基于施工全過程健康監(jiān)測的裝配式部分包覆鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系動力特性研究*

孫求知, 李亞明, 劉宏欣

(1 上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041；2 上海建筑空間結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，上海 200041)

0 引言

部分包覆鋼-混凝土組合構(gòu)件(簡稱PEC構(gòu)件)是通過在型鋼翼緣配置剪力連接件和澆筑混凝土而形成的新型組合構(gòu)件,具有預(yù)制率高、生產(chǎn)周期短、環(huán)境干擾少等顯著優(yōu)勢[1-3]。動力特性是結(jié)構(gòu)自身的固有性質(zhì)[4],自振頻率是陣型分解反應(yīng)譜法確定動力作用的重要參數(shù)[5],阻尼比是反映阻尼力對能量消耗的能力[6],其取值對結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要[7]。

迄今為止,已有許多關(guān)于PEC結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和應(yīng)用方面的研究。趙沖等[8]通過4個組合框架模型的低周往復(fù)荷載試驗,分析了其滯回曲線和骨架曲線的普遍規(guī)律。Mucedero等[9]采用數(shù)值分析方法研究了PEC框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)驗證了基于非彈性纖維的梁數(shù)值模型。夏遠洋等[10]建立12個帶PEC柱鋼框架結(jié)構(gòu)模型算例,并進行Pushover分析,發(fā)現(xiàn)在型鋼鋼柱中注入混凝土可以提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度、延性和承載能力。方有珍等[11]進行了3榀PEC柱-鋼梁通長預(yù)拉桿自復(fù)位連接組合框架的試驗,發(fā)現(xiàn)該設(shè)計理念可實現(xiàn)在中震作用下利用輔助耗能元件提供耗能,在大震作用下將連接轉(zhuǎn)換為承壓型傳力模式。吳承修等[12]進行了中柱失效工況下焊接連接鋼框架結(jié)構(gòu)的試驗,并采用部分包裹混凝土加固形成PEC結(jié)構(gòu),有效提升了鋼框架在抗連續(xù)倒塌承載力和變形能力方面的性能。

目前國內(nèi)對PEC結(jié)構(gòu)的研究較為廣泛,但針對實際典型工程案例基于動力監(jiān)測的施工全過程動力特性方面的研究尚顯不足,尤其是阻尼比取值是否合理尚未得到有效驗證。本文擬通過健康監(jiān)測和有限元分析技術(shù)手段,對施工全過程中PEC結(jié)構(gòu)體系進行應(yīng)力監(jiān)測和動力特性監(jiān)測,研究結(jié)構(gòu)體系自振周期、阻尼比的在施工過程中的變化,重點研究節(jié)點封閉前后動力特性的變化情況,為PEC梁柱節(jié)點設(shè)計提供有益的探索。

1 工程概況

世博文化公園東區(qū)雙子山項目位于上海市浦東新區(qū)雪野路以南。雙子山是一座景觀堆山建筑,為世博文化公園的主要組成部分,采用結(jié)構(gòu)空腔方法進行堆山設(shè)計。本工程采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系,其中空腔結(jié)構(gòu)規(guī)則框架采用部分包覆鋼-混凝土(PEC)框架,PEC梁、柱在工廠預(yù)制完成后先通過螺栓連接,再澆筑混凝土,剪力墻全現(xiàn)澆。該工程為國內(nèi)首次大規(guī)模采用PEC組合結(jié)構(gòu)的工程項目,由于項目特點,結(jié)構(gòu)頂部覆土荷載較大,因此采用大截面PEC結(jié)構(gòu)構(gòu)件,在施工過程中需要關(guān)注節(jié)點封閉前后結(jié)構(gòu)自振周期、結(jié)構(gòu)阻尼比及剛度變化等動力特性。

2 試驗方案

2.1 有限元模型

采用MIDAS/Gen軟件對結(jié)構(gòu)進行施工全過程有限元模擬分析,通過對比應(yīng)力監(jiān)測值和計算值,檢驗?zāi)Ｐ挽o力計算參數(shù)的合理性。MIDAS/Gen三維計算模型及監(jiān)測現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 MIDAS/Gen三維計算模型及監(jiān)測現(xiàn)場

2.2 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測方案

項目梁柱節(jié)點后澆區(qū)域為組合構(gòu)件協(xié)同工作薄弱位置,在施工過程和運營階段進行實時監(jiān)測,并分析梁柱后填充混凝土和鋼構(gòu)工作協(xié)同性,確保結(jié)構(gòu)安全性。在結(jié)構(gòu)2層、3層、5層、7層的PEC梁、PEC柱、后澆節(jié)點內(nèi)預(yù)埋應(yīng)變計,包括PEC節(jié)點及PEC梁型鋼上下翼緣位置的表面式應(yīng)變計、PEC柱型鋼腹板中心位置的表面式應(yīng)變計、各部位混凝土中的埋入式應(yīng)變計,具體布置如圖2所示。

圖2 PEC構(gòu)件應(yīng)變測點布置詳圖

應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測采用AIOT-A01BM102表面式應(yīng)變傳感器和AIOT01010103埋入式應(yīng)變計。對于型鋼表面式應(yīng)變計,在結(jié)合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB 50017—2017)[13]中的鋼材設(shè)計強度要求后,通過設(shè)置三級預(yù)警閥值來評估應(yīng)力數(shù)據(jù),其中黃色預(yù)警值、橙色預(yù)警值、紅色預(yù)警值分別為應(yīng)力σ達到設(shè)計強度的70%(210MPa)、80%(240MPa)、90%(270MPa)時的值。對于混凝土埋入式應(yīng)變計,在結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)[14]中的混凝土設(shè)計強度要求后,通過設(shè)置三級預(yù)警閥值來評估應(yīng)力數(shù)據(jù),其中黃色預(yù)警值、橙色預(yù)警值、紅色預(yù)警值分別為當(dāng)應(yīng)力σ達到設(shè)計強度的50%(10MPa)、70%(15MPa)、90%(17MPa)時的值。

2.3 動力特性監(jiān)測方案

結(jié)構(gòu)動力特性是反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的一個最重要、最直接的性能指標。在關(guān)鍵位置布置加速度傳感器可以獲取結(jié)構(gòu)的基本自振頻率和阻尼。根據(jù)施工階段和進度,在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置進行人工采集監(jiān)測數(shù)據(jù),進行模態(tài)參數(shù)分析,確定節(jié)點后澆混凝土對結(jié)構(gòu)的影響,并評估填充質(zhì)量。動力特性測點布置如圖3所示,選擇結(jié)構(gòu)樓層最高的一個柱子層布置測點。

圖3 動力特性測點布置圖

施工階段采用AIOT-A0601型加速度計進行動力監(jiān)測,并及時收集結(jié)構(gòu)振動數(shù)據(jù)以進行模態(tài)參數(shù)分析。通過統(tǒng)計后填充混凝土質(zhì)量來計算節(jié)點澆筑前結(jié)構(gòu)的動力特性理論值,與實測值進行比較,評估節(jié)點后澆筑對結(jié)構(gòu)的影響,同時通過節(jié)點澆筑前后4組數(shù)據(jù)的對比,評估后澆筑混凝土的施工質(zhì)量。加速度傳感器在項目運營階段仍保持實時監(jiān)測,以便進一步對PEC結(jié)構(gòu)體系長期的動力特性進行研究。

加速度傳感器安裝示意圖如圖4所示,以X向加速度傳感器為例:1)加工一塊尺寸為150×150×10的耳板,并對其表面進行清潔和平滑處理,以改善安裝耦合并提高高頻響應(yīng);在耳板中心部位預(yù)先安裝一枚M5普通螺栓,長8mm,使其軸線與測試方向保持一致。2)將耳板沿Y向通過螺栓連接安裝至需要測加速度信息的梁/墻部位的表面。3)將傳感器擰入耳板螺栓中,安裝后傳感器與安裝面應(yīng)緊密貼實,不應(yīng)有縫隙。4)將傳感器保護罩通過焊接連接安裝至耳板上,保護罩中心要提前預(yù)留好數(shù)據(jù)線出口。

圖4 加速度計安裝示意圖

2.4 監(jiān)測階段

選取4個主要施工階段進行應(yīng)力應(yīng)變分析,分別為:施工階段1,對應(yīng)測點位置的框架梁柱和剪力墻施工完成;施工階段2,對應(yīng)測點位置的樓板澆筑完成;施工階段3,對應(yīng)測點的節(jié)點澆筑完成;施工階段4,結(jié)構(gòu)頂部覆土完成。

選取3個關(guān)鍵施工階段進行動力特性分析,分別為:施工階段1,樓板澆筑完成;施工階段2,節(jié)點澆筑完成;施工階段3,結(jié)構(gòu)頂部覆土完成。

3 PEC結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)試驗結(jié)果

3.1 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)全過程施工模擬應(yīng)力云圖如圖5所示,可以看出,覆土完成后,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為232.26MPa,小于295MPa,結(jié)構(gòu)受力滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB 50017—2017)的強度要求。受文章篇幅限制,僅選取了部分典型的測點進行分析。其中,節(jié)點后澆區(qū)型鋼梁翼緣應(yīng)力增量的監(jiān)測結(jié)果和計算結(jié)果如圖6所示,型鋼梁腹板中部應(yīng)力增量的監(jiān)測結(jié)果和計算結(jié)果如圖7所示,節(jié)點后澆區(qū)框架梁和框架柱混凝土位置的應(yīng)力增量如圖8所示。

圖5 結(jié)構(gòu)全過程施工模擬應(yīng)力云圖/MPa

圖6 型鋼梁翼緣應(yīng)力增量絕對值對比圖

圖7 型鋼梁腹板中部應(yīng)力增量絕對值對比圖

圖8 混凝土應(yīng)力增量絕對值對比圖

通過對圖6～8進行分析,可得出以下結(jié)論:

(1)鋼結(jié)構(gòu)和混凝土應(yīng)力計算值與實測值存在一定差異,但整體趨勢相似,且在結(jié)構(gòu)頂部覆土完成時的應(yīng)力增量差別不大,說明結(jié)構(gòu)施工全過程仿真模擬計算具有合理性,但在指導(dǎo)結(jié)構(gòu)施工和設(shè)計時需考慮不同誤差的影響,如早齡期混凝土具有過大的收縮量,現(xiàn)場施工電磁場或臨時荷載變化等。

(2)隨著施工進展,各測點的應(yīng)力整體呈增大趨勢。其中,2層、3層與5層型鋼梁翼緣在樓板澆筑完成前后應(yīng)力變化較大,7層型鋼梁翼緣在開始覆土后應(yīng)力變化較大。2層型鋼梁腹板在樓板澆筑完成前后應(yīng)力變化較大,3層、5層與7層型鋼梁腹板在開始覆土后應(yīng)力變化較大。不同位置的混凝土均是在樓板澆筑完成前后與節(jié)點澆筑完成前后發(fā)生較大變化,其他期間應(yīng)力波動較小。

(3)結(jié)構(gòu)施工全過程的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果表明,在整個施工過程中,鋼材應(yīng)力實際監(jiān)測結(jié)果均小于295MPa,符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB 50017—2017)的強度要求,梁柱型鋼及節(jié)點后澆區(qū)型鋼具備安全可靠性;C30和C40級別的混凝土應(yīng)力實際監(jiān)測結(jié)果分別小于14.3MPa和19.1MPa,滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)對強度要求,確保了混凝土的安全可靠性。

3.2 動力特性監(jiān)測結(jié)果分析

受文章篇幅限制,僅選取了一條軸上的測點進行分析,自振頻率計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果如圖9、10所示。位移功率譜密度平方根的監(jiān)測結(jié)果峰值對應(yīng)的頻率,即為該方向結(jié)構(gòu)的基本自振頻率,結(jié)合自振頻率的軟件計算值,可以求出監(jiān)測值和計算值的相對誤差=(計算值-監(jiān)測值)/計算值,如表1所示。結(jié)構(gòu)的阻尼比實測值如表2所示。由圖9、圖10、表1和表2分析可知:

表1 自振頻率計算值

表2 阻尼比實測值

圖9 東西方向在施工階段自振頻率計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果

圖10 南北方向在施工階段自振頻率計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果

(1)在整個施工過程中,結(jié)構(gòu)基本自振頻率計算值與實測值間的相對誤差波動較大,范圍為1.06%～14.68%,有限元模擬結(jié)果能在一定程度上反應(yīng)結(jié)構(gòu)施工過程中自振頻率的變化。

(2)節(jié)點后澆區(qū)混凝土澆筑前后,結(jié)構(gòu)的自振周期和阻尼比變化較小;而覆土完成后,結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼比均有所增加。這是由于在節(jié)點后澆區(qū)混凝土澆筑完成后結(jié)構(gòu)質(zhì)量雖然增加,但是剛度也相應(yīng)有所提高,結(jié)構(gòu)剛重比變化不大,自振周期和阻尼比變化也較小。而覆土完成后,結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加明顯,剛重比變小,自振周期和阻尼比響應(yīng)增大。

(3)在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,以0.04作為阻尼比取值,該數(shù)值小于施工完成后實測阻尼比最小值0.046,說明結(jié)構(gòu)阻尼比取值偏向安全。

4 結(jié)論

通過對裝配式PEC結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和有限元模擬結(jié)果進行分析,可以得到以下結(jié)論:

(1)有限元模擬結(jié)果與實測值存在一定誤差,但整體趨勢相似,說明結(jié)構(gòu)施工全過程仿真模擬計算具有合理性,但在指導(dǎo)結(jié)構(gòu)施工和設(shè)計時需考慮不同誤差的影響。

(2)在整個施工過程中,關(guān)鍵部位的型鋼應(yīng)力實際監(jiān)測結(jié)果均小于295MPa;混凝土應(yīng)力實際監(jiān)測結(jié)果分別小于14.3MPa和19.1MPa,均滿足強度要求。

(3)節(jié)點后澆區(qū)混凝土澆筑前后,結(jié)構(gòu)自振周期和阻尼比差別較小;覆土完成后,結(jié)構(gòu)的自振周期和阻尼比均較之前有所增大。

(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計時,阻尼比取0.04,均小于施工完成后的阻尼比實測值最小值0.046,阻尼比取值偏于安全且合理。

(5)對于PEC組合框架-剪力墻結(jié)構(gòu),節(jié)點區(qū)域封閉前后動力特性差別不大,根據(jù)監(jiān)測及有限元分析結(jié)果,在阻尼比取4%的前提下,可以考慮節(jié)點不采用混凝土封閉,但節(jié)點區(qū)域應(yīng)進加強措施。