摘要：本文采用有限單元法和現(xiàn)場實(shí)測試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究型鋼混凝土梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力狀態(tài)和承載性能。在現(xiàn)場實(shí)測試驗(yàn)中，跟隨施工過程監(jiān)測了梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的撓度和應(yīng)變隨著轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)承托樓層數(shù)增加的變化規(guī)律。在有限元理論分析中，不僅模擬隨施工過程而變化的結(jié)構(gòu)及其所受的荷載，而且在模擬施工過程的時(shí)變結(jié)構(gòu)中考慮了混凝土收縮和徐變的影響。結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，模擬施工過程并考慮混凝土收縮和徐變后的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果吻合較好。

　　關(guān)鍵詞：型鋼混凝土,梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),現(xiàn)場實(shí)測試驗(yàn),收縮,徐變

　　1 前 言

　　某工程局部采用了大跨度型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層上部12層框架結(jié)構(gòu)由梁上柱傳遞到轉(zhuǎn)換梁中部，轉(zhuǎn)換梁受力非常集中，高應(yīng)力下徐變作用較顯著，且主體結(jié)構(gòu)施工長達(dá)5個(gè)月，正是混凝土徐變與收縮快速增長期，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然考慮了施工過程對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響，但是現(xiàn)有的有限元軟件還未能考慮施工過程中混凝土收縮、徐變、溫度等因素對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響。由于高層建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中未給出計(jì)算混凝土徐變的明確條文，考慮徐變對高層結(jié)構(gòu)的影響還只能引用橋梁結(jié)構(gòu)中比較成熟的徐變系數(shù)方法來進(jìn)行[3]。通過編程迭代計(jì)算，結(jié)果表明考慮收縮徐變后實(shí)測結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果比較一致，較真實(shí)的反映了施工期轉(zhuǎn)換梁的荷載傳遞規(guī)律。

　　2 工程概況

　　該工程高65m，地上15層，地下3層，埋深17.0m。該建筑的體型和結(jié)構(gòu)布置比較復(fù)雜，柱網(wǎng)尺寸縱向?yàn)?.1m，橫向?yàn)?m。為保證建筑底部有較大的使用空間，建筑物一二層部分區(qū)域柱網(wǎng)尺寸擴(kuò)大為16.2m，設(shè)計(jì)者在結(jié)構(gòu)樓面第3層布置了16.2m跨型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁，其轉(zhuǎn)換層平面布置如圖1所示。框支柱和被轉(zhuǎn)換柱采用型鋼混凝土柱，并向上延伸一層，型鋼混凝土柱內(nèi)配焊接十字形型鋼。

　　3 實(shí)測方法

　　考慮到現(xiàn)場條件，選用溫度自補(bǔ)償式的振弦應(yīng)變計(jì)，該應(yīng)變計(jì)不但能夠測到結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，而且能夠同時(shí)監(jiān)測到儀表埋設(shè)處的溫度，并對由于溫度變化所引起的測試誤差進(jìn)行修正。測試前用混凝土將應(yīng)變計(jì)保護(hù)好，在結(jié)構(gòu)施工過程中埋人到混凝土構(gòu)件中，埋入后，每施工一層就實(shí)測一次，直至主體結(jié)構(gòu)封頂。根據(jù)初步計(jì)算表明，轉(zhuǎn)換托柱主要承受軸壓力，所以在中柱對稱布置四個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖2所示。利用GK-404便攜式讀數(shù)儀直接對測點(diǎn)的應(yīng)變進(jìn)行測試，并根據(jù)混凝土的彈性模量計(jì)算混凝土的應(yīng)力。

　　由應(yīng)變計(jì)直接得到的數(shù)據(jù)是頻率F(Hz)和溫度T(oC)，應(yīng)變可按下面公式計(jì)算：式中G為儀器標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)，F(xiàn)i為第i次測量的頻率值(HZ)，F(xiàn)0為頻率初始值(HZ)，T1為環(huán)境溫度(℃)，T0為初始溫度(℃)，K為溫度修正系數(shù)。

　　4.1 測試數(shù)據(jù)分析

　　在真實(shí)結(jié)構(gòu)中，混凝土的徐變、收縮以及荷載應(yīng)變是混雜在一起的，即采用振弦式應(yīng)變計(jì)實(shí)測得到的應(yīng)變是荷載應(yīng)變、混凝土收縮應(yīng)變和徐變應(yīng)變的總和，如果直接用所測得應(yīng)變按照(2)式計(jì)算得到的是混凝土結(jié)構(gòu)的“名義應(yīng)力”，而不是真實(shí)應(yīng)力，而由名義應(yīng)力直接計(jì)算得到的軸力轉(zhuǎn)換托柱的“名義軸壓力”。

　　轉(zhuǎn)換中柱的混凝土彈性模量按實(shí)驗(yàn)室測定值取2.72×104MPa，型鋼混凝土柱軸向剛度按《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 138-2001)中的疊加法計(jì)算。

　　由實(shí)測應(yīng)變換算得到轉(zhuǎn)換中柱的“名義軸壓力”如表1所示。由表可知施工第3層和第4層轉(zhuǎn)換中柱軸壓力增量分別為1151.1kN、1010.5kN，而根據(jù)粗略的估算，轉(zhuǎn)換中柱上部樓層自重荷載全部施加到中柱上也就400kN左右，這說明由實(shí)測的“名義應(yīng)變”直接計(jì)算的柱子軸力不能反映結(jié)構(gòu)真實(shí)受力情況。因此必須在實(shí)測應(yīng)變中扣除收縮徐變的影響，才能得到真實(shí)的荷載應(yīng)變。

　　4.2 混凝土收縮徐變對應(yīng)力分析的影響

　　混凝土的收縮是隨時(shí)間變化的，它的產(chǎn)生與應(yīng)力無關(guān)。根據(jù)Gardner和Lockman提出了預(yù)測混凝土經(jīng)時(shí)收縮和最終收縮的經(jīng)驗(yàn)公式(GL式)[2]，混凝土收縮應(yīng)變可以表達(dá)為：

　　式中： 為相對濕度(以小數(shù)表示); 為混凝土齡期(d); 為結(jié)束潮濕養(yǎng)護(hù)、干燥開始的齡期(d); 為體積/表面比(mm); 為28d混凝土抗壓強(qiáng)度(MPa)。對ASTM Ⅰ型水泥，K=1;對Ⅱ型水泥，K=0.70;對Ⅲ型水泥，K=1.15。

　　混凝土的徐變模式和計(jì)算方法很多，沒有統(tǒng)一的形式。當(dāng)前國內(nèi)比較常用的有CEB-FIP模式、BP模式、ACI209模式以及其它模式[5],這幾種模式考慮的影響因素不盡相同，得到的計(jì)算結(jié)果也不一樣。因?yàn)檫@些模式都是經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)公式，并且均是在特定的試驗(yàn)條件下獲得的，各有特點(diǎn)。

　　歐洲混凝土委員會(huì)和國際預(yù)應(yīng)力混凝土聯(lián)合會(huì)(CEB-FIP)于1978年提出的混凝土構(gòu)件平均徐變的表達(dá)式，目前國內(nèi)公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范也采用該模式，雖然型鋼混凝土構(gòu)件與鋼筋混凝土構(gòu)件混凝土徐變性能有一定的區(qū)別，但是國內(nèi)外關(guān)于型鋼混凝土徐變還沒有成熟的理論，所以本文考慮型鋼混凝土徐變時(shí)也采用規(guī)范中模式：

　　規(guī)范中各系數(shù)均用圖表形式給出，為方便程序計(jì)算，其各個(gè)圖表擬合后的公式如下式中， 和 是依周圍環(huán)境而定的系數(shù)， 是依理論厚度而定得系數(shù)，均可從規(guī)范表中直接查得; 為混凝土構(gòu)件截面面積; 為與天氣接觸得截面周邊長度。根據(jù)徐變理論[4]，徐變應(yīng)變的表達(dá)式為：混凝土在收縮徐變時(shí)會(huì)受到受力主筋、工字鋼的阻礙作用，所以計(jì)算型鋼混凝土收縮徐變影響時(shí)要乘以折減系數(shù)由表2可知，施工期內(nèi)，收縮應(yīng)變與徐變應(yīng)變都很大，50天齡期后徐變應(yīng)變超過收縮應(yīng)變。徐變應(yīng)變與收縮應(yīng)變和接近總應(yīng)變的一半。

　　轉(zhuǎn)換中柱軸壓力實(shí)測值、考慮收縮徐變后的修正值及考慮施工的理論值之間的比較。由圖可知，考慮收縮徐變后，實(shí)測值與Ansys模型計(jì)算值吻合較好，修正后實(shí)測值真實(shí)反映了型鋼轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)隨上部樓層增加的荷載變化情況，可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)超過8層后，后增荷載對轉(zhuǎn)換中柱的壓力增加較為有限，此時(shí)轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)結(jié)果已經(jīng)形成拱效應(yīng)。

　　5 結(jié) 論

　　(1)實(shí)測數(shù)據(jù)表明施工期收縮徐變變形顯著，收縮徐變應(yīng)變之和接近總應(yīng)變的50%左右，設(shè)計(jì)時(shí)必須予以考慮。施工某一樓層之前以下各層已產(chǎn)生的彈性變形及收縮徐變變形對該層構(gòu)件不產(chǎn)生影響，因此分析收縮徐變對高層建筑影響要考慮施工過程。

　　(2)型鋼(鋼筋)對混凝土收縮徐變變形有較大約束作用，計(jì)算收縮徐變量時(shí)要考慮型鋼(鋼筋)對混凝土的約束影響。

　　(3)應(yīng)用《公橋規(guī)》中的徐變系數(shù)模式，把相應(yīng)圖表擬合成方程后，可以方便的計(jì)算混凝土的徐變量。

　　(4)轉(zhuǎn)換層上部樓層超過8層后，后增荷載引起的轉(zhuǎn)換中柱的內(nèi)力增長非常有限，上部結(jié)構(gòu)形成拱效應(yīng)，可以認(rèn)為轉(zhuǎn)換梁中的內(nèi)力不再隨轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)樓層的進(jìn)一步改變而改變。

　　參考文獻(xiàn)：

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