包頭體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)與評(píng)估

田志昌，馮繼帥，趙 升，孟慶炎，尹爍朝

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

包頭市奧林匹克體育場(chǎng)是一個(gè)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的標(biāo)志性建筑物，由于東、西鋼罩棚主拱弦桿表面出現(xiàn)了凹凸、不可恢復(fù)的變形，如圖1，圖2所示。為保證體育場(chǎng)的正常使用，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行病害分析是非常必要的。

為研究體育場(chǎng)支座與上部鋼結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生滑動(dòng)，對(duì)支座節(jié)點(diǎn)處上部鋼結(jié)構(gòu)和下部混凝土柱頭進(jìn)行幾何位移監(jiān)測(cè)，并記錄相應(yīng)的環(huán)境溫度。通過(guò)建立固定支座、滑動(dòng)支座和改進(jìn)支座三種不同類型的SAP2000支座模型，將監(jiān)測(cè)的位移和溫度帶入SAP2000中進(jìn)行模擬，計(jì)算桿件的受力情況，由此確定目前結(jié)構(gòu)的支座類型，判斷結(jié)構(gòu)的安全性。

1 監(jiān)測(cè)概況

1.1 監(jiān)測(cè)前提

通過(guò)采用力平衡加速度傳感器[1]對(duì)體育場(chǎng)進(jìn)行整體剛度研究，力平衡加速度傳感器安裝在鋼桁架受風(fēng)荷載、雪荷載和地震荷載響應(yīng)振型幅度比較大的位置，如圖3所示。監(jiān)測(cè)時(shí)間從2018年持續(xù)至2021年，覆蓋了春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)并且于白天和晚上各監(jiān)測(cè) 一次。

接下來(lái)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)功率譜曲線[2]進(jìn)行呈現(xiàn)，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自振頻率大體上沒(méi)有偏離其理論值，偶爾會(huì)出現(xiàn)低頻漂移現(xiàn)象，所以可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)主體仍然呈現(xiàn)彈性性能。在接下來(lái)的幾年內(nèi)雖然發(fā)現(xiàn)飄零現(xiàn)象逐年增加，如圖5所示，但是每批次監(jiān)測(cè)都能發(fā)現(xiàn)功率譜密度函數(shù)的峰值基本出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)理論頻率的附近，說(shuō)明結(jié)構(gòu)自身仍然保持了一定的穩(wěn)定。

2019年對(duì)東、西罩棚上44個(gè)不同關(guān)鍵點(diǎn)上的棱鏡進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)測(cè)，分析出溫度對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)[3-10]，得出東、西罩棚主拱上22個(gè)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)的位移與不同時(shí)間段的溫度呈現(xiàn)了相關(guān)性，然而鋼結(jié)構(gòu)下部支撐柱節(jié)點(diǎn)處的另外22個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移與溫度并沒(méi)有呈現(xiàn)很明顯的相關(guān)性，由此推斷出支撐柱松動(dòng)了，甚至產(chǎn)生了滑移現(xiàn)象。

1.2 監(jiān)測(cè)方案及原理

為了精確的解釋產(chǎn)生病害的原因，將監(jiān)測(cè)的工作重心放在鋼罩棚下面每一根支撐柱中間的節(jié)點(diǎn)處。

使用兩臺(tái)全站儀同時(shí)對(duì)支座節(jié)點(diǎn)處的上部鋼結(jié)構(gòu)和下部混凝土柱頭進(jìn)行24 h不間斷的幾何位移監(jiān)測(cè)，同時(shí)記錄環(huán)境溫度。

采用反光反射片進(jìn)行測(cè)量，如圖6所示。每當(dāng)觀察的結(jié)構(gòu)發(fā)生位移時(shí)，全站儀觀測(cè)鏡中的“十”字絲就會(huì)偏離原來(lái)在反射片中心的位置，通過(guò)記號(hào)筆標(biāo)記“十”字絲的位置來(lái)?yè)Q算結(jié)構(gòu)的水平、豎直和橫向的位移。

1.3 監(jiān)測(cè)位置

該體育廠東西罩棚各有14根柱子和2個(gè)固定拱腳，將每一根柱子上分別貼2個(gè)反射片，貼片位置為支撐柱節(jié)點(diǎn)上部鋼結(jié)構(gòu)表面處和支撐柱節(jié)點(diǎn)下部鋼筋混凝土柱的柱頭處(下文以“鋼片處”和“柱頭處”代替)，如圖7所示。

對(duì)24根柱子的其中6根，即東、西罩棚各三根進(jìn)行監(jiān)測(cè)，東罩棚3根柱子的編號(hào)分別記為DZ1，DZ5和DZ9，西罩棚3根柱子的編號(hào)分別是XZ1，XZ7和XZ11，監(jiān)測(cè)位置位于力平衡加速度傳感器下方的支撐柱，具體位置如圖8所示。

1.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果

記錄了2020年5月至10月東、西罩棚各三根支撐柱鋼片處和柱頭處的相關(guān)數(shù)據(jù)。將6根柱子的測(cè)量工作記做一個(gè)輪回，共監(jiān)測(cè)十個(gè)輪回，測(cè)量數(shù)據(jù)格式如圖9所示。

2 有限元分析

2.1 模型建立及參數(shù)選取

計(jì)算機(jī)模擬采用有限元分析設(shè)計(jì)軟件SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)處于不同溫度工況和位移工況下橫截面正應(yīng)力值進(jìn)行模擬分析，模型如圖10所示。軟件設(shè)置荷載工況和鋼材相關(guān)參數(shù)按照建筑設(shè)計(jì)圖紙文件和國(guó)家出臺(tái)的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)定[11-13]。

2.2 有限元模擬方案

體育場(chǎng)東、西罩棚一共有28根支撐柱和4個(gè)拱腳，4個(gè)拱 腳柱子內(nèi)部有大量的鋼筋網(wǎng)架盤踞形成，鋼筋密集。拱腳基礎(chǔ)截面面積大，鋼筋、模板施工需要進(jìn)行大量放樣，所以拱腳處并沒(méi)有位移量產(chǎn)生，設(shè)定拱腳處三個(gè)方向的位移量均為0 mm。根據(jù)已知6根柱子的位移和拱腳位移利用二次拋物線內(nèi)插法推算出其他22根柱子的位移量。將28根柱子三個(gè)方向的位移代入SAP2000中，對(duì)支座弦桿進(jìn)行應(yīng)力值分析，支座弦桿是鋼罩棚與混凝土支撐柱中間連接的部分，每一根支座上各有4根支座弦桿支撐著上部罩棚，如圖11所示。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)推測(cè)[14-16]體育場(chǎng)支座有可能發(fā)生了松動(dòng)現(xiàn)象，正確的支座模型應(yīng)該處于固定和滑動(dòng)中間，因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬需要在SAP2000中建立三種支座模型進(jìn)行計(jì)算分析，三種支座模型細(xì)部如圖12所示。

第一類支座類型為固定端，在自重荷載作用下，分析支座弦桿的正應(yīng)力值，溫度變化取值從19 ℃上升到35 ℃和從19 ℃降到-35 ℃，其中±35 ℃分別為包頭市最高、最低環(huán)境溫度，19 ℃為結(jié)構(gòu)合攏時(shí)的環(huán)境溫度。

第二類支座類型為滑動(dòng)端，將自重荷載和溫度荷載(升溫和降溫)作為設(shè)計(jì)值，分析結(jié)構(gòu)在同時(shí)受到溫度荷載和支座節(jié)點(diǎn)實(shí)際位移組合作用下支座弦桿的正應(yīng)力值。

改進(jìn)模型是根據(jù)后期柱子擴(kuò)口觀察改進(jìn)而形成的第三種支座模型，改進(jìn)模型是將支座節(jié)點(diǎn)處的扭矩、次軸和主軸的彎矩釋放，分析受到自重和溫度(升溫和降溫)組合時(shí)支座弦桿的正應(yīng)力值。

2.3 有限元模擬結(jié)果

2.3.1 固定端支座分析

1)東罩棚固定端支座分析。

當(dāng)支座類型為固定端時(shí)，模擬計(jì)算受自重荷載工況下支座弦桿的正應(yīng)力值，如圖13所示。根據(jù)圖13中虛線可知大部分的桿件都在安全范圍內(nèi)，部分桿件應(yīng)力值超出了強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，說(shuō)明在只承受自重荷載時(shí)，部分桿件承受不住上部鋼結(jié)構(gòu)作用發(fā)生了超過(guò)屈服強(qiáng)度值的異?，F(xiàn)象。當(dāng)自重荷載與升溫工況組合作用時(shí)，一些桿件應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，但是在自重荷載和降溫工況作用下，全部桿件應(yīng)力值都在強(qiáng)度設(shè)計(jì)值之內(nèi)，且呈現(xiàn)有所下降的趨勢(shì)。

2)西罩棚固定端支座分析。

西罩棚應(yīng)力值情況比東罩棚更加嚴(yán)重，主要原因是西罩棚的跨度比東罩棚的大。如圖14所示，在自重荷載作用下，部分支座弦桿就會(huì)發(fā)生破壞，當(dāng)溫度升高時(shí)，一些桿件(與上述破壞桿件為同一桿件)應(yīng)力值會(huì)突變飆升，并且會(huì)波及到周圍的支座弦桿發(fā)生破壞；當(dāng)溫度降低時(shí)，桿件應(yīng)力有所減緩，但是還是存在極限接近強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的桿件。

通過(guò)查詢不安全桿件編號(hào)所在位置，其中東罩棚四個(gè)支座弦桿位于罩棚最左端支座上的桿件，而西罩棚不安全桿件也同樣是罩棚的左右端。由此可以知道，罩棚兩端支座受到的力壓迫最嚴(yán)重，同時(shí)隨著溫度變化，兩端支座弦桿會(huì)先于其他位置的桿件發(fā)生破壞。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)損壞或裂縫，所以現(xiàn)階段支座類型并不是固定端支座。

2.3.2 滑動(dòng)端支座分析

1)東罩棚滑動(dòng)端支座分析。

當(dāng)支座類型為滑動(dòng)支座時(shí)，以自重荷載和溫度荷載(升溫和降溫)的組合作用作為設(shè)計(jì)值計(jì)算依據(jù)，桿件應(yīng)力值如圖15所示。在升溫和降溫工況下，所有支座弦桿的應(yīng)力值都在安全范圍內(nèi)，只有個(gè)別桿件比較接近屈服強(qiáng)度值。

為了使數(shù)據(jù)趨于正確理想狀態(tài)，采用平均值、方差計(jì)算和概率統(tǒng)計(jì)計(jì)算等方法對(duì)其位移差無(wú)規(guī)律作出了誤差處理，其中概率統(tǒng)計(jì)計(jì)算主要運(yùn)用了正態(tài)分布中的分布規(guī)律。當(dāng)施加上位移方差工況時(shí)，一個(gè)位移方差和兩個(gè)位移方差表現(xiàn)出的應(yīng)力值曲線均在概率范圍內(nèi)并且與只受自重和升溫(降溫)荷載曲線相吻合，只是數(shù)值大小上存在了差異，一個(gè)位移方差的數(shù)值曲線比兩個(gè)位移方差數(shù)值曲線偏大，其中出現(xiàn)臨界屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的桿件與固定支座拱兩端出現(xiàn)問(wèn)題的支座弦桿相同。

2)西罩棚滑動(dòng)端支座分析。

西罩棚和東罩棚桿件應(yīng)力值相似，如圖16所示。所有桿件應(yīng)力值都在屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值內(nèi)，但是在降溫工況中施加一個(gè)位移方差時(shí)，應(yīng)力曲線表現(xiàn)的與其他三個(gè)工況下有所不同，如圖16(b)所示，這就體現(xiàn)出概率統(tǒng)計(jì)計(jì)算的目的，一個(gè)位移方差概率大約為60%，而兩個(gè)位移方差可以達(dá)到90%以上，并且根據(jù)圖像可知兩個(gè)位移方差工況更符合。一個(gè)位移方差應(yīng)力曲線有可能是在特定的溫度和位移數(shù)值下桿件所表現(xiàn)出的異常狀態(tài)，在模擬中兩個(gè)位移方差要比一個(gè)位移方差偏大，表現(xiàn)出與自重荷載工況下相符合的曲線。

由于全部支座弦桿均在安全范圍內(nèi)，只有罩棚兩端的桿件應(yīng)力值接近設(shè)計(jì)值，說(shuō)明體育場(chǎng)支撐柱節(jié)點(diǎn)可能已經(jīng)開(kāi)始松動(dòng)逐漸滑動(dòng)化，也有可能支座出現(xiàn)了輕微的錯(cuò)動(dòng)，但并沒(méi)有在混凝土保溫層表面顯現(xiàn)出來(lái)。

2.3.3 改進(jìn)支座分析

改進(jìn)模型支座是依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)破口觀察現(xiàn)象提出來(lái)的新型支座模型，目前軟件模擬只有固結(jié)和鉸接兩種支座模型，所以進(jìn)行軟件設(shè)置具體操作是將模型支座節(jié)點(diǎn)處的扭矩、主軸彎矩和次軸彎矩釋放。應(yīng)力圖見(jiàn)圖17，圖18。

全部桿件應(yīng)力值都在安全范圍內(nèi)，在升溫或降溫工況作用下，并沒(méi)有出現(xiàn)桿件超出鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，并且在升溫工況下，桿件應(yīng)力值均比自重荷載作用下偏大，在降溫工況下，應(yīng)力值大部分都比自重荷載作用下偏小。

以結(jié)構(gòu)自重荷載工況，降溫工況和升溫工況下支座弦桿桿件橫截面應(yīng)力值作為主要力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析，為了更加直觀掌握不同位置支座弦桿的應(yīng)力值大小，將體育場(chǎng)整體結(jié)構(gòu)對(duì)照折線圖組合放在一塊，可以更最準(zhǔn)確的分析出哪個(gè)位置的支座處于危險(xiǎn)邊緣。如圖19，圖20所示，橫坐標(biāo)是以支座弦桿編號(hào)按照實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)從左到右進(jìn)行排列，其中每一個(gè)支座球節(jié)點(diǎn)上面連接著四根支座弦桿，以四個(gè)支座弦桿為一個(gè)單元體分析其規(guī)律。由應(yīng)力值分布圖可知：拱中間的支座弦桿在溫度升高時(shí)表現(xiàn)的十分敏感，比在自重荷載工況下大幅度升高，而在降溫工況下桿件并沒(méi)有表現(xiàn)出那么敏感，總體比自重荷載工況下應(yīng)力值有所下降，但是下降幅度比升溫工況下偏小。

桿件編號(hào)13～41之間，三種工況下的支座弦桿應(yīng)力值都顯示出齒輪規(guī)律性分布，主要原因是這幾個(gè)桿件受到上部鋼結(jié)構(gòu)弧形圈梁和下部混凝土圈梁相互推拉引起的，而桿件編號(hào)9和45兩個(gè)支座上部的支座弦桿沒(méi)有混凝土圈梁所支撐，三種工況下的應(yīng)力值均比其他位置偏大，與之不同的是在降溫工況下表現(xiàn)的十分敏感，應(yīng)力值比升溫工況下偏大。這兩個(gè)支座表現(xiàn)出反常現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)造分析得出型鋼混凝土柱的復(fù)核報(bào)告計(jì)算簡(jiǎn)圖與工程實(shí)際不符合，主要有以下幾點(diǎn)：復(fù)核模型支座為24個(gè)，而原設(shè)計(jì)計(jì)算模型支座為16個(gè)，復(fù)核計(jì)算罩棚支座框架截面為1 100 mm×1 300 mm，原設(shè)計(jì)東、西罩棚鋼結(jié)構(gòu)支座框架柱截面均為1 200 mm×1 500 mm，還有一部分原因是危險(xiǎn)支座是整體鋼結(jié)構(gòu)罩棚自重荷載的支撐點(diǎn)，加上溫度荷載和其他荷載相互作用，致使此處出現(xiàn)病害現(xiàn)象，而最靠近拱腳的支座處于正常狀態(tài)是因?yàn)楣澳_內(nèi)部有大量鋼筋盤踞而成，由此平衡上部傳下來(lái)的推拉力。

由東罩棚支座弦桿應(yīng)力值分布圖可知：東罩棚和西罩棚是一對(duì)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布規(guī)律與東罩棚基本一致，其主要不同的地方就是西罩棚的跨度要比東罩棚的跨度大將近20 m，桿件編號(hào)9和45處于安全的應(yīng)力值范圍內(nèi)，升溫工況下的應(yīng)力值均比自重荷載和降溫工況偏大，與東罩棚不一樣的地方是靠近拱腳處支座的應(yīng)力值要比其他地方大，其主要原因是跨度增加造成整體自重荷載的支撐點(diǎn)轉(zhuǎn)移到此處，但是支座靠著拱腳支撐，危險(xiǎn)程度就沒(méi)有那么嚴(yán)重。

通過(guò)上述模擬計(jì)算確定問(wèn)題支座的位置，到現(xiàn)場(chǎng)觀察這些支座是否出現(xiàn)嚴(yán)重的損壞現(xiàn)象，如圖21所示?，F(xiàn)場(chǎng)支座上部鋼結(jié)構(gòu)和下部混凝土柱表面沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，但是這個(gè)支座整體結(jié)構(gòu)為三角形，同時(shí)周圍也沒(méi)有混凝土圈梁相互支撐，在之后的健康監(jiān)測(cè)體系列入重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。

3 結(jié)論

1)改進(jìn)支座模擬計(jì)算出的應(yīng)力值都處于安全屈服強(qiáng)度值內(nèi)，相較于固定支座和滑動(dòng)支座更符合現(xiàn)階段建筑物的支座類型。

2)東罩棚支座危險(xiǎn)程度要比西罩棚的大，主要是東罩棚危險(xiǎn)支座承受不住整體結(jié)構(gòu)自重和溫度荷載組合作用，并且危險(xiǎn)支座的支撐柱形狀造型特殊造成此病害現(xiàn)象。

3)目前結(jié)構(gòu)雖然存在安全隱患，但是型鋼混凝土柱不需要立刻采取補(bǔ)救措施。