基于仿真計算的變形及應力監測

蔣 小 青

(廣東廣基工程有限公司，廣東 廉江 524400)

基于仿真計算的變形及應力監測

蔣 小 青

(廣東廣基工程有限公司，廣東 廉江 524400)

通過有限元程序Midas/Gen 6.9.1仿真計算施工方案及程序組織施工，并將仿真結果與現場實際變形及應力、裂縫監測進行對比，利用監測結果指導現場施工，確保了結構的順利合龍。

仿真計算，變形，應力，裂縫監測，合龍

1 工程簡介

1.1 工程概況

廣東某大型圖書館為型鋼混凝土框架連體結構，屬于特別復雜的高層建筑。總建筑面積98 977 m2，建筑高度為50.0 m，地上10層(局部8層、9層)，設有地下室2層(其中地下1層設1層夾層)。該建筑主要特點為結構整體傾斜，整體造型獨特，地上部分分為南、北區，各區平面呈半月形。南區墻柱向北傾斜，北區北面墻柱向北傾斜，北區南邊墻柱向南傾斜，局部和南區在頂層合龍。其中南塔框架呈7°～18°傾斜，北塔呈9°～11°傾斜。南北樓在(8層，9層，10層局部)位置設置連接鋼梁，其規格為□700×500×30×30和H950×500×40×40兩種。連接鋼梁通過36個萬向鉸與南北樓對稱的型鋼柱連接，將南北樓連接成一個共同作用的結構體系。

為了確保結構變形穩定，根據設計單位及仿真分析單位對該建筑進行了施工過程仿真分析計算結果，確定每層施工工期為20 d。

1.2 變形及預變形計算的目的與內容

該建筑施工方案采用通過設計加固措施，主體結構采用控制施工周期不加支撐、按照傾斜分層向上的施工方案。實際施工過程中，影響施工的不確定因素很多，如材料性能、施工荷載、施工條件與工藝、溫度變化等，這些因素都將對結構施工各階段的結構內力和變形產生一定的影響，并最終影響成形后的結構內力、裂縫與變形。變形及預變形計算的目的就是根據已完成的施工過程仿真分析計算結果，為施工過程提供結構變形及預變形數據，在施工過程中加以控制，并根據監測情況及時調整變形及預變形數據，以指導后續施工。

1.3 施工監測的目的與內容

由于施工過程的結構體系與最終結構體系不同，施工、安裝和質量的控制必須通過可靠的科學手段，為驗證施工仿真計算及預變形計算數據，控制施工安裝質量，通過施工過程對整體結構變形監測、對構件應力、裂縫開展進行監測與控制，以達到如下目的：

1)達到了解施工期間結構、構件是否受到損傷，以及損傷程度，評價結構安全狀態。

2)掌握施工過程結構變形，依據監測進行調整，保證結構和幕墻的安裝質量，控制對建筑外形不產生影響。

3)在工程竣工使用后一定時期內繼續進行監測，以評價徐變、使用對結構的影響。

4)通過施工過程及施工完畢后對建筑的監測，驗證結構的各種工作狀態滿足設計要求。

5)提供一套完整的、客觀真實的監測數據，掌握寶貴的第一手資料，為結構建成運營后的健康監測奠定良好的基礎。

2 變形及預變形計算

2.1 計算分析軟件

本項目變形及預變形計算分析采用軟件通用有限元程序Midas/Gen 6.9.1。該軟件是以Windows為開發平臺的結構分析和優化設計系統，廣泛應用于辦公樓、住宅、商場、商住樓、陸地以及海上工業建筑的結構分析中。

2.2 結構模型的導入

根據設計方提供的真實模型信息(包括結構尺寸、材料和連接等信息)，將該建筑在Etabs軟件中的有限元模型導入至Midas/Gen軟件中，其中梁與柱采用梁單元模擬，樓板與剪力墻采用板單元模擬。結構整體模型(含各種臨時結構)共包含節點7 609個，梁單元13 874個，板單元5 193個。導入模型如圖1所示。

2.3 預變形數據計算

通過一定的方法，將設計方提供的在Etabs軟件平臺上的荷載模型，導入至Midas/Gen軟件中。恒載、風載、施工荷載等全部的荷載均采用標準值，計算出各軸、層柱預偏量(詳見表1)，并在施工過程中嚴格按預變形量進行控制。

表1 各軸、層柱預偏量計算結果表

3 應力監測方案

1)由于該建筑有一定的傾斜角度，施工過程的結構內力變化與一般豎直結構的有較大差異，該結構南區框架柱的南北向彎矩較大，從安全的角度出發，應進行應力監測。

2)理論上，如果需要反映鋼筋混凝土構件的內力狀況，可以對構件的混凝土或者鋼筋應力進行監測。考慮到受拉側混凝土開裂后，鋼筋的應力水平將直接反映構件的內力狀況，因此選擇對鋼筋做應力監測。

3)監測對象及其監測位置。

根據仿真分析的結果以及設計單位的建議，應力監測的對象及其監測位置如表2及圖2所示。

表2 應力監測的對象及其監測位置

4)應力監測的傳感器及采集儀器。

為了保證應力監測的可靠性與精度，本項目應力監測所采用的傳感器及采集器分別如表3，表4所示。

表3 應力監測振弦式傳感器 με

表4 應力監測采集器

4 施工過程的裂縫監測

1)由于本工程結構的特殊性，考慮到裂縫對判斷結構的受力狀況起著非常關鍵的作用，因此在施工過程中應通過實測手段得到結構關鍵部位的裂縫值。

2)根據結構特點以及施工過程的特點，裂縫監測內容主要為框架柱和框架梁關鍵部位的裂縫監測。

5 應力及裂縫監測時段與頻率

1)在施工全過程對確定的構件的應力、裂縫進行監測，監測時段為：每向上施工完一層時(且不少于20 d)、8層南北樓之間的鋼連桿安裝前、主體結構完成后、室內砌體及內外墻施工期間每45 d監測一次、東西幕墻安裝前后各一次，內裝修期間每60 d監測一次。

2)工程全部竣工投入使用后第一年內，對構件應力、裂縫、樓層變形每四個月進行一次監測。

3)工程全部竣工并投入使用后第二年，對樓層變形每半年監測一次；以后每年監測一次，竣工后三年變形基本穩定后停止監測。

6 結語

1)廣東某大型圖書館作為特別復雜的高層建筑，結構傾斜，結構的安全很重要，施工過程中通過對變形及預變形量控制、應力及裂縫監測，嚴格按仿真計算確定施工方案、施工程序組織施工,并及時根據監測結果指導現場施工，確保南北樓主體結構順利合龍，連接成一個共同作用的結構體系。

2)實際監測結果表明南北樓結構應力及裂縫變更均在計算范圍內，驗證了變形及預變形計算及仿真計算確定施工方法、程序的正確性。

[1] 《施工監測的設計要求》及設計圖紙等有關資料[Z].

Simulation calculation of deformation and stress monitoring

Jiang Xiaoqing

(GuangdongGuangFoundationEngineeringCo.,Ltd,Lianjiang524400,China)

Simulation calculation the construction scheme and the procedures of construction with the finite element software of Midas/Gen 6.9.1, and compared the simulation results with the actual deformation and stress, crack monitoring. Using the monitoring results guiding the construction, to ensure that the structure of the successful closure.

simulation calculation, deformation, stress, crack monitoring, smooth closure

2015-04-10

蔣小青(1980- )，女，工程師

1009-6825(2015)17-0025-02

TU311

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