié)果Figure 8 Displacement analysis of scheme A0 and A2

由圖8可知，設(shè)置基礎(chǔ)系梁可使水平位移顯著減小。隨著系梁的數(shù)量增加，斜柱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)水平位移相對(duì)方案A0分別減小約26.3%、42.4%、53.5%，可見增加系梁數(shù)量可以有效地控制基礎(chǔ)水平位移，但控制效果會(huì)隨系梁數(shù)量增加而減弱。

3.3 基礎(chǔ)系梁截面剛度影響分析

桿件相對(duì)剛度會(huì)影響超靜定結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力，故方案A3分析了不同截面剛度下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移變化規(guī)律。截面剛度調(diào)整方法包括調(diào)整厚度(方案A3a)和直徑(方案A3b)，系梁截面構(gòu)造見圖9?？紤]前節(jié)結(jié)果，系梁數(shù)量每側(cè)2根。

圖9 預(yù)應(yīng)力系梁橫截面Figure 9 Cross section of prestressed tie beam

3.3.1 系梁截面厚度影響分析

方案A3a研究基礎(chǔ)系梁截面厚度變化對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移的影響。各子方案的截面厚度分別為12、14、16、18、20 mm，相應(yīng)的編號(hào)為A3a-1、A3a-2、A3a-3、A3a-4、A3a-5。圖10、圖11分別為柱腳、斜柱測(cè)點(diǎn)在各施工工況下的應(yīng)力及位移變化情況。

由圖10可知，系梁截面厚度變化對(duì)斜柱應(yīng)力影響很小，不同子方案下結(jié)構(gòu)應(yīng)力差值均在3.0 MPa內(nèi)。結(jié)合A2方案分析結(jié)果可知，設(shè)置系梁對(duì)上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響很小，不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力突變。

圖10 方案A0和A3a斜柱應(yīng)力分析結(jié)果Figure 10 Stress analysis results of scheme A0 and A3a

由圖11可知，各子方案位移最大絕對(duì)值分別為1.46、1.42、1.39、1.36、1.29 mm，采用基礎(chǔ)系梁能有效控制基礎(chǔ)水平位移，但截面厚度增加沒有進(jìn)一步減小基礎(chǔ)位移，因此該方案對(duì)基礎(chǔ)位移控制的優(yōu)化效果可忽略。

圖11 方案A0和A3a位移分析結(jié)果Figure 11 Displacement analysis of scheme A0 and A3a

3.3.2 系梁截面直徑影響分析

由前節(jié)分析結(jié)果可知設(shè)置系梁對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較小，因此方案A3b僅分析截面直徑對(duì)位移的影響。參考前節(jié)結(jié)果，系梁截面厚度取14.0 mm。截面直徑分別取0.2、0.4、0.6、0.8、1 m，對(duì)應(yīng)編號(hào)為A3b-1、A3b-2、A3b-3、A3b-4、A3b-5。

各子方案下樁頂位移變化如圖12所示?？梢钥闯?，采用基礎(chǔ)系梁能有效減小基礎(chǔ)位移，且增大系梁截面直徑能進(jìn)一步降低基礎(chǔ)位移。各子方案下位移相對(duì)方案A0分別減小約40.3%、52.2%、61.2%、68.4%、74.3%。

圖12 方案A0和A3b位移分析結(jié)果Figure 12 Displacement analysis of scheme A0 and A3b

4 結(jié)論

(1)由斜柱鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不同設(shè)計(jì)方案應(yīng)力分析結(jié)果可知，基礎(chǔ)系梁數(shù)量、剛度對(duì)上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較小，預(yù)應(yīng)力方案有利于減小斜柱鋼結(jié)構(gòu)中斜柱的最大應(yīng)力及樁頂水平位移，保證結(jié)構(gòu)安全。

(2)由斜柱鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不同設(shè)計(jì)方案位移分析結(jié)果可知，采用系梁可有效降低基礎(chǔ)位移；根據(jù)系梁數(shù)量不同，基礎(chǔ)位移與未設(shè)置系梁相比可降低26%～53%；系梁截面厚度變化對(duì)位移影響較小；采用預(yù)應(yīng)力系梁，各階段基礎(chǔ)位移普遍減小，預(yù)應(yīng)力張拉后位移方向發(fā)生改變，且變形向多承臺(tái)中心發(fā)展，更有利于位移控制及保障結(jié)構(gòu)安全。

(3)根據(jù)基礎(chǔ)位移控制設(shè)計(jì)指標(biāo)及不同設(shè)計(jì)方案分析可知，基礎(chǔ)系梁數(shù)量、截面直徑以及預(yù)應(yīng)力均可有效控制基礎(chǔ)位移，其中采用預(yù)應(yīng)力系梁設(shè)計(jì)方案時(shí)基礎(chǔ)位移控制效果更優(yōu)。