1、建 筑 结 构 学 报 Journal of Building Structures 第 31卷 第 4期 2010年 4月Vol131 No14 Ap r12010 001文 章 编 号 : 100026869 (2010) 0420001209深 圳 大 运 会 体 育 中 心 体 育 场 整 体 模 型 承 载 力 试 验 研 究郭 彦 林 1 , 窦 超 1 , 王 永 海 1 , 曹 平 周 2 , 刘 琼 祥 3 , 倪 绍 文 4 , 郭 满 良 3 , 叶 虔 4 , 李 兴 武 4(1. 清 华 大 学 土 木 工 程 系 , 北 京 100084; 2. 河 海 大 学 土
2、 木 工 程 学 院 , 江 苏 南 京 210098;3. 深 圳 市 建 筑 设 计 研 究 总 院 , 广 东 深 圳 518031; 4. 深 圳 市 建 筑 工 务 署 , 广 东 深 圳 518031)摘 要 :深 圳 世 界 大 学 生 运 动 会 体 育 中 心 体 育 场 屋 盖 钢 结 构 采 用 “ 单 层 折 面 空 间 网 格 ” 结 构 体 系 。 本 文 通 过 建 立 “ 预 堆 载 的 自平 衡 加 载 体 系 ” ,采 用 “ 手 动 葫 芦 分 级 分 组 张 拉 ” 、“ 位 移 初 控 2内 力 微 调 ” 的 加 载 方 案 完 成 了 体 育 场
3、大 比 例 整 体 模 型 承 载 力 试验 ,研 究 了 模 型 刚 度 变 化 过 程 及 最 终 承 载 力 ,观 察 其 薄 弱 部 位 及 对 应 破 环 模 式 ,并 采 用 有 限 元 方 法 对 结 果 进 行 了 分 析 和 评价 。 研 究 结 果 表 明 ,考 虑 几 何 非 线 性 、 材 料 非 线 性 的 有 限 元 分 析 与 模 型 试 验 结 果 吻 合 较 好 ;单 层 折 面 空 间 网 格 结 构 具 有 足够 的 刚 度 和 安 全 储 备 ,但 由 于 结 构 自 身 特 点 ,其 承 载 力 往 往 受 个 别 高 拉 应 力 构 件 强 度 所
4、控 制 ;承 受 较 大 拉 弯 作 用 的 构 件 与肩 峰 节 点 的 连 接 部 位 易 发 生 局 部 破 坏 ,成 为 整 体 结 构 的 薄 弱 环 节 ,这 些 部 位 在 设 计 中 要 留 有 足 够 的 富 裕 度 ,施 工 中 严 格 控制 焊 接 缺 陷 ,保 证 其 具 有 足 够 的 塑 性 变 形 能 力 。关 键 词 :单 层 折 面 空 间 网 格 结 构 ; 整 体 模 型 试 验 ; 自 平 衡 加 载 体 系 ; 分 级 分 组 张 拉 ; 极 限 承 载 力中 图 分 类 号 : TU39313 TU312 文 献 标 志 码 : AExperimen
5、tal investigation of integral scaled model onload2carrying capacity of main stadium ofShenzhen Universiade Sport CenterGUO Yanlin1 , DOU Chao1 , WANG Yonghai1 , CAO Pingzhou2 , L IU Q iongxiang3 , N I Shaowen4 ,GUO Manliang3 , YE Q ian4 , L I Xingwu4(1. Department of Civil Engineering, Tsinghua Univ
6、ersity, Beijing 100084, China;2. College of Civil Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;3. Shenzhen General Institute of A rchitectural Design 4. Bureau of Public Works of Shenzhen Municipality, Shenzhen 518031, China)Abstract: A new type of structural system named as single2layer fol
7、ded2p lane spatial reticulated structure wasadop ted in the steel roof of main stadium in Shenzhen Universiade Sport Center. An experimental investigation ofintegral structural scaled model was carried out. The loading with a p re2stacked self2balancing loading system andthe scheme of stretching in
8、batch and grade using manual chain hoists , controlling by disp lacement firstly2thenadjusting by inner force , was conducted to study the stiffness variation and load2carrying capacity of the model. Theweak regions and failure mechanism were observed and investigated accordingly. Test results agree
9、 with analyticalresults by FEM, indicating that single2layer folded2p lane spatial reticulated structure has enough integral stiffness andsafety factor, however the load2carrying capacity is determ ined by individual members in high tension stress. Theconnection of members under high tension force a
10、nd bending moment with joints in shoulder apex is the weak region ofthe whole structure, therefore the regions should be much concerned and the welding quality should be controlledstrictly during construction.Keywords: single2layer folded2p lane spatial reticulated structure; integral scaled model t
11、est; self2balancing loadingsystem; stretching in grade and batch; load2carrying capacity作 者 简 介 :郭 彦 林 (1958 ) ,男 ,陕 西 富 平 人 ,工 学 博 士 ,教 授 。 E2mail: gyl tsinghua1edu1cn通 讯 作 者 :窦 超 (1984 ) ,男 ,陕 西 咸 阳 人 ,博 士 研 究 生 。 E2mail: douc06mails1thu1edu1cn收 稿 日 期 : 2009年 8月1更多相关资料 http:/ 概 述深 圳 世 界 大 学 生 运 动
12、会 体 育 中 心 位 于 龙 岗 区 奥体 新 城 东 北 部 ,主 要 由 一 场 两 馆 三 个 建 筑 组 成 ,用 于2011年 世 界 大 运 会 主 会 场 。 体 育 场 位 于 中 心 南 部 ,北 面 为 体 育 馆 与 游 泳 馆 (图 1)。图 1 大 运 会 体 育 中 心 效 果 图Fig. 1 Perspective of Universiade Sport Center体 育 场 为 轴 对 称 马 鞍 形 结 构 ,建 筑 平 面 为 椭 圆型 ,尺 寸 约 为 300m 285m。 钢 结 构 屋 盖 基 于 建 筑 师水 晶 石 造 型 的 设 计 构 思
13、 ,采 用 了 新 型 “ 单 层 折 面 空 间网 格 ” 钢 结 构 体 系 (图 2)。 整 个 屋 盖 由 20个 形 状 相近 的 结 构 单 元 构 成 ,悬 挑 长 度 约 为 5119 6814m,马鞍 形 屋 面 最 大 高 差 约 11m 1 。图 2 体 育 场 结 构 局 部 示 意 图Fig. 2 Structural sketch of part of main stadium体 育 场 屋 盖 由 众 多 三 角 形 网 格 围 绕 马 鞍 面 呈 空间 折 面 相 连 而 构 成 ,并 且 网 格 均 为 单 一 构 件 ,而 不 是具 有 上 下 弦 的 桁
14、架 ,因 此 称 为 “ 单 层 折 面 空 间 网 格 ”结 构 。 空 间 折 面 形 成 后 ,其 面 内 刚 度 削 弱 ,面 外 刚 度增 加 ;水 平 和 竖 向 荷 载 通 过 空 间 折 面 结 构 中 主 构 件的 拉 、 压 、 弯 传 递 到 底 部 支 座 ,主 构 件 或 拉 弯 或 压 弯 ,传 力 路 径 明 确 。典 型 单 元 在 竖 向 荷 载 作 用 下 的 受 力 如 图 3 所示 。 竖 向 荷 载 作 用 下 ,由 于 空 间 效 应 形 成 环 向 合 力 ,为 结 构 单 元 提 供 抗 倾 覆 力 矩 ;单 元 内 部 拉 压 (弯 )构件 形
15、 成 传 力 体 系 。体 育 场 主 构 件 采 用 圆 形 钢 管 截 面 ,最 大 外 径1200mm,最 小 外 径 700mm,厚 度 为 100mm 至 10mm不 等 。 在 每 个 空 间 三 角 斜 面 内 ,箱 型 截 面 的 次 结 构图 3 结 构 单 元 受 力 示 意 图Fig. 3 Load2bearing sketch of typ ical unit交 叉 形 成 三 角 形 网 格 梁 ,最 大 尺 寸 600mm 400mm,最 小 尺 寸 450mm 150mm。主 构 件 之 间 采 用 铸 钢 节 点 (个 别 为 焊 接 节 点 )连接 ;次 构
16、件 与 主 构 件 采 用 耳 板 和 销 栓 形 成 面 外 铰 接 ,主 构 件 在 折 面 平 面 内 受 次 构 件 的 约 束 作 用 ,增 加 了稳 定 性 能 。 结 构 底 部 20个 支 座 采 用 理 想 的 球 铰 支座 ,部 分 节 点 形 式 见 图 4。图 4 体 育 场 节 点 示 意 图Fig. 4 Perspective of joints作 为 一 种 创 新 的 结 构 ,单 层 折 面 空 间 网 格 结 构的 计 算 和 设 计 暂 无 相 对 成 熟 的 理 论 作 指 导 。 本 文 对大 运 会 体 育 场 进 行 了 大 比 例 整 体 模 型
17、 试 验 ,通 过 破坏 性 加 载 得 到 的 荷 载 2位 移 曲 线 ,研 究 了 模 型 刚 度 变化 过 程 及 最 终 承 载 能 力 ,观 察 其 薄 弱 部 位 及 对 应 破环 模 式 ,并 与 有 限 元 数 值 分 析 结 果 进 行 比 较 ,验 证 了计 算 模 型 和 有 限 元 分 析 方 法 的 合 理 性 和 可 靠 性 ,为检 验 结 构 设 计 的 可 靠 性 以 及 对 结 构 即 将 进 行 的 深 化设 计 提 供 指 导 和 依 据 。 试 验 地 点 位 于 江 苏 沪 宁 钢 机厂 区 。1 试 验 模 型 设 计 与 制 作综 合 考 虑 试
18、 验 场 地 、 试 验 构 件 加 工 难 易 程 度 、 结构 极 限 承 载 力 与 加 载 能 力 等 多 方 面 因 素 ,模 型 比 例采 用 1 10。 缩 尺 后 的 整 体 模 型 ,平 面 尺 寸 3010m 2815m,高 414m 2 (图 5)。2图 5 体 育 场 结 构 整 体 模 型Fig. 5 Integral scaled model of main stadium111 主 次 构 件 设 计体 育 场 原 型 屋 盖 钢 结 构 由 20个 相 似 的 折 面 单 元构 成 。 每 个 单 元 中 有 6种 不 同 外 径 的 圆 管 主 构 件 ,每根
19、 主 构 件 根 据 不 同 的 受 力 性 能 和 受 力 大 小 ,沿 轴 线分 段 变 壁 厚 ,截 面 从 1200 100到 700 10不 等 ,种 类 多 达 37种 ;次 构 件 同 样 根 据 不 同 区 域 不 同 受 力 ,有 7种 箱 形 截 面 尺 寸 ,为 600 400 30 8、 400 250 12 12等 。由 于 构 件 截 面 种 类 较 多 ,按 照 精 确 的 1 10模 型比 例 缩 尺 ,很 多 尺 寸 的 构 件 在 市 场 上 无 现 成 产 品 且无 法 现 场 加 工 制 作 ;此 外 ,有 些 构 件 精 确 缩 尺 后 壁 厚较 薄
20、,施 焊 性 较 差 。 因 此 ,确 定 模 型 构 件 尺 寸 时 ,考虑 到 采 购 、 加 工 等 实 际 因 素 ,按 照 截 面 特 性 等 效 ,将尺 寸 相 近 的 截 面 归 并 。 由 于 主 构 件 均 为 压 弯 构 件 ,归 并 时 兼 顾 截 面 面 积 及 惯 性 矩 参 数 ,对 于 承 受 轴 力为 主 的 构 件 ,截 面 面 积 为 主 要 考 虑 因 素 ;次 构 件 对 主构 件 起 面 内 支 持 作 用 ,由 于 主 要 承 受 轴 力 ,故 考 虑 面积 等 效 。通 过 对 精 确 缩 尺 模 型 的 构 件 截 面 归 并 处 理 ,主构 件
21、 截 面 种 类 由 原 来 的 37种 减 少 为 8种 ,次 构 件 截面 种 类 由 原 来 的 7种 减 少 为 3种 ,确 保 了 模 型 制 作 的可 实 施 性 和 加 工 效 率 (表 1)。表 1 试 验 模 型 构 件 尺 寸Ta b le 1 S ize o f m em be rs in m o de l类 别 精 确 缩 尺 /mm 归 并 尺 寸 /mm 惯 性 矩之 比 截 面 积之 比主构件120 10 121 10 1100 1100120 715 121 8 0191 1100120 515 121 5 0194 0192110 415 114 4 1100
22、 0193100 415 108 4 1114 019790 3 89 4 0177 018080 2 76 3 1123 114070 316 70 4 0191 0192次构件 60 40 310 018 60 60 210 210 0170 60 30 215 018 50 50 115 115 0182 40 25 112 112 30 30 115 115 0188112 节 点 与 支 座 处 理考 虑 模 型 节 点 加 工 的 方 便 性 和 经 济 性 ,原 型 结构 的 铸 钢 节 点 采 用 焊 接 球 节 点 来 模 拟 ,主 构 件 等 强相 贯 焊 于 球 节 点
23、上 ;次 构 件 端 部 通 过 一 段 一 字 板 与主 构 件 焊 接 ,板 面 外 弯 曲 刚 度 较 弱 ,用 来 模 拟 主 次 结构 在 折 面 面 外 的 铰 接 连 接 ; 20个 支 座 采 用 碗 式 球 铰 ,与 原 型 结 构 一 致 ,由 于 试 验 工 况 下 支 座 无 上 拔 力 ,故可 行 有 效 (图 6) 3 。图 6 试 验 模 型 节 点Fig. 6 Joints of integral test model为 了 使 主 构 件 直 接 焊 接 于 球 节 点 ,避 免 二 者 之间 相 贯 而 增 加 焊 接 的 难 度 ,同 时 为 焊 接 施
24、工 留 有 足够 的 作 业 空 间 ,根 据 节 点 处 焊 接 球 与 汇 交 构 件 的 几何 尺 寸 关 系 ,确 定 球 节 点 的 直 径 ,并 建 立 精 细 3D模型 进 行 控 制 和 调 整 。113 材 料 参 数 的 确 定体 育 场 原 型 结 构 中 主 构 件 为 Q390钢 材 ,次 构 件为 Q345钢 材 ,由 于 市 场 上 无 法 采 购 到 Q390等 级 的缩 尺 后 管 材 ,因 此 整 体 试 验 模 型 中 均 采 用 Q345钢材 。 材 性 试 验 结 果 显 示 钢 管 材 料 的 屈 服 强 度 约 为350MPa,抗 拉 强 度 约
25、为 520MPa,伸 长 率 为 23% 33% (表 2)。表 2 钢 管 材 性 试 验 结 果Tab le 2 M a te ria l p rop e rty fo r p ip e s in te st试 件 截 面 屈 服 强 度 /MPa 抗 拉 强 度 /MPa 伸 长 率 /%70 4 350 520 291076 3 346 515 311589 4 350 530 3015108 4 355 510 3310114 4 375 560 2510121 5 340 510 2615121 8 335 500 2415121 10 335 520 2310 60 60 210
26、 210 310 530 2810 50 50 115 115 305 515 3110 30 30 115 115 325 520 301532 整 体 模 型 承 载 力 试 验本 模 型 试 验 体 量 较 大 ,无 法 在 试 验 室 完 成 ,故 在室 外 进 行 。 在 制 订 试 验 方 案 时 需 要 解 决 荷 载 状 态 的模 拟 、 加 载 设 备 的 选 择 、 加 载 体 系 的 建 立 和 加 载 控 制方 案 的 确 定 等 四 方 面 关 键 问 题 。211 荷 载 状 态 的 模 拟大 跨 空 间 结 构 的 主 要 荷 载 除 自 重 等 恒 荷 载 外
27、,还 有 风 荷 载 及 地 震 作 用 。 本 工 程 地 处 深 圳 ,根 据 结构 形 式 的 特 点 ,与 地 震 作 用 相 比 ,风 荷 载 将 起 控 制 作用 ,故 试 验 荷 载 参 数 取 设 计 方 提 供 的 “ 恒 荷 载 +活 荷载 +风 荷 载 ” 不 利 工 况 。 其 中 恒 荷 载 与 活 荷 载 对 称分 布 ,详 见 表 3,试 验 中 未 考 虑 结 构 立 面 荷 载 及 内 环 、马 道 的 线 荷 载 。 此 外 ,由 于 结 构 特 殊 的 折 面 体 型 ,不同 折 面 区 域 风 压 分 布 十 分 复 杂 ,风 荷 载 根 据 体 育 场
28、模 型 风 洞 试 验 的 结 果 取 值 4 。表 3 原 型 结 构 恒 、 活 荷 载 设 计 值Tab le 3 D e sign va lue o f lo ad o f o rig ina l struc tu re分 区 恒 荷 载 活 荷 载屋 面 内 环 檩 条 、 PC板 0125kN /m2内 环 线 积 水 0130kN /m检 修 荷 载 0130kN /m2商 业 吊 挂 0120kN /m2屋 面 外 环 檩 条 、 PC板 0130kN /m2 检 修 荷 载 0130kN /m2膜 结 构 0115kN /m2 商 业 吊 挂 0120kN /m2结 构 立
29、面 檩 条 、 玻 璃 幕 0165kN /m2膜 结 构 0115kN /m2 马 道 2111kN /m 0160kN /m为 了 模 拟 结 构 上 的 竖 向 分 布 荷 载 ,考 虑 试 验 方案 的 合 理 性 、 可 行 性 ,将 分 布 荷 载 等 效 为 集 中 荷 载 ,施 加 至 屋 面 主 结 构 焊 接 球 节 点 以 及 部 分 主 构 件 中 点处 ,共 80个 受 力 点 ,来 模 拟 实 际 受 力 情 况 (图 7)。图 7 加 载 点 示 意Fig. 7 Sketch of loading points为 了 实 现 分 布 荷 载 等 效 为 集 中 荷
30、 载 ,建 立 原 型结 构 的 有 限 元 模 型 。 将 模 型 中 对 应 80个 相 应 加 载 点的 位 置 施 加 竖 向 约 束 ,在 “ 恒 荷 载 +活 荷 载 +风 荷载 ” 工 况 下 进 行 求 解 ,提 取 相 应 竖 向 约 束 反 力 ,再 按照 1 100的 比 例 缩 放 ,作 为 试 验 中 80个 加 载 点 的 等效 集 中 荷 载 值 。 由 于 篇 幅 原 因 仅 给 出 试 验 模 型 内 圈20个 加 载 点 的 等 效 设 计 荷 载 (表 4) ,节 点 编 号 同 图 7中 单 元 编 号 。表 4 试 验 模 型 内 圈 节 点 集 中
31、荷 载 设 计 值Tab le 4 D e sign va lue o f lo ad fo r inne r no de s节 点 编 号 荷 载 设 计 值 /kN 节 点 编 号 荷 载 设 计 值 /kN1 215 11 3102 215 12 3103 310 13 3104 315 14 3155 315 15 3156 315 16 3157 315 17 3108 310 18 3109 310 19 21510 310 20 210为 了 评 价 荷 载 等 效 的 准 确 性 ,对 分 布 荷 载 作 用下 屋 盖 内 环 20个 节 点 挠 度 值 与 等 效 集 中 荷
32、 载 下 相 应的 挠 度 值 进 行 比 较 (图 8) ,结 果 表 明 二 者 大 小 及 分 布相 近 ,因 此 上 述 集 中 荷 载 的 等 效 方 法 能 够 比 较 合 理地 模 拟 结 构 在 上 述 工 况 下 的 受 力 性 能 。图 8 两 种 荷 载 模 式 下 内 环 挠 度 比 较Fig. 8 Comparison of deflections of inner ringbetween two loading modes212 加 载 设 备 的 选 择本 试 验 加 载 点 众 多 ,给 加 载 方 式 的 选 取 带 来 了难 度 。 通 常 的 加 载 方
33、式 有 重 物 加 载 法 、 千 斤 顶 2分 配梁 法 等 。 其 中 ,重 物 加 载 简 单 易 行 ,但 对 于 大 加 载 量的 试 验 不 适 用 ,且 极 限 状 态 时 无 法 自 动 卸 载 ,安 全 性较 差 ;千 斤 顶 2分 配 梁 加 载 可 以 实 现 自 动 控 制 ,荷 载 数据 可 自 动 记 录 ,但 由 于 设 备 数 量 限 制 不 适 用 于 加 载点 众 多 的 试 验 ,若 采 用 多 级 分 配 梁 又 会 使 荷 载 施 加精 度 大 大 降 低 。考 虑 到 室 外 试 验 设 备 条 件 不 足 、 加 载 量 大 、 加 载4点 多 、
34、 各 点 荷 载 大 小 不 一 ,通 常 的 重 物 加 载 以 及 千 斤顶 2分 配 梁 加 载 方 案 均 很 难 实 施 ,因 此 最 终 选 择 采 用“ 手 拉 葫 芦 2分 配 梁 ” 的 张 拉 加 载 方 式 (图 9)。 手 拉 葫芦 相 比 千 斤 顶 设 备 ,容 易 获 得 ;同 重 物 加 载 相 比 ,具有 加 载 能 力 大 ,极 限 状 态 能 自 适 应 卸 载 等 特 点 5 。图 9 “ 手 拉 葫 芦 2分 配 梁 ” 加 载 方 式Fig. 9 Loading method using manual chain hoistsand distribu
35、tion beam s213 加 载 体 系 的 建 立由 于 室 外 场 地 没 有 反 力 基 础 来 抵 消 手 拉 葫 芦 的张 拉 索 力 ,因 此 建 立 由 模 型 与 底 部 刚 性 交 叉 梁 系 形成 的 自 平 衡 体 系 ,提 供 试 验 所 需 反 力 ,并 在 模 型 中 心开 口 场 地 内 预 先 堆 载 钢 板 进 行 配 重 。 自 平 衡 加 载 体系 包 括 堆 载 重 物 、 底 梁 系 统 (包 括 径 向 梁 和 开 口 处 纵横 梁 系 )、 手 拉 葫 芦 、 分 配 梁 、 测 力 板 (吊 杆 )等 部 分(图 7、 10) ,其 中 堆
36、载 重 物 和 底 梁 系 统 提 供 体 系 所 需要 的 加 载 能 力 储 备 ,测 力 板 为 机 加 工 、 尺 寸 精 确 的 拉杆 ,其 上 贴 有 应 变 片 ,用 以 量 测 试 验 加 载 时 各 点 所 施加 荷 载 的 大 小 。图 10 预 堆 载 自 平 衡 加 载 体 系Fig. 10 Pre2stacked self2balancing loading system为 了 防 止 加 载 时 支 座 滑 移 ,现 场 设 置 支 座 环 梁将 20个 支 座 连 接 加 固 ,同 时 底 部 梁 系 的 径 向 底 梁 可消 除 支 座 的 径 向 位 移 。
37、经 有 限 元 计 算 ,加 载 过 程 中支 座 滑 移 量 小 于 2mm,可 以 被 有 效 控 制 。通 过 建 立 自 平 衡 加 载 体 系 ,解 决 了 试 验 反 力 的问 题 ,同 时 重 物 堆 载 量 计 算 值 的 一 半 可 以 通 过 模 型支 座 的 反 力 将 其 抵 消 ,使 实 际 堆 载 重 量 大 大 减 少 ,从而 方 案 更 具 有 可 操 作 性 (图 11)。图 11 自 平 衡 加 载 体 系 受 力 简 图Fig. 11 Sketch of load carrying of self2balancingloading system214 加
38、载 控 制 方 案(1)加 载 方 式 的 确 定手 拉 葫 芦 加 载 方 案 带 来 了 如 下 难 题 :相 比 千 斤顶 加 载 ,不 能 直 接 地 准 确 控 制 施 加 的 荷 载 ;不 如 重 物加 载 方 式 简 单 明 确 。 采 用 手 动 葫 芦 施 加 拉 力 ,是 通过 拉 动 手 拉 链 使 承 重 索 缩 短 而 实 现 的 (图 12) ,无 法直 接 控 制 所 施 加 的 拉 力 。本 试 验 使 用 无 锡 市 瑞 特 起 重 机 械 有 限 公 司 生 产的 HS型 100kN手 拉 葫 芦 。 在 不 考 虑 承 重 索 的 弹 性变 形 情 况 下
39、 ,手 拉 链 下 拉 量 与 上 下 挂 钩 距 离 缩 短 量之 间 有 固 定 的 关 系 ,即 手 拉 链 下 拉 1m,挂 钩 之 间 距 离缩 短 3mm。 现 场 随 机 对 部 分 葫 芦 进 行 了 标 定 ,结 果与 上 述 数 据 吻 合 。图 12 HS型 100kN芦 示 意 图Fig. 12 Sketch of manual chain hoist of HS 100kN type试 验 中 可 以 根 据 手 拉 葫 芦 的 特 点 ,将 “ 力 加 载 ”转 化 为 “ 位 移 加 载 ” (图 13)。 通 过 计 算 和 控 制 每 级荷 载 下 手 拉 葫
40、 芦 的 手 拉 链 下 拉 量 ,来 控 制 上 下 挂 钩之 间 的 位 移 量 ,实 现 40个 手 拉 葫 芦 加 载 点 的 “ 位 移加 载 ” 。 与 “ 位 移 加 载 ” 对 应 的 “ 加 载 力 ” ,则 是 间 接通 过 现 场 测 力 板 上 的 应 变 数 据 换 算 得 到 ,用 来 检 测荷 载 是 否 达 到 预 计 的 大 小 与 精 度 。(2)加 载 顺 序 的 确 定现 场 可 以 利 用 的 加 载 能 力 为 100kN的 手 拉 葫 芦40只 ,采 用 分 配 梁 将 80个 受 力 点 转 化 为 40个 手 拉葫 芦 张 拉 加 载 点 。
41、手 拉 葫 芦 分 为 内 圈 与 外 圈 两 组 ,各 20只 。参 与 试 验 的 加 载 人 员 只 有 20人 ,因 此 40只 手 拉5图 13 位 移 加 载 示 意 图Fig. 13 Sketch of disp lacement loading in test葫 芦 不 能 同 时 进 行 张 拉 加 载 。 每 一 级 荷 载 不 是 同 时一 次 性 施 加 于 结 构 之 上 ,而 是 需 要 按 照 一 定 的 次 序分 批 加 载 。每 一 级 荷 载 下 ,可 供 选 择 的 加 载 顺 序 为 “ 先 张 拉内 圈 手 拉 葫 芦 、 再 张 拉 外 圈 手 拉
42、葫 芦 ” 或 者 相 反 。 无论 那 种 张 拉 顺 序 ,对 先 张 拉 的 手 拉 葫 芦 必 须 施 加 超张 拉 。 文 献 6 研 究 表 明 ,“ 先 外 再 内 ” 的 张 拉 方 式 中手 拉 葫 芦 超 张 拉 幅 度 较 大 ,索 力 变 化 剧 烈 ,对 于 加 载设 备 十 分 不 利 。 故 最 终 试 验 选 取 每 级 加 载 下 “ 先 张拉 内 圈 葫 芦 ,再 张 拉 外 圈 葫 芦 ” 的 张 拉 顺 序 。 图 14为 试 验 加 载 现 场 照 片 。图 14 试 验 加 载 现 场Fig. 14 Test site(3)加 载 全 过 程 分 析
43、由 于 本 试 验 采 用 手 拉 葫 芦 分 级 分 组 张 拉 的 位 移加 载 方 式 ,内 外 圈 葫 芦 相 互 影 响 ,张 拉 第 二 组 葫 芦时 ,先 张 拉 的 葫 芦 必 然 有 一 定 程 度 的 卸 载 ,试 验 加 载过 程 极 其 复 杂 ,因 此 必 须 进 行 加 载 过 程 计 算 分 析 ,以确 定 详 细 的 加 载 步 骤 、 提 供 每 级 荷 载 下 各 个 手 拉 葫芦 需 要 下 拉 的 长 度 数 据 ,指 导 现 场 加 载 。为 此 ,本 试 验 建 立 了 “ 位 移 2荷 载 双 控 ” 的 拉 索 分级 分 组 张 拉 算 法 ,对
44、 张 拉 加 载 过 程 预 先 进 行 了 模 拟分 析 ,其 详 细 研 究 参 见 文 献 6 。根 据 有 限 元 模 拟 分 析 结 果 ,为 兼 顾 试 验 精 度 和效 率 ,在 荷 载 2位 移 曲 线 的 线 性 段 ,每 级 荷 载 增 量 可 以取 一 个 单 位 荷 载 量 (设 计 荷 载 定 义 为 一 个 单 位 荷载 ) ;根 据 现 场 实 时 反 馈 的 测 试 结 果 ,当 结 构 进 入 非弹 性 阶 段 时 ,减 小 每 级 荷 载 增 量 为 1 /3单 位 荷 载 量 ,以 得 到 足 够 的 非 线 性 段 数 据 。(4)加 载 误 差 控 制
45、由 于 试 验 中 各 手 拉 葫 芦 的 张 拉 不 可 能 做 到 同 步和 准 确 无 误 ,每 一 级 加 载 初 始 张 拉 完 毕 后 ,各 加 载 点的 荷 载 与 理 论 目 标 荷 载 存 在 差 别 ,必 须 对 其 进 行 调整 ,直 至 满 足 加 载 精 度 要 求 。 然 而 现 场 调 整 不 能 盲目 进 行 ,文 献 6 在 对 “ 张 拉 误 差 对 锁 定 索 力 影 响 ” 的全 面 评 估 基 础 上 ,给 出 了 本 轮 初 始 张 拉 完 成 后 的 补拉 调 整 值 ,以 进 行 该 轮 张 拉 的 索 力 微 调 。本 试 验 采 用 “ 位
46、移 初 控 2内 力 微 调 ” 的 现 场 试 验控 制 原 则 :在 张 拉 手 拉 葫 芦 进 行 “ 位 移 加 载 ” 的 基 础上 ,每 级 加 载 稳 定 后 ,即 时 得 到 各 个 测 力 板 的 拉 力 数据 ;依 据 测 力 板 数 据 与 目 标 荷 载 的 差 值 ,调 整 局 部 手拉 葫 芦 的 内 力 ,直 至 加 载 达 到 预 期 精 度 。 加 载 流 程见 图 15。图 15 现 场 试 验 每 级 荷 载 下 的 加 载 流 程Fig. 15 Loading flowchart of each load stage during site test(5
47、)试 验 测 试 方 案现 场 测 试 部 分 主 要 内 容 包 括 : 在 分 配 梁 端 部的 测 力 板 正 反 面 上 布 置 应 变 片 ,作 为 测 力 元 件 ,用 以监 测 试 验 过 程 中 各 点 施 加 的 拉 力 大 小 ,确 定 是 否 达到 预 计 的 加 载 水 平 与 精 度 ; 位 移 测 点 分 为 竖 向 测点 和 水 平 测 点 ,竖 向 测 点 主 要 检 测 开 口 内 环 的 挠 曲情 况 ,水 平 位 移 测 点 布 置 在 背 峰 点 及 肩 峰 点 处 (图16) ; 应 变 测 点 根 据 计 算 结 果 ,布 置 在 代 表 性 单 元
48、的 受 力 较 大 构 件 中 部 的 上 下 表 面 ,检 测 其 应 力 及 内力 发 展 情 况 ,如 单 元 7、 11、 19的 主 构 件 。试 验 中 记 录 结 构 的 变 形 情 况 ,随 时 观 察 其 薄 弱的 部 位 ,包 括 个 别 构 件 的 变 形 发 展 情 况 、 最 先 破 坏 的位 置 、 破 坏 形 式 等 。3 试 验 结 果 及 分 析在 上 述 加 载 方 式 下 ,试 验 模 型 的 变 形 规 律 为 :最6图 16 位 移 测 点 布 置 图Fig. 16 Layout of disp lacement gauging points大 竖 向
49、 位 移 位 于 开 口 内 环 长 轴 节 点 ,破 坏 时 的 最 大位 移 约 140mm,水 平 位 移 相 对 较 小 ,量 值 仅 约 为 竖 向位 移 的 1 /10;外 立 面 肩 峰 点 水 平 位 移 最 大 ,其 幅 值 约为 15mm;通 过 布 置 在 模 型 支 座 处 压 弯 斜 向 主 构 件 的挠 度 千 分 表 可 以 看 到 ,构 件 中 部 出 现 明 显 的 挠 曲 变形 ,说 明 这 类 构 件 产 生 较 大 的 弯 矩 作 用 。模 型 试 验 最 终 破 坏 于 11号 单 元 中 拉 力 最 大 主 构件 (5号 构 件 )与 焊 接 球 节 点 的 连 接 处 (图 17) ,从 基底 总 反 力 2位 移 曲 线 来 看 (图 19) ,结 构 塑 性 发 展 不 是很 充 分 ,但
