基于靜力荷載試驗(yàn)的大跨度鋼連廊承載力評價(jià)研究

魏春明 WEI Chun-ming；吳凡宇 WU Fan-yu；張賀 ZHANG He；吳碧橋 WU Bi-qiao；蘆開春 LU Kai-chun；李勝才 LI Sheng-cai；姜治軍 JIANG Zhi-jun

（①江蘇省華建建設(shè)股份有限公司，揚(yáng)州 225000；②揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州 225000）

1 引論

建工科技園科技產(chǎn)業(yè)區(qū)項(xiàng)目位于揚(yáng)州市廣陵區(qū)文昌東路北側(cè)，臨灣路東側(cè)，迎賓路南側(cè)，總建筑面積約249168.99m2。如圖1 所示，本工程主要包括A1#、A2#、A3#、A4#四棟主樓，一棟綜合商業(yè)樓。其中A1#樓17 層，規(guī)劃高度84m，A2#、A3#樓23 層，規(guī)劃高度114m，A4#樓15 層，規(guī)劃高度69.9m，綜合商業(yè)樓5 層，規(guī)劃高度24m。所涉及鋼連廊如圖2 位于A2 與A3 樓之間，跨度43.7m，連廊上弦砼結(jié)構(gòu)標(biāo)高99.3m（屋面層），下弦砼結(jié)構(gòu)標(biāo)高90.45m（22 層），其中22 層層高4.5m，23 層層高4.35m，連廊主梁軸線寬度8.400m，兩側(cè)各外挑1.25m，梁端與主樓型鋼混凝土柱剛性連接。因鋼連廊的安裝高度高，結(jié)構(gòu)桿件自重較大。若采用常規(guī)的分件高空散裝，不但高空組裝、焊接工作量巨大，而且存在較大質(zhì)量、安全風(fēng)險(xiǎn)，施工的難度較大。故本工程參考已完成相似案例[1-2]，鋼連廊部分施工思路為通過場外加工、地面拼裝、高空整體拼裝的過程實(shí)現(xiàn)一次安裝成形。由于鋼連廊的板件和螺栓會(huì)存在負(fù)公差[3]、工人在焊接鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)出現(xiàn)殘余應(yīng)力[4-5]以及高空整體安裝存在安裝誤差等因素，導(dǎo)致鋼連廊在施工完成后的承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)承載力。為確保鋼連廊的承載力能夠滿足其使用要求，需對已完成施工后的鋼連廊進(jìn)行承載力評估。此次對鋼連廊承載力評估采用靜載試驗(yàn)[6-7]。靜載試驗(yàn)是利用物理力學(xué)方法來測定結(jié)構(gòu)在靜荷載作用下的反應(yīng)，分析、判定結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)與受力情況，評定結(jié)構(gòu)的可靠程度。由于靜載試驗(yàn)加載速度小，結(jié)構(gòu)變形緩慢，可以不考慮加速度引起的慣性力，使其成為工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中最基本和最廣泛使用的手段。

圖1 本項(xiàng)目總體規(guī)劃圖

圖2 鋼連廊現(xiàn)場圖

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)方法與布置

依據(jù)現(xiàn)場的條件，因高層建筑的消防水易取且易排放，既保證了試驗(yàn)的可操作性、節(jié)約了成本，又保證了鋼連廊可以均勻的受荷載，故采用水壓靜載試驗(yàn)的方式來進(jìn)行加載。水荷載布置范圍如圖3 所示。

圖3 水荷載范圍及擋墻布置圖

測試現(xiàn)場水管流量，根據(jù)水管位置，規(guī)劃引水管布置路線，確定每級加載所需注水時(shí)間。同時(shí)，現(xiàn)場準(zhǔn)備好若干寬度為0.5m 的長方形模板。將其豎起，以模板寬為高，按圖3 所示擋墻位置，繞著頂板的水溝以及連廊與塔樓的交界處，豎起高0.5m 的四面環(huán)形模板擋墻如圖4。將準(zhǔn)備好的防水膜按圖3 所示范圍鋪開，并沿著擋墻向外延伸，直到將接觸水的一側(cè)的模板墻全部包住，并用丁基膠帶在模板墻外側(cè)固定住防水膜，起到底板與模板擋墻同時(shí)防水的作用。至此，放水條件已形成如圖5 所示。

圖4 擋墻安裝圖

圖5 水膜鋪設(shè)完成圖

2.2 加載制度

本次試驗(yàn)中，加載的總水均布壓力目標(biāo)為1.5kN/m2，總加載的水壓力所對應(yīng)的蓄水高度為0.15m。本次試驗(yàn)采用三級分級加載制度。具體的分級如表1 所示。各級荷載靜置時(shí)間為70min，其中60min 為結(jié)構(gòu)充分變形時(shí)間，后續(xù)的10min 為測量、讀取頂板與底板的跨中處撓度數(shù)據(jù)時(shí)間。

表1 加載等級與蓄水高度對應(yīng)表

2.3 測量方法

本次對鋼連廊安全性的評估通過測量連廊頂板與底板的跨中處的撓度變化，來計(jì)算連廊整體的剛度。為了能夠準(zhǔn)確測量連廊頂板和底部跨中的撓度變化，在連廊頂部放置2 臺(tái)水準(zhǔn)儀，連廊頂部A2、A3 樓內(nèi)柱上各貼一個(gè)標(biāo)尺如圖6，連廊頂部跨中放置一把塔尺如圖7。底板處樓層（22F）處放置2 臺(tái)激光水準(zhǔn)儀，連廊底部（22F）A2、A3 樓內(nèi)柱上各貼一個(gè)標(biāo)尺，在連廊底部（22F）跨中位置放置一把塔尺。儀器具體放置位置如圖8 所示。儀器放置完成后，根據(jù)制定的分級加載使用消防水進(jìn)行加載如圖9 所示，用三角尺固定在地面上進(jìn)行水位測量如圖10，并按照預(yù)定方案進(jìn)行靜置和測量撓度。

圖6 樓內(nèi)標(biāo)尺圖

圖7 跨中塔尺圖

圖8 塔尺與水準(zhǔn)儀、水平儀布置圖

圖9 放水加載圖

圖10 測量水位圖

測量變量為連廊底板和頂板的跨中處撓度數(shù)據(jù)，撓度的變化是通過確定桁架上標(biāo)定點(diǎn)與樓內(nèi)標(biāo)尺標(biāo)定點(diǎn)高程差的變化，從而計(jì)算桁架撓度的變化。使用水準(zhǔn)儀或激光水平儀讀取跨中塔尺的數(shù)值，如圖11 所示，為保證可能存在的單次讀取誤差，應(yīng)對同一級加載的跨中撓度進(jìn)行多次測量取平均值，因此每一級加載每個(gè)測點(diǎn)可取得多個(gè)撓度數(shù)據(jù)。

圖11 讀取跨中塔尺數(shù)值圖

3 理論模型分析

3.1 分析模型

為了求得該結(jié)構(gòu)的理論承載能力和變形，本節(jié)對該連廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元數(shù)值分析[8-9]，模型如圖12。因連廊兩端設(shè)計(jì)為與樓內(nèi)柱剛接，且樓內(nèi)型鋼混凝土柱剛度較大，故連廊主梁端部在模型中設(shè)置為固接支座約束。為了與現(xiàn)場試驗(yàn)的一致性[10]，模擬分析采用與靜載試驗(yàn)相同的荷載與加載分級。水荷載的加載范圍如圖13。

圖12 鋼連廊模型圖

圖13 水荷載加載范圍圖

3.2 分析結(jié)果

使用模型按照與試驗(yàn)相同的各級加載方法進(jìn)行加載變形如圖14 所示。各級加載的相對撓度數(shù)據(jù)如表2 所示。其中相對撓度為各加載級較加載前測量點(diǎn)撓度的變化值。

表2 鋼連廊各級加載相對撓度表

圖14 各級加載后變形圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 測量結(jié)果

經(jīng)測量現(xiàn)場試驗(yàn)所得到的標(biāo)高及根據(jù)標(biāo)高計(jì)算出的跨中撓度如表3 所示。1～3 級頂板跨中相對撓度平均值分別為：1.05mm、2mm、2.95mm；底板跨中相對撓度平均值分別為：0.2mm、0.45mm、0.65mm。

表3 試驗(yàn)結(jié)果記錄表

4.2 結(jié)果分析

依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068-2018[11]的8.2.4 條：對持久設(shè)計(jì)狀況和短暫設(shè)計(jì)狀況，應(yīng)采用作用的基本組合。在可靠性檢驗(yàn)時(shí)，有限元分析所得撓度在與試驗(yàn)測得的撓度進(jìn)行對比時(shí)，應(yīng)采用基本組合值計(jì)算。以有限元分析所得撓度作為標(biāo)準(zhǔn)值，則基本組合值=標(biāo)準(zhǔn)值*分項(xiàng)系數(shù)，根據(jù)GB50068-2018 的8.2.9 條分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取1.5。所得基本組合值為理論撓度。有限元分析所得的數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值如表5。A 測點(diǎn)試驗(yàn)所得撓度與理論撓度對比如圖15、B 測點(diǎn)試驗(yàn)所得撓度與理論撓度對比如圖15。試驗(yàn)測得的A 測點(diǎn)最大撓度為3.1mm，A 測點(diǎn)撓度理論值為4.28mm；試驗(yàn)測得的B 測點(diǎn)最大撓度為0.7mm，B 測點(diǎn)撓度理論值為0.94mm。依據(jù)《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》CJJ/T233-2015[12]對試驗(yàn)值和理論值進(jìn)行對比，作為結(jié)構(gòu)整體受力性能的評價(jià)依據(jù)，見公式（1）。

圖15 A、B 測點(diǎn)測量撓度與理論撓度對比圖

其中δ 為校驗(yàn)系數(shù)，Se為試驗(yàn)相對撓度，Ss為理論相對撓度。δ≤1，否則判定其承載能力不滿足要求。A、B 測點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)如表4 所示，其中δmax=0.73，δmax≤1，鋼連廊承載能力滿足要求。

表4 A、B 測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)表

根據(jù)公式（2）對連廊頂板跨中和底板跨中的等效剛度K 分別進(jìn)行計(jì)算：

表5 不同加載等級下的等效剛度值表

5 結(jié)論

通過理論分析與靜壓試驗(yàn)依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068-2018 和《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》CJJ/T233-2015 對揚(yáng)州建工科技園A2～A3 雙塔樓間高空鋼連廊的承載能力進(jìn)行評估。經(jīng)試驗(yàn)得到鋼連廊的最大校驗(yàn)系數(shù)為δmax=0.73≤1，連廊實(shí)測剛度為理想模型的96%，均滿足設(shè)計(jì)和驗(yàn)收要求。