大跨钢屋盖卸载阶段支座焊缝处剪应力分析与监测

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 大跨钢屋盖卸载阶段支座焊缝处剪 应力分析与监测 【摘 要】大跨钢屋盖支座焊缝 处为屋盖与基础结构连接的关键部位， 而在以往卸载施工中对该部位的应力分 析及监测极少。因此本文以重庆鱼洞体 育馆为研究对象，首先基于 ABAQUS 工作平台建立了屋盖整体模型与支座局 部模型，并根据应力分布进行测点选取， 再采用有限元分析中选取的测点进行现 场实测，最后通过有限元分析与现场实 测的对比，对钢屋盖卸载阶段支座焊缝 处剪应力的变化规律进行了分析。结果 表明，采用整体模型分析结合局部模型 分析进行测点选取的方法，能监测结构 的最不利状况，不仅保证了卸载过程中 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 的结构安全，同时为其设计提供一定可 靠度保证，对类似工程的监测与分析有 一定的借鉴意义。 中国论文网 /8/view-12932557.htm 【关键词】钢屋盖；支座焊缝； 剪应力；卸载；有限元；监测 中图分类号： F426.92 文献标 识码： A 文章编号： 2095- 2457（2018）01-0163-002 【Abstract】The weld of long- span steel roof supports is a key part of roof and foundation structure connection. However， the stress analysis and monitoring of this site during the unloading construction are very few. Therefore， this paper takes Chongqing Yudong as a research object. Firstly， based on the ABAQUS working platform， a local model of the roof and a partial model of the support are established， and the measuring points -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 are selected according to the stress distribution. The measured points in the finite element analysis Finally， through the comparison between the finite element analysis and the field measurement， the change rule of the shear stress at the weld of steel roof unloading stage was analyzed. The results show that the whole model analysis combined with local model analysis can be used to monitor the most unfavorable condition of the structure， which not only ensures the structural safety during unloading but also provides a certain degree of reliability for its design. Monitoring and analysis have some reference. 【Key words】Steel roof； Bearing weld； Shear stress； Unloading； Finite element； Monitoring 0 引言 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 S 着我国经济实力的不断提高， 大跨度钢结构在我国得到了广泛的应用。 而这些复杂空间结构的施工往往是先设 置临时支撑进行现场拼装，待安装完成 后再拆除1，但相关研究表明，在拆除 临时支撑的过程中，会引起结构的内力 重分布以及产生较大的结构变形，从而 威胁到结构的安全2。因此如何保证拆 除临时支撑过程中结构的安全，是亟待 解决的问题。 目前，除在卸载阶段对结构进行 受力分析外，引入最先进的监测手段对 卸载过程中结构的受力、变形进行监测 已成为必然趋势。因此近年来吸引了众 多国内外学者进行了大量相关研究，例 如曾志斌采用无线应力监测设备，针对 国家体育馆中关键构件的应力变化历程 进行为期 10 天的跟踪监测，得到了钢 结构在体系转换过程中整体的受力变化， 对卸载完成后结构的安全运营提供了技 术支撑3。李惠采用光纤光栅传感器， 对哈尔滨大剧院钢结构屋盖进行了施工 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 监测，并通过对比有限元模型与实测结 果，全面把握了卸载过程中结构的受力 状态以及关键杆件的应力变化4。张煊 铭以大跨钢结构施工力学性能分析与健 康监测为关键技术，借助有限元分析软 件进行分析对比验证了有限元模拟分析 的正确性与准确性，保障了施工质量和 安全5。林俊按照体育馆钢屋盖的卸载 步骤，在卸载过程中对斜腹杆及个别的 下弦杆等应力敏感点进行监测，并详细 地分析卸载过程中每一步钢桁架的应力 情况，保证了卸载过程中的施工安全6。 但以往对钢结构的监测大多集中 在结构杆件上，较少关注支座处的受力 情况，而卸载过程中结构的自重变化会 引起下挠变形，从而导致支座处产生较 大的水平推力7，当水平推力过大时， 会引起支座的损坏，最终影响到上部结 构的内力、变形，因此在卸载过程中对 支座进行受力监测具有较大的工程意义。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 为解决卸载过程中引起的支座安 全问题，本文以重庆市鱼洞体育馆钢屋 盖的支座为研究对象，通过采用有限元 分析指导临时支架卸载过程中支座的受 力监测，分析了卸载施工过程中支座受 力的变化规律，保证了卸载过程中结构 的安全，为今后类似的施工监测提供了 数据和技术支撑。 1 项目简介 1.1 工程概况及支座构造 重庆华熙 LIVE 鱼洞体育馆项 目（以下简称体育馆）位于重庆市巴南 区鱼洞街道，总建筑面积 27.9 万 m2， 如图 1（a）所示。整体屋盖为圆角矩形 （接近椭圆形） ，短边跨度为 109.2m， 长边跨度为 126m，采用双向交叉平面 钢桁架结构，四角部位为肋环形布置。 桁架结构高度（上、下弦杆轴距）为 5.778.717m，上弦杆均采用方钢管， 其他杆件采用 H 型钢，节点间的连接为 相贯焊接节点，如图 1（b）所示。 钢屋盖整体支承于下部型钢混凝土柱顶， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 柱底均采用固定球型铰支座，共 36 个 支座，支座构造详图如图 2 所示，其中 支座主体下部钢板尺寸为 550mm550mm40mm，基础预埋板的 尺寸为 610mm610mm40mm，焊缝的 尺寸为 40mm30mm610mm，钢材均 采用 Q345。 1.2 卸载工况 临时支撑的卸载分 4 次完成，均 以位移控制为主，力控制为辅。其中前 三次卸载中每次控制钢屋盖下降 40mm，最后一次下降 5mm，共下降 125mm。具体卸载工况如表 1 所示。 2 有限元模拟计算 2.1 体育馆整体模型受力分析与 测点布设 根据体育馆设计图纸和卸载施工 组织方案，采用 Midas 软件建立体育馆 的整体有限元模型，并采用实际卸载工 况进行计算。为实现传感器的最优布置， 根据支座反力最大原则_定传感器的 数量和布设位置，并结合结构自身受力 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 特点，最终选取图 3 中红框处标记的支 座作为长边和短边方向的监测位置。 2.2 剪应力换算 由于支座最大剪应力无法直接通 过测试得到，因此需测试三轴 45角的 应变值，再按下式进行计算： 式中，0为沿焊缝长边方向应 变；90 为沿焊缝短边方向的应变； 45为长边与短边两个方向角平分线上 的应变，max 和 min 分别为最大主应 力和最小主应力；max 为最大剪应力。 2.3 支座局部模型受力分析 基于 ABAQUS 工作平台建立支 座的局部有限元模型，由于支座主体构 造复杂，因此在建模时不考虑支座主体 以上部分。弹性模量取为 206GPa，泊 松比取为 0.3，采用实体单元模拟，如 图 4 所示。为模拟支座处各部件之间的 真实连接，焊缝与支座主体底板以及焊 缝底边与预埋钢板外侧的接触面均设为 绑接，预埋钢板底部以及四周均设置为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 固结。 将 Midas 整体模型计算中获取的 支座部位的荷载数据分解为压应力与剪 应力两部分，并均匀施加在支座主体的 圆形顶板上，从而实现支座受力分析。 考虑到篇幅有限，文中仅给出支 座 1 在工况 4 下的 Tresca 应力云图，如 图 5 所示，并提取焊缝监测点（即图 5 中红点所示，为便于表示，文后有限元 测点均定义为 TZ1、TZ2、TZ3 、TZ4， 实际测点均定义为 Z1、Z2、Z3、Z4） 。 从图 5 可以看出，支座的长、短 边处，剪应力分布均呈中间大、两边小 的现象，这是由于施加外力的位置离焊 缝中部较近，越靠近支座边两端，焊缝 剪应力越小。因此，监测焊缝剪应力的 最佳位置为焊缝中部，但考虑到焊缝中 部位置被遮挡，无法安装应变传感器， 故应将传感器安装在尽可能靠近中部的 位置。 为保证数据的真实性，有限元模 拟与现场实测均以钢屋盖开始卸载前的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 稳定状态为基准，并取其位移增量作为 外加荷载进行计算。最终各工况下测点 的剪应力计算值如表 2 所示。 从表 2 可以看出，随着卸载量的 增加，支座焊缝处剪应力均呈线性增长， 且由于钢屋盖主要为长边支承，因此支 座 2 焊缝处剪应力均大于支座 1 焊缝处 剪应力。 3 监测方案 3.1 监测参量 根据 2.1 节中整体模型与 2.3 节 中支座模型的计算结果，并结合实际情 况的可操作性，最终选取如图 6 中所示 的测点、位置进行布设应变花传感器， 同时测量 3 个方向的应变值。 其中 Z1、Z2 为支座 1 上的测点， Z3、Z4 为支座 2 上的测点。 各次卸载工况中，通过应变采集 仪 12 个通道进行支座焊缝处剪应力卸 载的实时监测，且在每个卸载工况结束 后待监测数据稳定再进行下一阶段卸载。 支座大样图以及应变片布设如图 7 所示。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 3.2 卸载阶段支座焊缝处剪应力 监测 将实测数据按式（1） 、 （2） 、 （3）计算后，Z1、Z2、Z3、Z4 测点处 最大剪应力值如表 3 所示。 从表 3 可以看出，前三次卸载中 四个测点的最大剪应力值均呈线性增加。 而第四次卸载完成后基本不再增加，逐 渐趋于平稳，表明此时支座受力已达到 稳定状态。 3.3 对比分析 为进一步分析支座剪应力变化， 将支座 1 与支座 2 中四个测点的实测数 据与有限元模拟数据进行对比，如图 8 所示。 由图 8 可以看出，随着卸载量的 增加，支座焊缝处剪应力不断增，但不 同位置支座焊缝的剪应力增加幅度又有 所不同，由此显示出结构在卸载过程中 支座处不断发生内力重分布，结构自身 的重量逐渐由其自身的支座体系来承担。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 焊缝处剪应力模拟值呈线性增加，而实 际监测数据前期基本呈线性增加，后期 增加较为平缓，基本趋于稳定。相比于 实测值，剪应力模拟值偏大，但变化趋 势基本一致。这也表明了模拟分析相对 保守，对实际工程中焊缝的设计与施工 留出一定的安全可靠度是有工程意义的。 而且从两个支座上剪应力对比分 析的结果可以看出，卸载过程中，不同 位置支座的剪应力有所差别，有限元模 拟分析与实测结果都表明支座 2 焊缝处 剪应力比支座 1 焊缝处剪应力值大，而 且总体增幅略高，这是由于屋盖结构主 要是长边方向受力的原因，随着卸载的 逐步进行，屋盖荷载主要落在