某體育館鋼桁架屋蓋卸載監(jiān)測研究

袁 程,任 珉,葉 茂

(廣州大學,廣東廣州 510006)

新興復雜土木工程結構的建設,如大跨空間結構、超高層建筑、地鐵、大型橋梁等在施工過程中,都存在結構受力體系轉換的問題,這就對施工技術提出了更高的要求,而施工階段風險率很高,因此上述復雜土木結構施工階段就成為結構安全的關鍵階段,為此對施工過程進行監(jiān)測,獲取重要部位的關鍵數(shù)據,掌握關鍵工序施工時結構的受力狀態(tài),,采取有效措施排除安全隱患,可有力的保障結構的施工過程安全[1]。

目前,上海源深體育館采用位移傳感器、振弦式應變計和索力動測儀等先進傳感測量儀器對施工過程中結構變形與構件截面應力進行監(jiān)測,效果良好[2]。上海松江大學城游泳館的鋼結構屋蓋也采用類似監(jiān)測方法,監(jiān)測結果表明結構的空間位置及形狀滿足設計要求[3]。廣州亞運城體操館鋼結構屋蓋施工難度大,為確保施工安全,首先采用有限元法對屋蓋鋼結構體系的安裝過程進行模擬分析,然后對屋蓋結構應力和變形情況進行監(jiān)測,結果表明有限元分析結果和監(jiān)測數(shù)據都為評估體操館的施工安全提供了重要依據[4]。

1 工程簡介

廣州國際體育演藝中心(如圖1所示)為符合NBA和AEG標準的大型綜合性體育場館,是繼北京五棵松體育館、上海世博會演藝中心之后全國第三個集體育、演藝活動為一體的大型綜合場館,體育館由屋面鋼結構屋架和混凝土主體結構組成。鋼結構屋架包括136 m×106 m的主場館屋架和110 m×20 m的訓練館屋架兩部分。主場館屋架鋼結構采用鋼桁架結構,縱橫桁架正交分布,主要由10榀跨度為79.7 m～106.2 m,高8.2 m～12.1 m的主桁架和兩榀跨度136.2 m,桁架高11.8 m的次桁架組成(如圖2所示)。

圖1 廣州國際體育演藝中心體育館效果圖

圖2 主場館屋架結構桁架布置圖

大跨度空間鋼結構施工過程是一個動態(tài)系統(tǒng),涉及結構或構件吊裝、滑移、提升,臨時支撐拆除卸載等,而施工中待裝結構構件的約束條件、荷載情況、力學模型與使用階段的設計約束條件、荷載情況、力學模型均有很大區(qū)別,結構構件受力復雜,不確定影響因素多,這些將引起結構桿件內力變化,并可能使結構構件損傷,而這些因素的影響又難以預先精確估計,所以需對大跨度空間鋼結構的施工過程進行監(jiān)控。

2 實施方案

為確保能夠有效得到廣州國際體育演藝中心鋼屋蓋結構施工過程中關鍵節(jié)點位移和關鍵桿件應力的變化趨勢,確保結構安全,需制訂詳實的鋼屋蓋結構施工過程監(jiān)測方案[5]。

2.1 測點布置及儀器

包括大跨鋼屋蓋結構桿件應力和節(jié)點位移的測點布置(如圖3、圖4所示),其中關鍵桿件包括上弦桿、下弦桿、斜腹桿,腹桿測點布置均距下弦節(jié)點150 cm,基康振弦式應變計均布置在桿件側面中和軸上,獲取屋蓋卸載施工時桿件的軸向應變;在屋蓋跨中、跨邊、支座關鍵處布置反光片,監(jiān)控屋蓋卸載施工過程中的關鍵節(jié)點位移,在具體實施方案中對測點進行了編號,此處不再詳述。

圖3 屋蓋結構應力測點布置圖

圖4 屋蓋結構位移測點布置圖

監(jiān)測儀器包括Micro-40應變自動采集儀、手持式基康-408人工讀數(shù)儀,以及瑞士徠卡TCA2003全站儀。

2.2 卸載過程

根據施工組織設計,胎架現(xiàn)場布置如圖5所示,胎架卸載點與屋蓋結構的位置關系如圖6所示,各卸載點卸載量見表1,共分7個卸載階段逐步均勻卸載。

圖5 胎架拆除前現(xiàn)場示意圖

圖6 胎架卸載點與屋面結構的位置關系

表1 各卸載點卸載量表

3 監(jiān)測結果分析

3.1 應變分析

為便于現(xiàn)場監(jiān)測,將各應力測點進行編號,其中,11、15、27、31 號傳感器對應下弦桿測點;12、16、20、24號傳感器對應上弦桿測點;13、17、21、25號傳感器對應于斜腹桿測點。將桁架吊裝前與卸載前測得關鍵點的兩次數(shù)據作差,通過模數(shù)轉換為應變的計算公式,得到監(jiān)測桿件應變的初始值。圖7、圖8和圖9分別給出了下弦桿、上弦桿及斜腹桿在廣州國際體育演藝中心大跨鋼屋蓋結構胎架卸載過程中的應變變化趨勢圖。

圖7 下弦桿應變變化對比圖

圖8 上弦桿應變變化對比圖

圖9 斜腹桿應變變化對比圖

圖7表明,卸載過程中,各個結構部位的下弦桿在卸載前、卸載中和卸載后均承受拉力,且受拉應變逐漸增大;各下弦桿的初始應變大約為50μ ε左右,從圖7中還明顯表明各下弦桿件應變發(fā)生了7次突變,各桿件相對于其初始安裝狀態(tài)的應變變化范圍為0～300μ ε,各鋼構件的應變增量與鋼材的屈服應變相比,桿件的應變變化都不大,都控制在結構設計的范圍之內。對應于7個卸載階段,即表明每次卸載結構下弦桿的內力都發(fā)生了重分布,并從側面驗證了本次應變監(jiān)測結果的有效性;在卸載完成之后,圖7還表明整個大跨屋蓋結構體系下弦桿內力分布趨于穩(wěn)定。

砂石料：按要求選用天然河砂和人工碎石，天然河砂產自麻城巴河，經人工淘洗保證含泥量滿足要求；人工碎石選用湖北陽新生產的5～10mm和10～20mm的石灰?guī)r碎石，天然河砂和人工碎石經檢測均滿足規(guī)范要求。

圖8表明,對于上弦桿,以在焊接拼裝時的內力分布為初始狀態(tài),初始應變量約為100μ ε左右。卸載過程中,上弦桿的內力都朝著受壓的方向發(fā)展,在卸載完后,所有上弦桿都處于受壓狀態(tài),通過以上對上弦桿的應變監(jiān)測分析表明,上弦桿件的受力不但是受壓越來越大,且部分桿件的受力性質都發(fā)生了變化,即從受拉狀態(tài)轉變?yōu)槭軌籂顟B(tài)。圖8也顯示出與圖7相同的7次應變突變。

圖9表明,卸載過程中,各個結構部位的下弦桿在卸載前、卸載中和卸載后均承受壓力,且受壓應變逐步增大;對于斜腹桿,初始應變量為20μ ε左右,卸載完后,各桿件相對于其初始安裝狀態(tài)的應變變化范圍為 50μ ε～ 200μ ε,與鋼材的屈服應變相比,其變化范圍在結構設計的控制范圍之內。

圖10給出了同一測點,Micro-40應變自動采集儀和手持式基康-408人工讀數(shù)儀的監(jiān)測結果對比,表明兩種儀器測得應變變化趨勢結果基本吻合,側面證明監(jiān)測儀器測得數(shù)據的準確性。

圖10 采集儀器分類應變對比圖

3.2 撓度分析

圖11給出了各榀桁架卸載后的豎向位移沉降。圖11表明,胎架拆除后,各榀桁架豎向位移沉降曲線的變化趨勢基本一致,且在自重和其他施工因素的作用下,跨度越大的桁架其豎向沉降位移越大,如邊跨桁架1與10、2與9,卸載后的豎向沉降位移明顯小于其他桁架;各榀桁架豎向位移沉降測量點包括各榀桁架跨中、跨邊和支座處,其中邊跨測點位于塔架支撐處,胎架對其影響最大,甚至超過跨中位置。

4 卸載實測結果與模擬分析結果對比

運用大型有限元軟件來對結構卸載過程進行模擬分析,能夠比較精確的得到結構卸載過程中所處受力狀態(tài),是現(xiàn)階段能較好預測結構卸載過程受力狀態(tài)變化的有效工具。

4.1 模擬方法

本文的施工卸載過程模擬在大型通用有限元軟件ANSYS中進行,鋼結構桿件用BEAM188單元建立模型,假定支座處均是鉸接,如圖12。由于屋蓋沒有大型機械施工,且無重物堆放,施工活荷載相對較小,故荷載僅為鋼梁自重。

圖12 ANSYS10.0模型示意圖

4.2 應力實測值與計算值對比

應力實測值是通過胎架卸載前后應變增量,再轉換為應力值;在胎架卸載前,集中對所有監(jiān)測點進行數(shù)據采集,保證了數(shù)據的一致性。圖13給出了理論值與實測值對比的相對誤差。

圖13 應力實測值與理論值的相對誤差圖

圖13表明,實測值與理論值相差并不大,相對誤差大多分布在20%之內,說明有限元施工模擬效果良好,有個別測點的誤差相對較大,產生誤差的原因有:①誤差率超過20%的測點均為下弦測點,說明在實際施工環(huán)境下結構受力體系的轉變對下弦桿的內力變化影響較大,因此誤差也較大;②計算模型只加載了屋蓋的自重,未考慮其他施工因素對桿件應力產生的影響;③在現(xiàn)場進行數(shù)據實測時,溫度有高低不等,甚至有高達20多度的溫差;④施工現(xiàn)場的焊接、吊裝等作業(yè)產生的噪音與振動都會給監(jiān)測結果帶來一定影響。

4.3 撓度實測值與理論值對比

圖14給出了3榀桁架撓度變化曲線的實測和模擬結果對比。

圖14表明,實測和模擬桁架撓度曲線的變化趨勢一致,同時也表明,由于未考慮施工荷載和部分屋蓋自重等因素的影響,僅計算自重鋼屋蓋結構自重荷載作用下的模擬結果相比于實測值要偏小,但誤差并不大,驗證了現(xiàn)場監(jiān)測結果的有效性。

圖14 撓度實測值與理論值對比圖

5 結 論

大跨度空間結構卸載前必須制定合理的卸載方案,充分考慮卸載順序、卸載量等因素對于結構卸載過程受力的影響[6]。本項目首先通過監(jiān)測卸載過程中結構關鍵部位應變和應力的變化趨勢,為結構卸載過程提供準確可靠的測試數(shù)據,正確評價卸載過程中結構的受力性能,并及時診斷結構構件出現(xiàn)的損傷情況,避免安全隱患;然后通過對比實測結果和模擬分析結果,驗證模擬方法的可靠性。主要結論如下:

(1)通過對上弦桿、下弦桿和腹桿的胎架卸載過程監(jiān)測表明,下弦桿在卸載前、卸載中和卸載后均承受拉力,且受拉應變逐步增大;對于上弦桿,在卸載前,大部分桿件受壓,但也有部分桿件受拉,卸載過程中,上弦桿的內力都朝著受壓的方向發(fā)展,在卸載完后,所有上弦桿都處于受壓狀態(tài);下弦桿在卸載前、卸載中和卸載后均承受壓力,且受壓應變逐步增大。

(2)上弦桿、下弦桿和腹桿應變在胎架卸載過程中均呈現(xiàn)出明顯的7次突變,與結構卸載的7個階段相對應,即表明每次卸載結構內力都發(fā)生重分布。

(3)卸載完后,整個大跨屋蓋結構體系下弦桿內力分布趨于穩(wěn)定。

(4)通過應力、撓度實測結果和模擬分析結果對比,表明模擬分析結果可大體反映大跨屋蓋結構在卸載過程中的內力重分布過程,可用于指導實際大跨屋蓋結構的卸載過程,但由于實際工程結構的復雜性,其誤差相對來說還比較大。

[1] 錢稼茹,張微敬,趙作周,等.北京大學體育館鋼屋蓋施工模擬與監(jiān)測[J].土木工程學報,2009,42(9):13-20.

[2] 劉晟,薛偉辰.上海源深體育館預應力張弦梁施工監(jiān)測研究[J].建筑科學與工程學報,2008,25(3):96-101.

[3] 常建新,周建民,陳順.大跨度空間鋼管桁架屋蓋的卸載過程模擬計算與控制[J].建筑施工,2007,29(5):325-327.

[4] 張海燕,石開榮.廣州亞運城體操館鋼結構屋蓋施工檢測及施工模擬分析[J].建筑技術,2010,41(7):614-616.

[5] 秦 杰,王澤強,張 然,等.2008奧運會羽毛球館預應力施工監(jiān)測研究[J].建筑結構學報,2007,28(6):83-91.

[6] 張啟偉.大型橋梁健康監(jiān)測概念與監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].同濟大學學報(自然科學版),2001,29(1):65-69.