贵阳市某钢结构雕塑的结构体系分析及其静荷载试验研究.pdf

第 3 9卷第6期 2 0 1 3年 1 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 4 5 贵阳市某钢结构雕塑的结构体系分析 及其静荷载试验研究 梁 影 ， 田蒙奎 ， 李 强 ， 申 波 ， 黄 伟 ， 薛守宝 ， 王澈泉 1 ． 贵州大学空间结构研究中心， 贵州 贵阳5 5 0 0 0 3 ； 2 ． 贵州弘波质量检测有限公司， 贵州 ， 贵阳5 5 0 0 0 3 摘要 针对贵阳市某钢结构雕塑静荷载试验， 分析了结构的受力特点， 总结了采用肋环型正交管桁架结构的优 势， 并根据工程实际情况， 确定了试验加载范围、 观测点及具体静荷载试验方案， 讨论了试验误差产生的原因。结 果表明 采用局部加载方案能够反映原设计活荷载作用效应， 在正常使用情况下该结构仍处于弹性工作阶段。 关键词 静荷载试验 ； 管桁架； 局部加载； 弹性 中图分类号 T U 3 9 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 3 0 6 0 4 5 0 5 S t r u c t u r a l s y s t e m ’ S a n a l y s i s a n d s t a t i c l o a d t e s t o f a s t e e l s t r u c t ur e s c u l p t u r e l o c a t e d a t c i t y o f Gu i y a n g L I A N G Y i n g ， T I A N Me n g k u i ， L I Q i a n g ， S HE N B o ， HU A N G We i ， XUE S h o u b a o ． W ANG Ch e q ua n 1 ． R e s e a r c h C e n t e r o f S p a c e S t r u c t u r e ， G u i z h o u U n i v e r s i t y ， G u i y a n g 5 5 0 0 0 3 ， C h i n a ； 2 ． G u i z h o u H o n g b o Q u a l i t y D e t e c t i o n C o m p a n y ， G u i y a n g 5 5 0 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n s t a t i c l o a d t e s t o f a s t e e l s t ruc t u r e s c u l p t u r e l o c a t e d a t c i t y o f Gu i y a n g， s t r u c t u r al me c h a n i c a l f e a t u r e s a r e a n aly s e d a n d t h e a d v a n t a g e s o f G e i g e r o r t h o g o n a l t u b e t r u s s i s s u m m a r i z e d ． A c c o r d i n g t o p r a c t i c al s i t u a t i o n o f t h e p r o j e c t ， t e s t l o a d i n g r a n g e ， o b s e r v a t i o n p o i n t s a n d t e s t i n g s c h e me are d e t e r mi n e d ． T h e c a u s e s o f t e s t e r r o r a r e d i s c u s s e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t l o c a l l o a d i n g s c h e me C an r e fl e c t t h e e f f e c t o f d e s i g n l i v e l o a d ． T h e s t ru c t u r e i s s t i l l i n e l a s t i c s t a g e u n d e r t h e n o rm a l s i t u a t i o n ． Ke y wo r d s s t a t i c l o a d t e s t ； t u b e t rus s ； l o c al l o a d； e l a s t i c 1 工程概况 本工程位于贵州省贵 阳市 ， 为钢结构工程 ， 建筑 结构安全等级为一级， 结构设计使用年限为 1 0 0年， 建筑抗震设防为重点设 防类 ， 抗震设防烈度为 6度 ， 设计地震分组为第一组， 地震基本加速度为0 ． 0 5 g ， 建筑场地类别为 Ⅱ类 。本工程 的基本 风压为 0 ． 3 5 k N ／ m ， 地面粗糙度为 B类。该建筑主体结构总高 度为 2 1 m， 上人楼面标高为 1 5 m， 楼面为椭圆形 ， 长 轴方向尺寸为 3 0 ． 6 m， 短轴方向尺寸为 2 3 ． 3 m， 建 筑面积约 5 5 0 m ； 屋面为椭 圆形扁壳 ， 长轴方 向尺 寸为 2 O ． 2 I n， 短轴方 向尺寸为 l 3 ． 2 In。整体结构立 面和整体结构平面分别如图 1 2 所示。 为 了保证该广场雕 塑在正常使用期 间的安全 性 ， 需对该工程进行静荷载试验 ， 以便确定该结构在 正常使用活荷载下的工作性能、 变形能力， 并对该钢 收稿 日期 2 0 1 2 -0 4 - 2 3 作者简介 梁影 1 9 8 6 一 ， 女， 河南荥阳人， 硕士研究生， 研究方向 为结构工程。 E m a i l l i a n g y i n g 02 0 7 1 6 3． c o n 图 1 整体结构立面 F i g ． 1 El e v a t i o n o f s t r u c t u r e 图2 整体结构平面 Fi g ． 2 P l a n o f s t r u c t u r e 结构工程的结构性能做出评价， 为该工程今后的安 全运行及维护提供科学依据。 四川建筑科学研究 第 3 9卷 2 结构形式 本工程为公共建筑 ， 结构形式采用 了管桁架结 构。管桁架节点形式简单， 外形简洁、 大方、 美观， 结 构轻巧 ； 在节点处各杆件直接焊接 ， 没有难于清刷 、 油漆 、 积留湿气及大量灰尘的死角和凹槽 ， 维护更加 方便 ， 并且钢管和大气接触表面积小 ， 易于防护； 管 桁架中的管形构件在全长和端部封 闭后 ， 内部也不 易生锈 ； 该工程 由于工期较紧， 采用管桁架结构施工 简单 ， 施工速度快。 2 ． 1 楼面结构 本工程建筑平面为椭圆形， 适合于此形状的空 间结构形式有 三 向交叉桁 架 系网架 、 三 角锥 网架 三角锥 网架 、 抽空三 角锥 网架 、 蜂 窝型三角 锥 网 架 、 正交正放管桁架结构等 。三向交叉桁架系 网架及三角锥网架结构刚度大， 用钢量也大 ； 两向正 交管桁架结构刚度小 ， 用钢量也小。该工程楼面根 据其建筑平面为椭圆形的特点采用 了肋环型正交管 桁架结构 ， 与正交正放管桁架结构相比， 此结构受力 均匀 ， 传力明确 。 1 采用 S A P 2 0 0 0软件对 比分析此结构和正交 正放管桁架结构， 其中平面管桁架用钢筋混凝土梁 替换 ， 结果表 明 ， 二 者总 的受 力状态 为 “ 拟 板式 ” 。 对肋环型正交管桁架结构 ， 环 向杆件主要 承受正弯 矩 图 3 a ； 径 向杆 件 主 要 承受 轴 压 力 图 3 b 。环向杆件、 径向杆件各司其职， 环向杆件主 要抵抗正弯矩 ， 径向杆件主要抵抗轴压力及负弯矩 ， 降低 了环向杆件承受 的压应力 ， 亦降低了结构 的用 钢量 。正交正放管桁架结构在荷载作用下 ， 短跨方 向为受力的主要方 向， 因此 内力主要沿着短跨方 向 分布 ， 弯矩和轴力集 中分布在结 构的 同一位置 ， 弯 矩 、 轴力如图 4 a 、 4 b 所示 。短跨方 向同时承受 最大的正负弯矩及轴压力 ， 短跨杆件承受 的压应力 最大 ， 亦增大了结构的用钢量。 a 弯矩 b 轴力 图 3 肋环 型正 交管桁架内力 Fi g ． 3 I n t e r n a l f o r c e d i a g r a m o f Ge i g e r o r t h o g o n al t ub e t r us s 2 楼面管桁架结构上下弦杆并不都互相平行， 下弦逐渐向上拱起， 形成类似于扁壳的结构， 楼面结 构高度在中部位置逐渐减小 图5 。整个楼面结构 在荷载作用下的简化模型如 图 6所示 ， 将斜柱 的支 座反力分解为图6中水平方向和竖直方向的支座反 一一 ／ 、＼ ， a 弯矩 b 轴力 图4正交正放管桁架 内力 F i g ． 4 I n t e r n al f o r c e d i a g r am o f o r t h o g o n a l s pa c e t ube t ru s s 力， 水平方向的支反力对结构的跨中产生负弯矩， 与 荷载作用下跨中产生的正弯矩相互抵消一部分， 因 此整个楼面结构跨中部分结构高度减小， 降低了结 构用钢量。 图 5 楼面 结构 下弦 F i g ． 5 Bo t t o m c h o r d s o f fl o o r s t ru c t u r e 图 6楼 面结构简化模 型 F i g ． 6 A s i m p l i fie d mo d e l o f flo o r s t ru c t u r e 2 ． 2屋盖结构 屋盖建筑平面同样为椭圆形 ， 采用环 向和径 向 的钢管相交组成扁壳结 构 ， 节点为相贯节点。在壳 体结构的周 围又由两道环向的管桁架通过系杆连接 在一起组成一道环梁 ， 屋 面结构立面和平面分别 如 图 7 8所示。与网壳相 比此结构节点形式简单 ， 造 型美观。整个屋盖的均布荷载和中部悬挂 吊钟产生 的集 中荷载通过环向和径向相交的钢管将荷载均匀 的传给周边的环梁 ， 然后通 过屋盖与楼面之间的 8 根钢斜柱直接将荷载传给下边 的柱子。整个屋盖结 构受力均匀 ， 传力直接 、 明确。 图 7屋面 结构 立面 Fi g ． 7 El e v a t i o n o f r o o f s t r u c t u r e 图 8 屋面 结构 平面 F i g ． 8 P l a n o f r oo f s t ru c t u r e ●． ～ ， _ 2 0 1 3 N o ． 6 梁影， 等 贵阳市某钢结构雕塑的结构体系分析及其静荷载试验研究4 7 3 试验方案 3 ． 1 试验检测项 目 现场采用静荷载试验测试该工程在设计试验荷 载下最不利位置处 的竖 向挠度 ， 包括楼面结构下弦 的竖向挠度和斜柱的竖向挠度； 同时观察检测各焊 接点的质量。 3 ． 2 试验加载范围的确定 规定 的楼 盖 容 许 挠 度 为 1 3 0 0 0 ／ 3 0 04 3 ． 3 3 mm， 悬挑结构容许挠度为 5 0 0 0 ／ 1 2 5 4 0 ． 0 0 mm_ 3 J 。 该结构在试验时， 楼面装修已基本完成， 结构在恒荷 载作用下的变形 已经产生。本试验的 目的是验证结 构在试验活荷载作用下 的变形是否超出理论值 ， 以 及变形是否进入塑性 阶段 ， 即在卸载结束后 结构的 变形是否能够完全恢复。因此 ， 必须找出结构在恒 、 活荷载作用下的最不利位置 ， 即变形最大的地方 ， 确 定试验测点 。 该工程要求尽快投入使用， 因此本静荷载试验 需在短时间内完成。设计要求本次试验采用试验荷 载为 2 k N ／ m ， 如果在整个上人楼面加载 ， 加载面积 为 5 5 0 m ， 共需施加活荷载 1 1 0 t ， 难 以在短时间 内完 成此荷载的加载， 因此考虑局部加载。 根据 3 D 3 S 1 0 ． 1 软件计算结果分析可知， 在整 a 楼面上弦竖向位移 个楼面加载 ， 楼 面活荷载采用荷载标准值 2 k N ／ m ， 恒荷载采用荷载标准值 6 k N ／ m 。在恒荷载标准 值、 满布活荷载标准值作用下， 结构竖向位移的最大 值出现在楼面的悬挑端， 上弦为2 9 ． 0 m m 图9 a 本工程建筑平面及结构形式双轴对称， 均布荷载 作用下的竖 向位移同样对称 ， 故只列 出了 1 ／ 4结构 的竖向位移 ， 下弦为 2 9 ． 3 mm， 斜柱 的竖向位移最 大值出现在斜柱的顶部， 为2 0 ． 4 m m 图9 b ， 因 此考虑局部加载范 围为楼面的悬挑部分 ， 加载 面积 为2 2 0 m 。在恒荷载标准值和局部试验活荷载标 准值作用下， 结构竖向位移的最大值同样出现在楼 面悬挑 端 ， 上 弦 为 2 9 ． 3 m m 图 1 0 a ， 下 弦为 2 9 ． 6 mm， 斜柱 的竖 向位移最大值 同样 出现在斜柱 顶部， 为 1 9 ． 4 m m 图 l 0 b 。对于楼面结构上下 弦， 恒荷载标准值 试验荷载标准值和原荷载标准 值作用下的竖向位移相差 1 ． 0 3 ％； 对于斜柱， 恒荷 载标准值 试验荷载标准值和原荷载标准值作用下 的竖向位移相差 4 ． 9 ％ 。由此可知 ， 采用 此局部活 荷载加载是可以反映原活荷载标准值作用效应的 ， 能正确模拟结构的正常使用工作状态。因此最终确 定加载范围为楼面的悬挑部分， 具体加载范围如图 1 1 所 示 。 b 楼面下弦及斜柱竖向位移 图9 恒载标准值 活载标准值楼面竖向位移 F i g ． 9 Fl o o r d e fl e c t i o n o f d e s i g n d e a d l o a d s l i v e l o a d s 3 ． 3 试验测点的确定 由3 D 3 S 1 0 ． 1软件计算结果可知， 在恒荷载标 准值和试验荷载标准值作用下， 楼面结构的竖向位 移最大值位于结构的悬挑端， 斜柱的竖向位移最大 值位于斜柱的顶端， 同时在斜柱从柱脚到柱顶约 2 ／ 3的位置， 斜柱的竖向位移较大， 因此试验测点的布 置如图 1 2所示 。 3 ． 4 试验具体方法的确定 考虑到本试验要求在短时间内完成， 如果加载 设备选择砂包， 每个砂包重 5 0 ， 共需 8 8 0 包， 此试 验楼面距离地面标高为 1 5 m， 人工搬运砂包加载卸 载工作量太大， 无法短时间完成； 若采用起吊设备， 又难以实现对称均匀加载。因此结合本工程所在位 置的地理条件， 选择加载设备为水， 每桶水重2 8 0 k g ， 2 0 1 3 N o ． 6 梁影 ， 等 贵阳市某钢结构雕塑的结构体系分析及其静荷载试验研究 4 9 表 2 现场测试结果 Ta b l e 2 Re s u l t s 0 f t e s t O O． 5 3 0． 9 l O 0． 9 3 2． 4 4 O 0． 5 2 1 ． 1 O 0 0． 2 2 O． 5 6 0 O． 2 l 0． 4 0 0 O． 3 3 O． 5 8 O O ． ． 6 2 0． 9 3 O O ． 5 7 I J 0 2 O 0． 2 3 0． 6 9 0 0． 4 1 0． 7 2 0 0． 3 7 0． 6 8 0 0． 4 9 0． 8 9 0 0． 3 3 0． 7 8 O 0 ． 1 6 O ． 6 9 O 0 ． 7 8 1 ． 7 6 0 0 ． 2 6 0 ． 6 8 O 0 ． 41 0 ． 8 3 O 0 ． 7 6 1 ． 1 3 O 0 ． 2 3 0 ． 6 8 O O ． 4 4 0 ． 9 3 O O ． 4 4 0 ． 8 9 0 O ． 3 2 0 ． 6 5 0 O ． 3 3 0 ． 5 6 0 O ． 4 4 O ． 7 8 1 ， 8 9 3 4． 2 3 7 1 ． 9 2 4 o． 7 8 l O． 6 1 l O． 8 9 1 1 ． 6 7 3 1 ． 9 3 3 1 ． 2 2 1 O． 9 3 l 1 ． 1 1 2 1 ． 5 5 2 1 ． 1 3 2 1 ． 0 2 l 4 ． 0 4 5 1 ． 2 6 2 1 ． 3 6 1 2 ． 2 8 3 1 ． 1 2 2 1 ． 7 9 3 1 ． 5 6 2 0 ． 9 6 l 0 ． 8 9 l 1 ． 3 5 l 44 4． 6 9 1 ． 6 5 o ． 3 6 O． O 3 2 2 8 ． ． 5 4 1 ． 9 7 o． 8 4 0． 0 3 0 2 5． 2 2 1 ． 8 2 0． 4 6 0． 0 2 6 5 3 ． 1 0 C 6 7 0． 1 9 0． 0 3 0 1 1 ． 6 5 0． 5 1 0． 1 8 0 ． 1 2 4 4 3 ． 6 5 0． 7 9 0． 2 2 0 ． O 1 4 4 5． 9 9 1 ． 4 9 0． 4 3 0 ． 0 9 6 7 6 ． 0 l 1 ． 5 2 0 ． 3 1 0． 1 7 9 3 2 ． 3 3 1 ． 0 2 0 ． 5 2 0． 0 2 6 5 2． 1 4 0． 7 6 o． 6 2 0． 0 9 04 2． 8 6 0． 9 8 0． 1 3 0． 1 0 2 2 3 ． 0 4 1 ． 4 2 0． 3 2 O ． 1 4 6 8 3 ． 6 9 o． 9 9 0． 1 7 0 l 1 7 9 2 ． 4 6 1 ． O l 0 ． 1 7 0． 0 1 3 6 8 ． 7 2 3 ． 9 5 0 ． 4 3 0 ． 1 0 2 4 4 ． 1 3 1 ． 4 7 o ． 1 7 0 ． 0 8 6 5 2 ． 7 4 1 ． 01 0 ． 21 0 ． O 2 44 4 ． 6 9 2 ． 0 7 0 ． 5 8 0 ． 04 01 3 ． 9 8 1 ． 0 2 0 ． 0 9 O ． O 6 01 4 ． 2 2 1 ． 4 3 0 ． 3 3 O ． 0 3 l 1 3 ． 6 5 1 ． 2 2 o ． 21 0 ． 0 1 3 9 2 ． 04 o ． 7 6 0 ， 1 2 o ． 01 3 7 1 ． 9 6 0 ． 7 6 0 ． 3 3 0 ． 3 2 9 7 2 ． 3 3 1 ． 1 4 0 ． 2 9 0 ． 0 9 注 表中观测值单位为 mm， 每个观测点对应 的观测值是连续两次不同荷 载等级观测结果的差值 ， 其中初始读数记为 0 。 从检测结果可知 ， 实测挠度在试验活荷载作用 下的最大值出现在观测点 1 5的位置， 为 8 ． 7 2 3 D 3 S 软件分析对应观测点 l 5 ， 在试验活荷载作用 下结构下弦竖向位移最大值为4 ． 2 m m 图 l 4 。 图 1 4 试 验活载作用下楼面下弦竖 向位移 F i g ． 1 4 De fl e c t i o n o f flo o r b o t t o m c h o r d s un de r t e s t l i v e l o a ds 理论结果与试验结果相差 4 ． 5 2 m m。分析此误 差产生的原因如下 1 试验时， 水桶在整个加载区域内并不是真正 的均布荷载， 而是相当于一个个的集中荷载作用在 加载范围内， 从而造成竖向位移与理论计算结果的 不一致 ； 2 由于楼面结构的标高为 1 5 m， 悬挂在观测点 下方钢尺的轻微水平摆动， 也易造成观测时的读数 误 差 。 虽然理论结果 与试验结果相差较大， 但从试验 观测结果可知， 结构在试验荷载作用下， 竖向位移仍 在弹性范围内， 在卸载结束以后， 变形基本能够完全 恢复。图 1 5显示 了随机选取的 3个观测点的荷载一 位移 曲线。从图中可知 ， 这 3个观测点加载和卸载 的路径基本上相同， 因此结构在试验荷载作用下仍 处于弹性工作状态。 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 位移／ mm 图 1 5 1 、 8 、 1 5 测点荷载一 位移曲线 F i g ． 1 5 Lo a d - d i s p l a c e m e n t c ur v e o f 1 、 8 、 1 5 p o i n t s 4 ． 2 连接点外观检测结果 在试验时以及试验结束后， 利用小手锤及放大 镜对连接节点外观进行 检查 ， 未发现节点连接有 松 动、 焊缝裂纹、 焊缝表面缺陷等。 5 结 论 本文通过对某具体工程的理论及静荷载试验结 果对比分析 ， 得出以下结论 1 结合本工程建筑平面特点采用的肋环型正 交管桁架结构受力合理， 传力直接、 明确； 2 确定试验加载范围及试验观测点时 ， 必须把 设计恒荷载考虑在内； 3 本试验 中采用 的局部加载方案是能够反 映 原设计活荷载作用效应的； 4 理论结果与试验结果虽有差距 ， 但结构在卸 载后具有较好的恢复能力 ， 说明结构在正常使用情 况下处于弹性状态 ， 具有较好的弹性工作性能。 参 考 文 献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 王秀丽． 大跨度空间钢结构分析与概念设计[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． 董石麟． 新型空间结构分析、 设计与施工[ M] ． 北京 人民交通 出版社 ， 2 0 0 6 ． J G J 7 --2 0 1 0空间网格 结构技术规程 [ s ] ． G B ／ T 5 0 6 2 1 --2 0 1 0钢结构现场检测技术标准[ s ] ． N I， 鞯耀 r ； 々 旷 _至 了