基于仿真计算的变形及应力监测

蒋 小 青

(广东广基工程有限公司，广东 廉江 524400)

基于仿真计算的变形及应力监测

蒋 小 青

(广东广基工程有限公司，广东 廉江 524400)

通过有限元程序Midas/Gen 6.9.1仿真计算施工方案及程序组织施工，并将仿真结果与现场实际变形及应力、裂缝监测进行对比，利用监测结果指导现场施工，确保了结构的顺利合龙。

仿真计算，变形，应力，裂缝监测，合龙

1 工程简介

1.1 工程概况

广东某大型图书馆为型钢混凝土框架连体结构，属于特别复杂的高层建筑。总建筑面积98 977 m2，建筑高度为50.0 m，地上10层(局部8层、9层)，设有地下室2层(其中地下1层设1层夹层)。该建筑主要特点为结构整体倾斜，整体造型独特，地上部分分为南、北区，各区平面呈半月形。南区墙柱向北倾斜，北区北面墙柱向北倾斜，北区南边墙柱向南倾斜，局部和南区在顶层合龙。其中南塔框架呈7°～18°倾斜，北塔呈9°～11°倾斜。南北楼在(8层，9层，10层局部)位置设置连接钢梁，其规格为□700×500×30×30和H950×500×40×40两种。连接钢梁通过36个万向铰与南北楼对称的型钢柱连接，将南北楼连接成一个共同作用的结构体系。

为了确保结构变形稳定，根据设计单位及仿真分析单位对该建筑进行了施工过程仿真分析计算结果，确定每层施工工期为20 d。

1.2 变形及预变形计算的目的与内容

该建筑施工方案采用通过设计加固措施，主体结构采用控制施工周期不加支撑、按照倾斜分层向上的施工方案。实际施工过程中，影响施工的不确定因素很多，如材料性能、施工荷载、施工条件与工艺、温度变化等，这些因素都将对结构施工各阶段的结构内力和变形产生一定的影响，并最终影响成形后的结构内力、裂缝与变形。变形及预变形计算的目的就是根据已完成的施工过程仿真分析计算结果，为施工过程提供结构变形及预变形数据，在施工过程中加以控制，并根据监测情况及时调整变形及预变形数据，以指导后续施工。

1.3 施工监测的目的与内容

由于施工过程的结构体系与最终结构体系不同，施工、安装和质量的控制必须通过可靠的科学手段，为验证施工仿真计算及预变形计算数据，控制施工安装质量，通过施工过程对整体结构变形监测、对构件应力、裂缝开展进行监测与控制，以达到如下目的：

1)达到了解施工期间结构、构件是否受到损伤，以及损伤程度，评价结构安全状态。

2)掌握施工过程结构变形，依据监测进行调整，保证结构和幕墙的安装质量，控制对建筑外形不产生影响。

3)在工程竣工使用后一定时期内继续进行监测，以评价徐变、使用对结构的影响。

4)通过施工过程及施工完毕后对建筑的监测，验证结构的各种工作状态满足设计要求。

5)提供一套完整的、客观真实的监测数据，掌握宝贵的第一手资料，为结构建成运营后的健康监测奠定良好的基础。

2 变形及预变形计算

2.1 计算分析软件

本项目变形及预变形计算分析采用软件通用有限元程序Midas/Gen 6.9.1。该软件是以Windows为开发平台的结构分析和优化设计系统，广泛应用于办公楼、住宅、商场、商住楼、陆地以及海上工业建筑的结构分析中。

2.2 结构模型的导入

根据设计方提供的真实模型信息(包括结构尺寸、材料和连接等信息)，将该建筑在Etabs软件中的有限元模型导入至Midas/Gen软件中，其中梁与柱采用梁单元模拟，楼板与剪力墙采用板单元模拟。结构整体模型(含各种临时结构)共包含节点7 609个，梁单元13 874个，板单元5 193个。导入模型如图1所示。

2.3 预变形数据计算

通过一定的方法，将设计方提供的在Etabs软件平台上的荷载模型，导入至Midas/Gen软件中。恒载、风载、施工荷载等全部的荷载均采用标准值，计算出各轴、层柱预偏量(详见表1)，并在施工过程中严格按预变形量进行控制。

表1 各轴、层柱预偏量计算结果表

3 应力监测方案

1)由于该建筑有一定的倾斜角度，施工过程的结构内力变化与一般竖直结构的有较大差异，该结构南区框架柱的南北向弯矩较大，从安全的角度出发，应进行应力监测。

2)理论上，如果需要反映钢筋混凝土构件的内力状况，可以对构件的混凝土或者钢筋应力进行监测。考虑到受拉侧混凝土开裂后，钢筋的应力水平将直接反映构件的内力状况，因此选择对钢筋做应力监测。

3)监测对象及其监测位置。

根据仿真分析的结果以及设计单位的建议，应力监测的对象及其监测位置如表2及图2所示。

表2 应力监测的对象及其监测位置

4)应力监测的传感器及采集仪器。

为了保证应力监测的可靠性与精度，本项目应力监测所采用的传感器及采集器分别如表3，表4所示。

表3 应力监测振弦式传感器 με

表4 应力监测采集器

4 施工过程的裂缝监测

1)由于本工程结构的特殊性，考虑到裂缝对判断结构的受力状况起着非常关键的作用，因此在施工过程中应通过实测手段得到结构关键部位的裂缝值。

2)根据结构特点以及施工过程的特点，裂缝监测内容主要为框架柱和框架梁关键部位的裂缝监测。

5 应力及裂缝监测时段与频率

1)在施工全过程对确定的构件的应力、裂缝进行监测，监测时段为：每向上施工完一层时(且不少于20 d)、8层南北楼之间的钢连杆安装前、主体结构完成后、室内砌体及内外墙施工期间每45 d监测一次、东西幕墙安装前后各一次，内装修期间每60 d监测一次。

2)工程全部竣工投入使用后第一年内，对构件应力、裂缝、楼层变形每四个月进行一次监测。

3)工程全部竣工并投入使用后第二年，对楼层变形每半年监测一次；以后每年监测一次，竣工后三年变形基本稳定后停止监测。

6 结语

1)广东某大型图书馆作为特别复杂的高层建筑，结构倾斜，结构的安全很重要，施工过程中通过对变形及预变形量控制、应力及裂缝监测，严格按仿真计算确定施工方案、施工程序组织施工,并及时根据监测结果指导现场施工，确保南北楼主体结构顺利合龙，连接成一个共同作用的结构体系。

2)实际监测结果表明南北楼结构应力及裂缝变更均在计算范围内，验证了变形及预变形计算及仿真计算确定施工方法、程序的正确性。

[1] 《施工监测的设计要求》及设计图纸等有关资料[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

蒋小青(1980- )，女，工程师

1009-6825(2015)17-0025-02

TU311

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