新疆大学图书馆大跨度钢梁施工监测与分析

吴雨航 赵锐，2* 翟冬亮 杨洲 胡俊捷 黄思雨

(1.新疆大学建筑工程学院;2.新疆建筑结构与抗震重点实验室 新疆乌鲁木齐 830017)

温度作用对钢结构的影响一直是学者们研究的热点，2012 年李惠与周峰[1]在对国家游泳中心钢结构进行施工卸载过程及运营期间长期健康监测时发现，随着季节的变化，结构运营期间温度是主要的控制荷载，由于结构上部有屋盖保护，使得屋盖内空腔与外界环境温差较大；2017 年陈德坤[2]对型钢构件日照非均匀温度场及其效应进行了研究，提出了由非均匀温度场引起的日照弯曲应力概念；2018 年仝晓莉和陈志华[3]结合于家堡火车站站房屋盖这一双螺旋空间单层网壳结构进行了施工过程中的数值模拟，分析安装温度对结构的影响规律，提出了在有限元软件中精确考虑构件安装温度的方法；李德和曹平周[4]对江苏大剧院音乐厅钢屋盖进行了温度效应分析，分析了不同环境温度下施工合拢温度的选取对结构最大应力及支座反力的影响；2021 年游颖和张泽涛[5]以武汉市国家网络安全与人才创新基地展示中心钢结构屋盖为对象，基于长期监测数据，分析了钢结构在露天施工条件下纵、横向的温度分布规律，并提出可采用分层温度计算法计算施工过程温度效应。2022年刘毛方和孟磊[6]以天长市全民健身中心体育场项目为研究背景，给出了减少结构裂缝的设计和施工措施。

从以上研究成果上来看，对于实际钢结构工程的温度监测数据还可以进一步进行定量分析。该文以新疆大学博达校区图书馆为背景工程，用有限元计算软件MIDAS/Civil 对结构中一大跨度钢梁进行温度效应分析，探究施工过程中温度作用对结构安全性的影响，分析大跨度钢梁对环境温度变化的敏感程度，并通过现场监测数据与数值仿真结果进行对比，验证研究方法可行性。其研究成果可为类似钢结构施工过程中的温度效应分析提供参考。

1 数值模拟

1.1 建立有限元模型

新疆大学博达校区图书馆为钢框架结构，由钢柱和钢梁组成，选取结构中最大一跨H型钢梁进行分析，钢梁基本参数为：H1800×550×32×44（mm），长度为30.6 m，Q355B 材质，两端固定约束，利用MIDAS/Civil建立钢梁的有限元模型，如图1所示，每个节点间距为0.6 m，共52个节点，51个单元。

图1 钢梁有限元模型

1.2 加载及应力分析

有限元分析中主要考虑施工恒载、施工活载与温度作用。施工恒载主要为结构自重以及为施工安全与施工方便设置的临时通道与各类附件；施工活载为施工工程中工人与施工机具重量；温度作用主要是按±30 ℃考虑。在分析中假定上部结构对下部结构无影响、结构柱不发生位移，仅温度均匀作用（不考虑日照与骤然温度变化）。通过调整分项系数与荷载组合值系数来模拟实际结构可能承受的荷载组合[7]。共讨论7 种荷载组合工况，采用MIDAS/Civil 对构件进行不同工况下的应力分析，荷载组合工况及分析得到的结构最大应力值如表1所示。

表1 各荷载组合工况及得到的结构最大应力值

从表1 中可以看出，构件在工况一至工况三无温度组合下应力值较小，其中恒载控制下应力值最大，变形控制下应力值最小；工况四至工况七有温度组合下的应力值明显大于无温度工况组合，说明温度变化对大跨度结构受力构件影响较大。另外，在工况四和工况六组合下，升温30 ℃时应力值明显增大，在工况五和工况七降温30 ℃时，应力值增大幅度较小，说明构件对升温情况要比降温情况更加敏感。

1.3 温度应力响应程度

为了定量分析温度作用对结构的影响程度，这里引入参数A作为表征结构在温度变化时的响应程度，A的物理意义为温度变化时温差引起的应力改变对于结构自重下的应力变化率，A被命名为温度应力响应程度。A的绝对值越大说明结构在温度变化时的响应越大。其中A的计算方法如式（1）所示。

式（1）中：Am,T为温差为T时构件最大温度应力相对于自重条件下应力的变化率；σm,T为温度为T时构件最大弯曲应力；σm,0为自重条件下构件最大弯曲应力。

根据建筑结构荷载规范可知：乌鲁木齐最低温为-23 ℃，最高温为+32℃，故给构件在-30 ℃～+30 ℃区间施加温度作用，经计算，得到温度线性系数为0.27 MPa/℃，即温度每升降1 ℃应力改变0.27 MPa。经式（1）计算，得到A值与温差之间的关系曲线，具体情况见表2。

表2 温度应力响应程度与温差的关系

从表2 可以看出，温度变化引起构件应力大幅增长，温度增高40 ℃时，温度应力响应程度达到了0.969，应力值增量比初值翻了近1倍。同样的30 ℃温差变化，+30 ℃温度应力响应程度为0.806，而-30 ℃温度应力响应程度为0.665，升温应力响应程度相比于降温应力响应程度大0.141，这说明升温作用对结构的影响比降温作用更加强烈。

2 温度应力现场监测及分析

2.1 监测方案

为验证数值分析结论，采用JM-212HAT 振弦式应变计对结构主梁进行温度及应力监测，采样周期为20 min。为避免日照对结构造成局部升温产生局部应力，选择在23∶00 到次日6∶00 进行温度数据采集。温度应力采样点布置在4 层（共5 层）跨中梁底，这样可以最大限度减小梁端柱的横向位移对监测结果的影响。测点具体见图2。

图2 振弦式应变计测点

2.2 应力-温度曲线

运用温度及应力监测数据进行线性拟合，得到钢梁测点的应力-温度曲线，具体见图3。从图中监测数据经过线性拟合后得到一次函数斜率的物理意义为单位温度变化时构件的表面应力变化量，该构件温度线性系数为0.29 MPa/℃，与1.3 节有限元分析得到的温度线性系数0.27 MPa/℃相比，误差为7.4%，在容许误差范围内。实测值比理论值略大，其主要原因为结构在白天受日照与昼夜温差作用后结构受非均匀温度场作用，在测试时还未完全恢复到均匀温度状态造成的。

图3 钢梁表面应力-温度关系曲线

2.3 相关性分析

为判断实测数据线性拟合结果的有效性，取315个温度与对应应力的数据作为拟合方程相关性分析的基础数据，对其进行回归分析，结果具体见表3。

表3 回归分析结果

从表3 中可知，应力与温度的相关系数为0.653，说明应力和温度具有一定相关性；标准误差为0.458，可能因为数据采集原因，拟合程度不算很高；显著统计量的P值为9.68E-40，小于0.05，通过F检验，整体回归有效。

以新疆大学博达校区图书馆第四层大跨度钢梁为研究对象，利用数值模拟与现场实测两种方法分析了施工期间结构的温度应力，得到以下结论。

（1）建立约束钢梁的有限元模型，通过对7种不同荷载工况下的结构进行温度应力分析得出：温度变化对结构应力影响较大，尤其是升温情况。（2）为进一步说明升温时结构应力的变化比降温时更敏感，通过引入温度应力响应程度这一参数，定量分析温度应力相对于自重应力的改变幅度。（3）通过对测得的温度应力监测数据进行线性拟合及相关性分析，得到温度线性系数为0.29 MPa/℃，与有限元分析得到的理论值相比，误差在允许范围内，验证了数值模拟的准确性。（4）实测值较理论值偏大，分析认为误差的产生为钢构件未完全恢复到均匀温度状态所致，结果偏大是由于白天的日照与昼夜温度作用会对结构产生非均匀应力分布，使得结构应力计算复杂所致。