新疆大學圖書館大跨度鋼梁施工監測與分析

吳雨航 趙銳，2* 翟冬亮 楊洲 胡俊捷 黃思雨

(1.新疆大學建筑工程學院;2.新疆建筑結構與抗震重點實驗室 新疆烏魯木齊 830017)

溫度作用對鋼結構的影響一直是學者們研究的熱點，2012 年李惠與周峰[1]在對國家游泳中心鋼結構進行施工卸載過程及運營期間長期健康監測時發現，隨著季節的變化，結構運營期間溫度是主要的控制荷載，由于結構上部有屋蓋保護，使得屋蓋內空腔與外界環境溫差較大；2017 年陳德坤[2]對型鋼構件日照非均勻溫度場及其效應進行了研究，提出了由非均勻溫度場引起的日照彎曲應力概念；2018 年仝曉莉和陳志華[3]結合于家堡火車站站房屋蓋這一雙螺旋空間單層網殼結構進行了施工過程中的數值模擬，分析安裝溫度對結構的影響規律，提出了在有限元軟件中精確考慮構件安裝溫度的方法；李德和曹平周[4]對江蘇大劇院音樂廳鋼屋蓋進行了溫度效應分析，分析了不同環境溫度下施工合攏溫度的選取對結構最大應力及支座反力的影響；2021 年游穎和張澤濤[5]以武漢市國家網絡安全與人才創新基地展示中心鋼結構屋蓋為對象，基于長期監測數據，分析了鋼結構在露天施工條件下縱、橫向的溫度分布規律，并提出可采用分層溫度計算法計算施工過程溫度效應。2022年劉毛方和孟磊[6]以天長市全民健身中心體育場項目為研究背景，給出了減少結構裂縫的設計和施工措施。

從以上研究成果上來看，對于實際鋼結構工程的溫度監測數據還可以進一步進行定量分析。該文以新疆大學博達校區圖書館為背景工程，用有限元計算軟件MIDAS/Civil 對結構中一大跨度鋼梁進行溫度效應分析，探究施工過程中溫度作用對結構安全性的影響，分析大跨度鋼梁對環境溫度變化的敏感程度，并通過現場監測數據與數值仿真結果進行對比，驗證研究方法可行性。其研究成果可為類似鋼結構施工過程中的溫度效應分析提供參考。

1 數值模擬

1.1 建立有限元模型

新疆大學博達校區圖書館為鋼框架結構，由鋼柱和鋼梁組成，選取結構中最大一跨H型鋼梁進行分析，鋼梁基本參數為：H1800×550×32×44（mm），長度為30.6 m，Q355B 材質，兩端固定約束，利用MIDAS/Civil建立鋼梁的有限元模型，如圖1所示，每個節點間距為0.6 m，共52個節點，51個單元。

圖1 鋼梁有限元模型

1.2 加載及應力分析

有限元分析中主要考慮施工恒載、施工活載與溫度作用。施工恒載主要為結構自重以及為施工安全與施工方便設置的臨時通道與各類附件；施工活載為施工工程中工人與施工機具重量；溫度作用主要是按±30 ℃考慮。在分析中假定上部結構對下部結構無影響、結構柱不發生位移，僅溫度均勻作用（不考慮日照與驟然溫度變化）。通過調整分項系數與荷載組合值系數來模擬實際結構可能承受的荷載組合[7]。共討論7 種荷載組合工況，采用MIDAS/Civil 對構件進行不同工況下的應力分析，荷載組合工況及分析得到的結構最大應力值如表1所示。

表1 各荷載組合工況及得到的結構最大應力值

從表1 中可以看出，構件在工況一至工況三無溫度組合下應力值較小，其中恒載控制下應力值最大，變形控制下應力值最小；工況四至工況七有溫度組合下的應力值明顯大于無溫度工況組合，說明溫度變化對大跨度結構受力構件影響較大。另外，在工況四和工況六組合下，升溫30 ℃時應力值明顯增大，在工況五和工況七降溫30 ℃時，應力值增大幅度較小，說明構件對升溫情況要比降溫情況更加敏感。

1.3 溫度應力響應程度

為了定量分析溫度作用對結構的影響程度，這里引入參數A作為表征結構在溫度變化時的響應程度，A的物理意義為溫度變化時溫差引起的應力改變對于結構自重下的應力變化率，A被命名為溫度應力響應程度。A的絕對值越大說明結構在溫度變化時的響應越大。其中A的計算方法如式（1）所示。

式（1）中：Am,T為溫差為T時構件最大溫度應力相對于自重條件下應力的變化率；σm,T為溫度為T時構件最大彎曲應力；σm,0為自重條件下構件最大彎曲應力。

根據建筑結構荷載規范可知：烏魯木齊最低溫為-23 ℃，最高溫為+32℃，故給構件在-30 ℃～+30 ℃區間施加溫度作用，經計算，得到溫度線性系數為0.27 MPa/℃，即溫度每升降1 ℃應力改變0.27 MPa。經式（1）計算，得到A值與溫差之間的關系曲線，具體情況見表2。

表2 溫度應力響應程度與溫差的關系

從表2 可以看出，溫度變化引起構件應力大幅增長，溫度增高40 ℃時，溫度應力響應程度達到了0.969，應力值增量比初值翻了近1倍。同樣的30 ℃溫差變化，+30 ℃溫度應力響應程度為0.806，而-30 ℃溫度應力響應程度為0.665，升溫應力響應程度相比于降溫應力響應程度大0.141，這說明升溫作用對結構的影響比降溫作用更加強烈。

2 溫度應力現場監測及分析

2.1 監測方案

為驗證數值分析結論，采用JM-212HAT 振弦式應變計對結構主梁進行溫度及應力監測，采樣周期為20 min。為避免日照對結構造成局部升溫產生局部應力，選擇在23∶00 到次日6∶00 進行溫度數據采集。溫度應力采樣點布置在4 層（共5 層）跨中梁底，這樣可以最大限度減小梁端柱的橫向位移對監測結果的影響。測點具體見圖2。

圖2 振弦式應變計測點

2.2 應力-溫度曲線

運用溫度及應力監測數據進行線性擬合，得到鋼梁測點的應力-溫度曲線，具體見圖3。從圖中監測數據經過線性擬合后得到一次函數斜率的物理意義為單位溫度變化時構件的表面應力變化量，該構件溫度線性系數為0.29 MPa/℃，與1.3 節有限元分析得到的溫度線性系數0.27 MPa/℃相比，誤差為7.4%，在容許誤差范圍內。實測值比理論值略大，其主要原因為結構在白天受日照與晝夜溫差作用后結構受非均勻溫度場作用，在測試時還未完全恢復到均勻溫度狀態造成的。

圖3 鋼梁表面應力-溫度關系曲線

2.3 相關性分析

為判斷實測數據線性擬合結果的有效性，取315個溫度與對應應力的數據作為擬合方程相關性分析的基礎數據，對其進行回歸分析，結果具體見表3。

表3 回歸分析結果

從表3 中可知，應力與溫度的相關系數為0.653，說明應力和溫度具有一定相關性；標準誤差為0.458，可能因為數據采集原因，擬合程度不算很高；顯著統計量的P值為9.68E-40，小于0.05，通過F檢驗，整體回歸有效。

以新疆大學博達校區圖書館第四層大跨度鋼梁為研究對象，利用數值模擬與現場實測兩種方法分析了施工期間結構的溫度應力，得到以下結論。

（1）建立約束鋼梁的有限元模型，通過對7種不同荷載工況下的結構進行溫度應力分析得出：溫度變化對結構應力影響較大，尤其是升溫情況。（2）為進一步說明升溫時結構應力的變化比降溫時更敏感，通過引入溫度應力響應程度這一參數，定量分析溫度應力相對于自重應力的改變幅度。（3）通過對測得的溫度應力監測數據進行線性擬合及相關性分析，得到溫度線性系數為0.29 MPa/℃，與有限元分析得到的理論值相比，誤差在允許范圍內，驗證了數值模擬的準確性。（4）實測值較理論值偏大，分析認為誤差的產生為鋼構件未完全恢復到均勻溫度狀態所致，結果偏大是由于白天的日照與晝夜溫度作用會對結構產生非均勻應力分布，使得結構應力計算復雜所致。