单层网壳钢结构体系荷载模拟验证与变形分析

2016-02-05付效铎

天津建设科技 2016年6期

□文/付效铎胡洋

□文/付效铎胡洋

单层钢网壳是一种应用较少的空间结构体系，造型复杂、曲面多变、跨度大是其显著特点，结构体系综合受力异常复杂。通过模拟网壳结构体系卸载加载过程，计算得出卸载前后的变形控制值并对已安装构件进行分级静力预加载试验，通过比对分析变形监测数据，进而确定网壳结构体系的安全性。

空间曲面；单层网壳；静力加载；变形；荷载

1 工程概况

某工程的中庭“马鞍形”钢结构屋盖位于东西两座塔楼之间，呈南北向布置，为单层网壳钢结构体系，建筑面积约1 500 m2，钢屋盖在建筑标高15.6～19.4 m之间，跨度约14.3～27.5 m，杆件总质量约170 t。其上为玻璃幕墙采光顶，杆件外包装饰铝板。单层钢网壳主要由弧形箱型环梁、门厅箱型钢梁及斜肋杆组成，杆件连接均采用焊接节点，网壳结构通过4个固定钢支座、18个单向滑动钢支座与东西塔楼结构连接固定，见图1和图2。

图1 单层网壳钢屋盖

图2 网壳结构单元

2 屋盖安装及卸载方案

屋盖结构安装时划分为3个流水段，采用搭设满堂脚手架支撑、操作平台，现场高空拼接肋杆的安装工艺。屋盖结构卸载时，遵循“均匀、对称、分级”的原则，分2次进行卸载，即网壳结构完成后拆除支撑架卸载1次，变形监测后再原位回顶，铝合金主框及幕墙玻璃安装完成后，再进行第2次卸载。卸载期间监测杆件的空间位移、支座滑动位移及焊缝的外观变化。

3 施工卸载模拟计算分析

根据设计图纸，利用MIDAS建立屋盖有限元模型。采用的钢材物理性能指标见表1。设计图纸中滑动、固定支座的节点详图是边界条件的确定依据。

表1 钢材物理性能指标

3.1 荷载取值

构件安装时采取保温措施，焊接时环境温度假定为7℃。因此，对屋盖网壳进行施工卸载模拟分析时考虑屋盖网壳自重荷载、采光顶玻璃幕墙荷载、全玻幕墙顶部反力、温度荷载分别进行分析，荷载均取标准值。

卸载分析考虑2种情况。

1）工况1。网壳自重（软件自动考虑）+方钢管交汇处附加自重（局部实心方钢管折算成集中荷载1 860 N施加）。

2）工况2。网壳自重（软件自动考虑）+方钢管交汇处附加自重（局部实心方钢管折算成集中荷载1 860 N施加）+采光顶玻璃幕墙自重（0.969 kPa）+全玻幕墙顶部竖向反力+全玻幕墙顶部水平反力。

3.2 屋面网壳位移与变形

提取结构模型在工况1情况下的各方向位移。X向最大位移为3.79 mm，位于屋盖南端，见图3；Y向最大位移为3.13 mm，同样位于屋盖南端，见图4；Z向最大位移为14.50 mm，位于屋盖南北两端，见图5。

图3 工况1X向变形

图4 工况1Y向变形

图5 工况1Z向变形

提取结构模型在工况2情况下的各方向位移。X向最大位移为9.78mm，位于屋盖南端，见图6；Y向最大位移为6.70 mm，同样位于屋盖南端，见图7；Z向最大位移为30.23 mm，位于屋盖南北两端，见图8。

图6 工况2X向变形

图7 工况2Y向变形

图8 工况2Z向变形

3.3 支座位移

提取结构模型在工况1和工况2情况下的Y向支座位移，见图9。

图9 支座Y向位移

从图10可以看出，工况1情况下，靠近东塔侧支座位移较大，这与支座类型固定支座、滑动支座的设置位置有关，Y向最大位移为1.13 mm，位于靠近东塔侧南端；工况2情况下，Y向最大位移为3.33 mm，同样位于靠近东塔侧南端。

3.4 温度变形

考虑温度效应，分别提取结构模型在工况1和工况2情况下的Y、Z方向位移，假定焊接完成时的初始温度为7℃，计算温度（卸载温度）分别取10、15、20、30℃4种情况，计算结果见表2。

表2 不同计算温度下的最大变形值 mm

3.5 理论变形值

屋盖在2种工况下理论变形值见表3。

表3 计算结果汇总

4 静力分级预加载试验

为避免屋盖结构自重及幕墙恒载作用下产生较大变形，主要构件在工厂制作及安装阶段预起拱18～38 mm，单层网壳结构第一次卸载完成后，经现场测量网壳结构Z向位移超过变形控制值约3～11 mm，为保证结构的安全使用及后期幕墙结构的正常安装，有必要对幕墙的实际着力点位进行现场预加载试验，以分析屋盖结构在玻璃幕墙荷载作用下的变形特性。

4.1 预加载方案

对屋盖南北两侧门厅400 mm×300 mm×30 mm箱形钢梁（用于吊挂竖向幕墙结构）采取静力分级预加载法试验，即通过悬挂水箱配重法对吊挂点进行逐级加载，主要原理是利用水体自重作为试验荷载，通过控制每个容器的水体流速及流量，实现同步加载、按需加载、同步卸载的目的。该加载方案对结构体系及构件没有动荷载干扰，可以模拟工程实际恒载叠加次序。静力分级预加载试验内容如下：监测在试验荷载下主梁的挠度值；监测在试验荷载下屋盖滑动支座处的水平位移值；在试验过程中，查看屋盖支座及混凝土牛腿、混凝土顶板的变形与开裂等情况。

4.2 实施方式

静力加载试验装置主要由钢吊笼、盛水容器、供水系统、悬吊钢索组成，见图10。

图10 静力分级加载试验装置

1）根据加载试验需求焊接制作钢吊笼，将盛水容器装入钢吊笼，将钢吊笼运至吊点正下方，注意进出水口朝向一致。

2）用倒链将钢吊笼悬挂，用电子吊秤精确量取每个钢吊笼及盛水容器的自重，分级加载荷载=装置自重+注水荷载，按照分级加载要求在盛水容器上标记注水刻度线。

3）安装承载钢丝绳，承载钢丝绳上部与构件悬挂点设置限位及钢护角，防止钢丝绳在加载试验过程中滑动及钢丝绳受损。钢吊笼应满足极限荷载作用下与楼地面距离≮200 mm。

4）安装供水系统管道及阀门，将所有容器连成整体。加载时打开总阀门及分水阀门，将水同时注入容器，注水过程中，安排专人观测水位，通过控制分水阀门保证同步加载，加载完成后，切断供水主管道，将供水主管道与排水系统连通，依次打开总阀门及分水阀门分级卸载。

4.3 试验步骤

为保证整个加载过程的平稳、安全，本次试验分6级加载、2级卸载，共8个步骤。当荷载＜80%试验荷载值时，每级荷载不宜大于该荷载值的20%；当荷载接近最大荷载检验值时，每级荷载不大于承载力检验荷载设计值的10%。每级加载完成后，持荷30 min。在每级持荷时间内，仔细观察主梁变形情况以及结构有无其他异常现象等；在持续时间结束时，观测并记录各项读数。根据上述原则，荷载分级和加载时间见表4。

表4 荷载加载分级和持荷时间

4.4 试验数据分析

经过现场加载试验的实时监测，考虑温度因素影响、各级荷载作用，北南侧门厅钢梁加载、卸载前后的挠度理论值与实测值变化曲线见图11和图12。

4.5 试验结论

1）试验加载过程有序、平稳、安全，加载过程中屋盖结构未见明显的局部变形、支座开裂、沉降等异常现象。

2）现场实测构件的最大竖向变形值：北侧主梁6.5mm，南侧主梁6.8 mm。最大挠度值未超过设计最大允许变形限值。

3）试验卸载后，未出现明显的残余变形，基本符合弹性变形规律。

4）屋盖滑动支座处的滑移量主要受温度变化的影响较大，受加载级别的影响较小。经现场监测，最南侧支座的最大滑移量为5.99 mm，此时该处构件的表面温度为41.8℃（初始表面温度为12.6℃）；最北侧支座的最大滑移量为3.32 mm，此时构件表面温度为32.1℃（初始表面温度为11.9℃）。

图11 北侧门厅钢梁荷载-挠度曲线

图12 南侧门厅钢梁荷载-挠度曲线

5 卸载前后结构体系变形分析

屋盖结构在主体安装完毕卸载后，结构在自重作用下产生了下挠变形（实际变形较设计模型计算值偏大）。根据现场监测、验算分析并结合过往工程经验判断，造成上述变形偏大的主要原因。

1）结构定位偏差的影响。结构安装过程中，整体定位（胎架）存在偏差，结构定位形态与设计模型不完全一致，部分支座可能存在悬空未压实状态，卸载时，结构在变形协调中产生局部刚体变位和变形，实际产生的变形与计算模型不同。

2）施工过程中焊接残余应力的影响。焊接变形和构件定位偏差在结构中已产生了初期的应力场和位移场，结构卸载前不是无应力状态，卸载过程的变形除结构自重引起外，还叠加了初期应力场的影响，因而实际的变形与计算模型之间存在偏差。

3）温度环境变化的影响。由于屋盖结构的卸载变形是卸载前、后两次测量结果的差值，而且钢结构变形受环境温度（整体与不均匀温度）影响较大，卸载前后两次测量时的温度环境是不一致的。

根据现场静载试验结果，在考虑恒载、活荷载或雪荷载、风荷载、地震作用等25种最不利荷载组合工况下的验算表明：在承载能力极限状态下，屋盖结构的最大应力比为0.72＜1.0，满足规范要求；在正常使用极限状态下，南北两侧吊挂竖向玻璃幕墙位置的门厅钢梁（截面规格□300 mm×400 mm×30 mm）最大变形理论计算值约为12 mm＜L/250（L梁的长度），满足规范要求。由此可以推断屋盖安装完成卸载后，最大变形值满足设计要求。