近年来, 随着建筑技术的飞跃发展, 结构形式不仅仅是为了满足人们对建筑功能的要求, 还要满足现代社会对美观性的要求。因此结构形式多样的大跨度悬挑桁架结构得到了广泛的应用。这类结构在施工过程中发生架体失稳或强度破坏引起坍塌事故的可能性大大增加。因此对大跨度悬挑混凝土桁架结构的施工监测和数值模拟尤为重要。

目前, 有限元数值模拟技术越来越成熟, ANSYS, ABAQUS等有限元软件能模拟出施工全过程的应力、应变、位移的动态变化, 已经成为解决复杂工程问题的有效途径。而国内施工监测的研究和应用主要集中在深基坑、钢结构等工程中, 如宁波南站软土深基坑监测、深圳京基金融中心钢结构监测、上海世博会中国馆钢结构监测等, 并取得了较大的成果。而以钢筋混凝土为基础的大跨度悬挑桁架结构施工监测和数值模拟研究甚少。

本文以南宁江南万达广场A1A4大悬挑结构为研究对象, 按施工过程分阶段建立有限元模型, 模拟出各阶段结构的钢筋应力、混凝土表面应力和位移云图, 并与施工现场的监测数据对比分析, 得出施工过程中结构内力、挠度等的变化规律。

此结构位于南宁江南万达项目A1A4区, 为双层钢筋混凝土空间桁架体系。主悬挑梁为6榀钢筋混凝土梁, 并在层间大梁设置交叉撑和斜撑增强稳定性。最大悬挑长度为13.2m, 最大梁截面为700mm×1 800mm, 悬挑跨度为45m, 悬挑区域面积约400m², 最大高度为25.4m, 国内外建筑使用钢筋混凝土材料施工如此超长的悬挑结构实属罕见。如图1所示。

本文采用大型有限元分析软件ABAQUS, 利用“生死单元”的正装分析法, 分7个施工工况对大悬挑全过程进行了数值模拟。由于结构比较复杂, 在不影响结构内力和位移的前提下, 对部分结构构件进行了简化。混凝土采用实体单元 (C3D8R) , 钢筋采用桁架单元 (T3D2) , 钢筋、混凝土均按设计图纸建模, 材料荷载按实际密度 (混凝土2 500kg/m³, 钢筋7 800kg/m³) 施加。施工工况划分: (1) 工况1浇筑5层桁架梁 (梁面标高21.600m) ; (2) 工况2浇筑6层桁架梁和5~6层梁间的交叉撑和斜撑; (3) 工况3拆除6层悬挑桁架梁锚固端支撑架和模板; (4) 工况4拆除悬挑桁架梁的高大模板支撑系统; (5) 工况5悬挑桁架梁幕墙操作架搭设完成, 荷载加载完成; (6) 工况6操作架拆除, 幕墙安装完成; (7) 工况7幕墙安装完成后1个月。

考虑6榀桁架梁每跨具有相似性和本文篇幅等因素, 选取13.2m悬挑梁为研究对象, 工况5钢筋应力、混凝土应变、位移云图如图2所示。

从图2可以看出, 钢筋骨架中受拉较大的部位集中在梁顶、斜撑和梁上柱, 而5层框架梁变截面处受压较其他部位明显。受拉和受压应力均小于钢筋材料屈服强度。钢筋最大应力出现在悬挑端梁上柱, 且值为100.6MPa, 小于钢筋应力预警值200MPa, 说明钢筋未屈服。悬挑梁挠度最大值出现在5层梁端, 且悬挑端最大变形为11.51mm, 满足规范要求。综上所述, 结构总体处于弹性阶段, 钢筋未屈服, 混凝土整体未损坏, 仅有少数位置开裂。

大跨度悬挑混凝土结构施工过程中, 已施工部位不断发生变形, 未施工部位与设计值会有一些偏差, 非线性效应明显;同时20m高大模板支撑体系也在不断发生内力变化和变形, 直接影响最终结构的成型。为确保结构完成时形状、受力性能达到设计要求, 需对结构关键位置的钢筋应力、混凝土应变、挠度等进行监测。

本工程选用振弦式钢筋计和表贴式应变计作为钢筋应力和混凝土应变的监测工具。为考察结构关键位置应力应变是否满足要求, 应将测点布置在应力较大和应力集中处;由此确定在 (1) ~ (4) 轴悬挑梁最上排纵筋的端部及中部各埋设1个钢筋计;在每个施工工况混凝土浇筑完7d后, 于钢筋应力计所在位置表面粘贴应变计。图3为 (4) 轴对应的应力应变测点布置。

本工程位移监测由高精度电子水准仪、水准标尺等组成。根据力学特点, 选取悬挑梁相对变形理论值较大处的端部上弦布置监测点, 编号W1~W5, 如图4所示。

选择具有代表性的最长悬挑桁架梁 (跨度13.2m, 最大梁截面700mm×1 800mm) 跨中和梁端进行应力分析, 如图5所示。由图5可知, 悬挑结构施工全过程中应力的理论计算值大部分小于实测值, 主要由于模板支撑体系的沉降影响和模拟荷载选取偏保守所致。具体来说, 施工工况1~2阶段, 高大模板支撑体系起了重要作用, 分担了大部分承重, 应力增长缓慢, 随着时间推进, 混凝土不断收缩, 对钢筋产生压应力, 导致钢筋监测应力值呈减小趋势;工况3~4阶段时, 模板支撑拆除卸载后, 应力突变, 主要由于卸载过程中结构受力逐渐转移、内力的重分布造成的;从工况5开始, 幕墙安装引起结构荷载增加, 桁架梁上应力增长较快。总体来说, 监测数据反映桁架真实变化趋势与理论计算的变化趋势基本相同, 两者吻合度较高。

图6给出了梁端和跨中代表性测点YB3, YB4的应变模拟值与实测值的对比。可以看出应变折线图与上述应力折线图走势基本一致, 说明应力、应变的变化具有协同性、一致性。另外应变模拟值与实测值差值不大, 大部分控制在10%以内, 最大误差值只有8×10^-6, 说明施工中裂缝的控制方面做得很好。

根据模拟位移云图, 可以发现位移变形较大区域集中在梁柱交接处, 最大变形区域随着施工工况进行会有所变化, 但总体区间分布保持不变。图7以梁端监测点W5为分析对象, 显而易见, 监测点W5的挠度模拟值与实测值存在较小偏差, 但都随着施工工况的推进竖向位移量逐渐增加。在模板支撑拆除和幕墙加载过程中, 监测点W5竖向位移增速加快, 其理论值最高达到11.51mm, 远低于挠度预警值32.50mm。为减小悬挑梁挠度最终变形, 在施工前要求悬挑梁按1/2 000起拱来抵消变形影响, 达到了技术指导施工的目的。

本文通过建立大跨度悬挑混凝土桁架结构施工过程的有限元模型, 并在施工中跟踪监测关键位置的受力状态、变形参数, 从而获得施工中反映结构实际情况的数据, 然后根据实际情况与模拟状态的对比, 及时纠正施工过程中的超限值, 使结构的受力状态始终控制在合理范围内。通过研究这些数据, 得出以下结论:

1) 有限元模拟值与实测值吻合较好, 偏差率在15%以内, 表明了大跨度悬挑混凝土桁架结构施工过程有限元模拟分析的模型和施工监测方案的准确性与可靠性。

2) 在支模架拆除及幕墙荷载施加后, 挠度随着施工工况的推进而增大且挠度变化曲线较陡, 为此, 在施工过程中采取预起拱来消减挠度影响, 取得了较好的施工效果。

3) 在施工过程中, 有限元模拟值为结构的施工起到了指导作用, 而跟踪监测值反馈模拟值, 现场及时根据误差值调整施工方案、施工步骤, 为结构达到设计状态提供了保证, 证明了类似A1A4大跨度悬挑复杂结构的施工监测是很有必要的。