大跨钢屋盖卸载阶段支座焊缝处剪应力分析与监测

张晔 邓星河 李鹏 李鸿 张维庆

【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。

【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 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

隨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。

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5.77～8.717m，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，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550mm×550mm×40mm，基础预埋板的尺寸为610mm×610mm×40mm，焊缝的尺寸为40mm×30mm×610mm，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確定传感器的数量和布设位置，并结合结构自身受力特点，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，ε0°为沿焊缝长边方向应变；ε90°为沿焊缝短边方向的应变；ε45°为长边与短边两个方向角平分线上的应变，σmax和σmin分别为最大主应力和最小主应力；τmax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。

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。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，屋盖荷载主要落在长边上的支座，而短边上支座承担的较少。

4 结论

钢屋盖卸载施工时支座焊缝处的有限元分析与现场实测结果表明：本文通过采用有限元模拟焊缝处剪应力的分布情况，并选取支座模型中应力最大处作为现场测点的方法，能反应结构的最不利状况，保证了卸载过程中结构的安全。虽然由于材料缺陷、支座主体底部与基础预埋板之间的摩擦等因素的存在，剪应力模拟值与实测值存在一定偏差，但总体变化趋势基本一致，偏差始终在可控范围内。为今后类似的钢屋盖卸载项目支座焊缝的安全性研究提供参考。

【参考文献】

[1]王秀丽，仲海民.大跨度钢屋盖卸载方案及现场监测[J]. 兰州理工大学学报，2012，38（06）：108-111.

[2]刘奔，尤德清，喻馨，钟广建，吴聪.福州海峡奥体中心体育场卸载过程分析及监测[J].建筑结构，2015，45（05）：49-53.

[3]曾志斌，张玉玲.国家体育场大跨度钢结构在卸载过程中的应力监测[J].土木工程学报，2008，（03）：1-6.

[4]张亮泉，张树岗，郭峦川，李惠.哈尔滨大剧院钢结构屋盖卸载模拟及应力监测[J].地震工程与工程振动，2014，34（03）：174-182.

[5]张煊铭.大跨钢结构卸载期间的受力分析与安全监测[D].内蒙古科技大学，2014.

[6]林俊，杨立戈，彭媛，陆征宇，韦国梁.柳州市网球中心主馆钢屋盖临时支撑的卸载施工[J].建筑施工，2017，39（04）：500-501.

[7]王秀丽，梁宝祥.西宁某体育馆钢屋盖卸载模拟分析及现场监测[J].施工技术，2013，42（20）：39-43.