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摘要：在我国快速发展的过程中，我国的科技发展史覅恩迅速，某活动中心5单元为典型的大悬挑结构，为改善结构性能、减小悬臂侧挠度，对结构施加了预应力。该结构施工过程较为复杂，为保证施工的安全进行，对其关键施工过程进行了有限元数值模拟及施工监测。通过分析，确定了合理的预应力施加方案，保证了结构的安全施工，同时也验证了施加预应力对减小悬臂侧挠度具有显著效果。
关键词：预应力;数值模拟;施工监测;悬挑结构
引言
近年来国内外出现了大量追求强烈视觉冲击的体型复杂的多高层结构，其中有很大一部分需要结构采用大悬挑实现其立面和空间的凸凹效果和丰富变化。已建成结构中，悬挑长度超过10m的已较为常见，超过20m的也有相当数量，其中最大的悬挑跨度已达75m(CCTV新址，。与此形成鲜明对比的是，现有文献大都针对的是大悬挑屋盖(特别是钢屋盖)，而对多高层结构中的大悬挑进行的系统研究相当少。对各种悬挑方案进行综合分析和比较，选出适合具体项目的最优悬挑方案，是结构工程师面临的问题。
1工程概况
某活动中心5单元(效果图如图1所示)位于天津市津南区南开大学新校区内，结构采用框架-剪力墙结构体系，最大悬挑长度达22.75m。其纵向受力构件主要由两榀巨型伸臂钢桁架组成，形状类似“扁担”。由于悬挑结构一般会在悬臂侧产生较大的挠度，故需要对该结构悬臂侧挠度进行控制。为了减小悬臂侧的竖向位移，在两榀伸臂桁架中各施加1600kN预拉力，根据施工特点，将伸臂桁架划分为张拉侧与悬臂侧。悬挑结构本身就是受力复杂的结构，再加上预应力的施加，给施工带来了更大难度。
图1效果图
2有限元施工过程模拟分析
2．1有限元模型的建立
本结构采用一次性建模法进行施工过程分析，用通用有限元软件MidasGen对结构整体模型(图4)进行建立，并用软件中施工过程分析的“激活”与“钝化”功能进行施工过程模拟。其“激活”与“钝化”主要包括对单元、荷载及边界的操作。对单元进行“激活”操作，表明使相应激活的单元的质量刚度等特性参与到有限元模型的计算当中。同理，对荷载及边界的“激活”操作表明使相应的荷载及边界参与到计算当中。相反，“钝化”功能是使相应的单元、荷载及边界退出有限元模型的计算。故其“激活”、“钝化”功能可以完美地模拟结构在施工过程中单元、荷载及边界的变化情况。
2.2施工方案的比选
本文主要通过对2种预应力施加方案对结构产生的不同影响进行分析来评价方案的优劣。为了更清楚说明2种方案对结构带来的影响，将不施加预应力的施工方案也进行有限元数值模拟，并将2种不同的预应力施加方案以其为参照进行对比。由于在结构中施加预应力主要是为了减小悬臂侧的节点位移，故将三者在胎架拆除后的节点位移进行对比和分析。
2.3三角钢托架平台的设计、安装技术要点
(1)依据建筑结构荷载规范以及高空悬挑处混凝土结构设计图纸，计算荷载值，以确定预埋件的埋设楼层、埋设位置和钢托架的榀数，确定型钢横挑主梁、主斜撑杆、小斜向拉杆的型号和规格;(2)在确定的楼层结构相应位置处埋设锚筋型预埋件;(3)待搭设三角钢托架的楼层混凝土强度达到设计等级后，搭设第一层三角钢托架，斜撑杆采用焊接方式与横向框架主梁顶面和侧面的预埋件连接;为了方便工人施工操作、保障施工安全，还需要在原外墙脚手架外侧拼搭外脚手架，拼搭的外脚手架搭高至屋顶;(4)三角钢托架上焊接槽钢檩条、铺设花纹钢板，花纹钢板上在钢檩条位置处焊接短钢筋;(5)搭设第二个三角钢托架:此处的主斜撑杆需要穿越楼层中事先预留出的方洞与型钢横挑主梁焊接，钢横挑主梁则应放置在支座处的加高钢垫板上，使得钢横挑主梁与其下面的楼面完全脱开，以保证此钢托架上的荷载能够直接传递到框架主梁上。
2.4挠度变形过大的处理及预防措施
本工程为现浇混凝土框架结构，预应力混凝土梁、普通框架梁、框架柱及楼板整体浇筑，模板支撑体系为承插式满堂脚手架，混凝土强度达到模板拆除要求时，项目部考虑脚手架施工成本及工程进度，将预应力混凝土梁、普通框架梁及楼板支撑体系一并拆除，在预应力混凝土梁底局部搭设支撑体系，预应力筋张拉施工后进行拆除。施工中质检人员发现局部搭设的钢管支撑在预应力张拉前已有较大的变形，通过对悬挑梁端位移进行测设，下沉位移为67mm，该预应力悬臂梁悬臂长12m，最大允许变形限值l0/400=2×12000/400=60mm，变形已经超过规范规定的要求。
3预应力施加过程模拟值与监测值的对比分析
结构在预应力施加过程中，需要将4根钢骨混凝土柱进行切割，该过程结构的冗余度在不断地减少，结构的稳定性在逐渐地变弱，因此，给现场施工带来了一定难度。为确保该施工过程中结构的稳定与安全，在用有限元软件对其进行施工模拟的基础上，对其施工过程进行应变实时监测。本次监测采用稳定性较好的振弦式应变传感器。结合本工程预应力施加特点，在分析中主要将预应力施加的施工过程划分为7个施工阶段，具体如下:①CS1阶段，柱切割前;②CS2阶段，柱1切割;③CS3阶段，柱2切割;④CS4阶段，柱3切割;⑤CS5阶段，柱4切割;⑥CS6阶段，柱3预应力施加;⑦CS7阶段，柱4预应力施加。从施工过程的有限元模拟结果与监测结果均可以看出，预应力施加过程对悬臂侧杆件的应力变化影响较小，主要对张拉侧的部分杆件影响较大。实测值低于模拟值主要有两个原因，一方面是由于内力传递的滞后性，另一方面则是由于有限元软件计算的理想性与保守性导致。总体来说，模拟结果与实测结果吻合较好，证明了采用有限元软件对结构进行施工过程模拟的可行性。从监测结果来看，除直接进行张拉的杆件应力变化较大以外，其余各杆件应力变化非常平缓。有限元模拟结果表明，预应力施加结束后结构中杆件的最大应力为134MPa，远低于其材料的强度设计值。故可以确定此过程的施工是安全的。
结语
本文主要通过有限元软件MidasGen对南开大学大学生活动中心5单元预应力施加过程进行施工过程数值模拟，并在施工中对其进行应变监测，主要得到如下结论:1)通过有限元软件分别对不同的预应力施加方案进行了模拟分析，对其结果进行对比分析，确定了最终预应力施加方案。有限元软件对施工方案的比选具有重要意义，本文可为今后的类似工程提供参考。2)有限元分析结果表明，采用方案二的预应力施加方案可使悬臂侧最大节点位移减小15.8%，可见预应力的施加对减小节点位移发挥了重要作用。3)预应力施加过程有限元软件的模拟值与实测值吻合较好，证明了采用有限元软件对结构进行施工过程模拟的可行性。同时，有限元模拟可对施工过程中结构的稳定性及安全性进行较好的预测。4)通过有限元模拟与施工监测相结合，为该工程的施工提供了重要技术支持，确保了预应力施加过程中结构的安全。
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论文作者:陈璐
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/20
标签：预应力论文; 结构论文; 过程论文; 有限元论文; 悬臂论文; 荷载论文; 位移论文; 《防护工程》2019年第3期论文;