基于静力荷载试验的大跨度钢连廊承载力评价研究

魏春明 WEI Chun-ming；吴凡宇 WU Fan-yu；张贺 ZHANG He；吴碧桥 WU Bi-qiao；芦开春 LU Kai-chun；李胜才 LI Sheng-cai；姜治军 JIANG Zhi-jun

（①江苏省华建建设股份有限公司，扬州 225000；②扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225000）

1 引论

建工科技园科技产业区项目位于扬州市广陵区文昌东路北侧，临湾路东侧，迎宾路南侧，总建筑面积约249168.99m2。如图1 所示，本工程主要包括A1#、A2#、A3#、A4#四栋主楼，一栋综合商业楼。其中A1#楼17 层，规划高度84m，A2#、A3#楼23 层，规划高度114m，A4#楼15 层，规划高度69.9m，综合商业楼5 层，规划高度24m。所涉及钢连廊如图2 位于A2 与A3 楼之间，跨度43.7m，连廊上弦砼结构标高99.3m（屋面层），下弦砼结构标高90.45m（22 层），其中22 层层高4.5m，23 层层高4.35m，连廊主梁轴线宽度8.400m，两侧各外挑1.25m，梁端与主楼型钢混凝土柱刚性连接。因钢连廊的安装高度高，结构杆件自重较大。若采用常规的分件高空散装，不但高空组装、焊接工作量巨大，而且存在较大质量、安全风险，施工的难度较大。故本工程参考已完成相似案例[1-2]，钢连廊部分施工思路为通过场外加工、地面拼装、高空整体拼装的过程实现一次安装成形。由于钢连廊的板件和螺栓会存在负公差[3]、工人在焊接钢结构构件时出现残余应力[4-5]以及高空整体安装存在安装误差等因素，导致钢连廊在施工完成后的承载力达不到设计承载力。为确保钢连廊的承载力能够满足其使用要求，需对已完成施工后的钢连廊进行承载力评估。此次对钢连廊承载力评估采用静载试验[6-7]。静载试验是利用物理力学方法来测定结构在静荷载作用下的反应，分析、判定结构的工作状态与受力情况，评定结构的可靠程度。由于静载试验加载速度小，结构变形缓慢，可以不考虑加速度引起的惯性力，使其成为工程结构试验中最基本和最广泛使用的手段。

图1 本项目总体规划图

图2 钢连廊现场图

2 试验设计与准备

2.1 试验方法与布置

依据现场的条件，因高层建筑的消防水易取且易排放，既保证了试验的可操作性、节约了成本，又保证了钢连廊可以均匀的受荷载，故采用水压静载试验的方式来进行加载。水荷载布置范围如图3 所示。

图3 水荷载范围及挡墙布置图

测试现场水管流量，根据水管位置，规划引水管布置路线，确定每级加载所需注水时间。同时，现场准备好若干宽度为0.5m 的长方形模板。将其竖起，以模板宽为高，按图3 所示挡墙位置，绕着顶板的水沟以及连廊与塔楼的交界处，竖起高0.5m 的四面环形模板挡墙如图4。将准备好的防水膜按图3 所示范围铺开，并沿着挡墙向外延伸，直到将接触水的一侧的模板墙全部包住，并用丁基胶带在模板墙外侧固定住防水膜，起到底板与模板挡墙同时防水的作用。至此，放水条件已形成如图5 所示。

图4 挡墙安装图

图5 水膜铺设完成图

2.2 加载制度

本次试验中，加载的总水均布压力目标为1.5kN/m2，总加载的水压力所对应的蓄水高度为0.15m。本次试验采用三级分级加载制度。具体的分级如表1 所示。各级荷载静置时间为70min，其中60min 为结构充分变形时间，后续的10min 为测量、读取顶板与底板的跨中处挠度数据时间。

表1 加载等级与蓄水高度对应表

2.3 测量方法

本次对钢连廊安全性的评估通过测量连廊顶板与底板的跨中处的挠度变化，来计算连廊整体的刚度。为了能够准确测量连廊顶板和底部跨中的挠度变化，在连廊顶部放置2 台水准仪，连廊顶部A2、A3 楼内柱上各贴一个标尺如图6，连廊顶部跨中放置一把塔尺如图7。底板处楼层（22F）处放置2 台激光水准仪，连廊底部（22F）A2、A3 楼内柱上各贴一个标尺，在连廊底部（22F）跨中位置放置一把塔尺。仪器具体放置位置如图8 所示。仪器放置完成后，根据制定的分级加载使用消防水进行加载如图9 所示，用三角尺固定在地面上进行水位测量如图10，并按照预定方案进行静置和测量挠度。

图6 楼内标尺图

图7 跨中塔尺图

图8 塔尺与水准仪、水平仪布置图

图9 放水加载图

图10 测量水位图

测量变量为连廊底板和顶板的跨中处挠度数据，挠度的变化是通过确定桁架上标定点与楼内标尺标定点高程差的变化，从而计算桁架挠度的变化。使用水准仪或激光水平仪读取跨中塔尺的数值，如图11 所示，为保证可能存在的单次读取误差，应对同一级加载的跨中挠度进行多次测量取平均值，因此每一级加载每个测点可取得多个挠度数据。

图11 读取跨中塔尺数值图

3 理论模型分析

3.1 分析模型

为了求得该结构的理论承载能力和变形，本节对该连廊结构进行了有限元数值分析[8-9]，模型如图12。因连廊两端设计为与楼内柱刚接，且楼内型钢混凝土柱刚度较大，故连廊主梁端部在模型中设置为固接支座约束。为了与现场试验的一致性[10]，模拟分析采用与静载试验相同的荷载与加载分级。水荷载的加载范围如图13。

图12 钢连廊模型图

图13 水荷载加载范围图

3.2 分析结果

使用模型按照与试验相同的各级加载方法进行加载变形如图14 所示。各级加载的相对挠度数据如表2 所示。其中相对挠度为各加载级较加载前测量点挠度的变化值。

表2 钢连廊各级加载相对挠度表

图14 各级加载后变形图

4 试验结果与分析

4.1 测量结果

经测量现场试验所得到的标高及根据标高计算出的跨中挠度如表3 所示。1～3 级顶板跨中相对挠度平均值分别为：1.05mm、2mm、2.95mm；底板跨中相对挠度平均值分别为：0.2mm、0.45mm、0.65mm。

表3 试验结果记录表

4.2 结果分析

依据《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068-2018[11]的8.2.4 条：对持久设计状况和短暂设计状况，应采用作用的基本组合。在可靠性检验时，有限元分析所得挠度在与试验测得的挠度进行对比时，应采用基本组合值计算。以有限元分析所得挠度作为标准值，则基本组合值=标准值*分项系数，根据GB50068-2018 的8.2.9 条分项系数应取1.5。所得基本组合值为理论挠度。有限元分析所得的数据及其对应的标准值如表5。A 测点试验所得挠度与理论挠度对比如图15、B 测点试验所得挠度与理论挠度对比如图15。试验测得的A 测点最大挠度为3.1mm，A 测点挠度理论值为4.28mm；试验测得的B 测点最大挠度为0.7mm，B 测点挠度理论值为0.94mm。依据《城市桥梁检测与评定技术规范》CJJ/T233-2015[12]对试验值和理论值进行对比，作为结构整体受力性能的评价依据，见公式（1）。

图15 A、B 测点测量挠度与理论挠度对比图

其中δ 为校验系数，Se为试验相对挠度，Ss为理论相对挠度。δ≤1，否则判定其承载能力不满足要求。A、B 测点的校验系数如表4 所示，其中δmax=0.73，δmax≤1，钢连廊承载能力满足要求。

表4 A、B 测点校验系数表

根据公式（2）对连廊顶板跨中和底板跨中的等效刚度K 分别进行计算：

表5 不同加载等级下的等效刚度值表

5 结论

通过理论分析与静压试验依据《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068-2018 和《城市桥梁检测与评定技术规范》CJJ/T233-2015 对扬州建工科技园A2～A3 双塔楼间高空钢连廊的承载能力进行评估。经试验得到钢连廊的最大校验系数为δmax=0.73≤1，连廊实测刚度为理想模型的96%，均满足设计和验收要求。