裝配式大跨徑木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)安裝數(shù)值仿真與監(jiān)測(cè)技術(shù)*

程 驥，陳亞麗，龔晉德

(中建新疆建工(集團(tuán))有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

張弦梁結(jié)構(gòu)體系是一種大跨度預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系，是一種自平衡的混合結(jié)構(gòu)受力體系。該受力體系是通過(guò)中間撐桿與下弦拉索將上弦(剛性構(gòu)件)、拉索(柔性構(gòu)件)聯(lián)系在一起，是混合結(jié)構(gòu)發(fā)展過(guò)程中一個(gè)比較成功的受力體系。

裝配式大跨徑木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)相對(duì)于剛性張弦梁結(jié)構(gòu)而言，具有整體抗側(cè)剛度弱、穩(wěn)定性差、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、受力復(fù)雜、施工難度大等顯著技術(shù)難點(diǎn)。同時(shí)，施工方需依據(jù)設(shè)計(jì)方提供的安裝施工完成時(shí)的索力和形狀(施工完成態(tài))完成仿真模擬和數(shù)值計(jì)算，得到施工開(kāi)始時(shí)結(jié)構(gòu)的形態(tài)(施工初始態(tài))，判斷木結(jié)構(gòu)安裝施工完成后及索張拉后是否滿足索力和形狀的要求(施工完成態(tài))。施工方也需依據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果實(shí)時(shí)監(jiān)控安裝施工過(guò)程中索力及結(jié)構(gòu)形狀的變化，及時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)糾偏，確保索力和形狀(施工完成態(tài))滿足設(shè)計(jì)方要求。

本文依托工程項(xiàng)目，著重對(duì)裝配式大跨徑木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)張拉過(guò)程監(jiān)測(cè)、張拉過(guò)程受力分析等方面進(jìn)行闡述，模擬了動(dòng)態(tài)安裝施工過(guò)程和實(shí)時(shí)索力監(jiān)控等施工關(guān)鍵技術(shù)。該工程不僅滿足了設(shè)計(jì)對(duì)建筑外形的要求，而且實(shí)現(xiàn)了建筑功能，同時(shí)作為精品工程增加了社會(huì)效益，對(duì)促進(jìn)大空間木結(jié)構(gòu)施工領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步和管理水平提高具有十分重要的意義。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

浙江大學(xué)國(guó)際聯(lián)合學(xué)院(海寧國(guó)際校區(qū))一期工程綜合體育館是由上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋和下部混凝土結(jié)構(gòu)組成的大型體育場(chǎng)館。整體建筑呈結(jié)構(gòu)對(duì)稱布置，一側(cè)為訓(xùn)練館，一側(cè)為游泳館，中間采用大跨徑木質(zhì)張弦梁連接為整體。整體建筑立面如圖1所示。

圖1 建筑立面

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該綜合體育館上部張弦梁結(jié)構(gòu)的建筑面積約為2 041m2，1層，木拱頂部結(jié)構(gòu)標(biāo)高為19.170m，為5榀木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)，跨徑達(dá)45.6m，每榀間距9m，本工程跨徑及間距為國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)的裝配式木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)。張弦梁結(jié)構(gòu)由上部張弦梁段、下部拉索1、中間斜向撐桿1、中間斜向撐桿2及拉索2組成。上部張弦梁結(jié)構(gòu)支承于預(yù)留的混凝土柱牛腿上，牛腿結(jié)構(gòu)標(biāo)高14.950m。牛腿一端設(shè)置固定盆式橡膠支座，一端為單向活動(dòng)盆式橡膠支座。橡膠支座與頂部銷軸、下部預(yù)埋板通過(guò)施加周圍焊縫連接為整體。張弦梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 張弦梁結(jié)構(gòu)示意

每榀木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)由6段強(qiáng)度等級(jí)為TCT24的同等組合花旗松層板膠合木木梁組成，每?jī)啥文玖褐g通過(guò)30mm厚Q235B鋼材的連接板與8.8級(jí)M30普通螺栓連接而成。木結(jié)構(gòu)選材為花旗松層板膠合木，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為二級(jí)，使用年限為50年。分段標(biāo)高對(duì)稱分別位于17.436，18.748，19.170m位置處，結(jié)構(gòu)中間部位有2個(gè)材質(zhì)為Q235B的斜向撐桿2與拉索1通過(guò)索頭連接，連接節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 木梁連接節(jié)點(diǎn)

張弦梁下弦拉索及平面內(nèi)交叉支撐拉索采用國(guó)產(chǎn)帶PE護(hù)套平行鋼絲束拉索，破斷強(qiáng)度 1 570MPa，索設(shè)計(jì)承載力<0.5fptk，國(guó)產(chǎn)平行鋼絲束拉索彈性模量取1.9×105MPa，按DG/TJ 08-019—2005《建筑結(jié)構(gòu)用索應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》選用。

1.3 施工方案比選

目前裝配式大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)施工通常有2種方案： ①方案1 大跨徑張弦梁段先在地面拼裝為整體，以榀為單元進(jìn)行吊裝，待吊裝就位安裝次梁等附屬構(gòu)件后，張拉拉索至設(shè)計(jì)值，完成結(jié)構(gòu)安裝；②方案2 在大跨徑張弦梁段吊裝就位，在高空中散件組裝拼接成1榀大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)，分次完成每榀張弦梁結(jié)構(gòu)的吊裝，待次梁等附屬構(gòu)件全部安裝完成后，對(duì)拉索進(jìn)行張拉。

方案1相較于方案2簡(jiǎn)單、安全風(fēng)險(xiǎn)小、無(wú)須搭設(shè)胎架、工程造價(jià)低，但由于裝配式大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度小且每榀張弦梁結(jié)構(gòu)之間無(wú)連系，易出現(xiàn)平面外失穩(wěn)等情況。方案2在高空安裝、需搭設(shè)胎架、張拉時(shí)結(jié)構(gòu)形成體系，需克服整個(gè)屋面自重，因此，方案2的張拉力較大，張拉作業(yè)強(qiáng)度及難度也相應(yīng)較大。

本工程采用有限元方法進(jìn)行力學(xué)分析與計(jì)算，輔助結(jié)構(gòu)施工方案的選型。取單榀桁架，用SAP2000模擬計(jì)算，單榀張弦梁在第1～4模態(tài)均為平面外失穩(wěn)，至第5模態(tài)才呈現(xiàn)平面內(nèi)失穩(wěn)。而在實(shí)際施工過(guò)程中，張拉完成起吊時(shí)的動(dòng)力效應(yīng)和吊裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)偏心帶來(lái)的側(cè)向擾動(dòng)會(huì)超過(guò)仿真模擬預(yù)估數(shù)值。方案2在張拉施工時(shí)已完成拼裝的次梁等附屬構(gòu)件可約束每榀張弦梁結(jié)構(gòu)，更利于結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定。綜上計(jì)算結(jié)果，本工程選用方案2。

2 施工工藝原理與工藝流程

2.1 施工工藝原理

本工程采用非線性有限元方法建立裝配式大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)的三維動(dòng)態(tài)施工模型，進(jìn)行施工仿真時(shí)程分析時(shí)考慮柔性構(gòu)件拉索的大變形特點(diǎn)。根據(jù)施工方案中安裝順序，張弦梁結(jié)構(gòu)有限元模型中部分結(jié)構(gòu)單元(如某榀張弦梁的吊裝完成)被激活，部分結(jié)構(gòu)單元(如拆除臨時(shí)支撐)被鈍化。同時(shí)，根據(jù)施工方案中拉索的張拉順序和張拉荷載，張弦梁結(jié)構(gòu)承受的施工荷載(如拉索不同時(shí)刻的張拉力)也被更新。由于張弦梁結(jié)構(gòu)中柔性結(jié)構(gòu)拉索的幾何非線性特點(diǎn)，不同的施工方案對(duì)應(yīng)的施工仿真模擬的結(jié)果也不同，說(shuō)明非線性結(jié)構(gòu)具有路徑相關(guān)性。本工程采用非線性有限元方法仿真結(jié)果指導(dǎo)張弦梁結(jié)構(gòu)的安裝施工過(guò)程，選擇合理的安裝施工方案，確定柔性構(gòu)件拉索張拉的力度和加載階次，符合PDCA項(xiàng)目管理方法中對(duì)預(yù)先計(jì)劃的要求。

張弦梁結(jié)構(gòu)安裝施工過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控原理是依據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果對(duì)安裝施工過(guò)程中張弦梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行信息化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)拉索的索力及結(jié)構(gòu)形狀的變化及時(shí)進(jìn)行糾偏，符合PDCA項(xiàng)目管理方法中對(duì)過(guò)程監(jiān)測(cè)及糾偏的要求。

選取典型張弦梁，每榀測(cè)試張弦梁上弦跨中及4個(gè)跨度較大處截面，測(cè)試該5個(gè)截面上、下表面在施工過(guò)程中的應(yīng)變，采用的測(cè)試設(shè)備是振弦式應(yīng)變計(jì)及配套測(cè)試設(shè)備。振弦式應(yīng)變計(jì)采用的是振弦理論設(shè)計(jì)、全不銹鋼制造，具有靈敏度與精度高、線性與穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。該應(yīng)變計(jì)的工作原理是將構(gòu)件表面或內(nèi)部的應(yīng)變換算成鋼弦的工作頻率變化從而得到測(cè)量結(jié)果。

振弦式應(yīng)變計(jì)的測(cè)量采用頻率模數(shù)f來(lái)度量，其定義為：

(1)

式中:f為鋼弦振動(dòng)頻率；L為鋼弦長(zhǎng)度；ρ為鋼弦密度；σ為鋼弦所受的張拉應(yīng)力。

振弦式應(yīng)變計(jì)所承受的軸向應(yīng)變與鋼弦振動(dòng)頻率變化的平方成正比，計(jì)算公式為：

ε=Kf2

(2)

式中:ε為應(yīng)變量；K為標(biāo)定系數(shù)；f為鋼弦振動(dòng)頻率。

(3)

式中:εt為t狀態(tài)時(shí)應(yīng)變量；ε0為0狀態(tài)時(shí)應(yīng)變量。

2.2 工藝流程

建立三維動(dòng)態(tài)模型→以備選施工方案進(jìn)行非線性時(shí)程分析→各方案結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)位移及索力的仿真時(shí)程分析→與設(shè)計(jì)方提供的結(jié)構(gòu)形狀及索預(yù)應(yīng)力對(duì)比，優(yōu)選施工方案→依據(jù)最優(yōu)施工方案確定結(jié)構(gòu)起拱量，指導(dǎo)木結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)→依據(jù)深化設(shè)計(jì)圖進(jìn)行構(gòu)件制作→依據(jù)最優(yōu)施工方案進(jìn)行木結(jié)構(gòu)安裝→實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)位移及索力，并與仿真結(jié)果作對(duì)比→依據(jù)對(duì)比結(jié)果，調(diào)整索張拉的力度和順序，及時(shí)進(jìn)行糾偏→達(dá)到預(yù)定結(jié)構(gòu)形狀及索預(yù)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安裝完成。

3 數(shù)值仿真

3.1 數(shù)值分析流程

由于裝配式大跨徑木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)為空間結(jié)構(gòu)受力體系，具有結(jié)構(gòu)整體受力的特點(diǎn)，因此施工模擬計(jì)算模型需建立三維整體有限元模型進(jìn)行計(jì)算和分析。首先用AutoCAD繪圖軟件或BIM軟件建立張弦梁結(jié)構(gòu)的空間線框模型，且建模尺寸精確到毫米。然后將張弦梁結(jié)構(gòu)的空間線框模型保存為DXF格式或有限元可導(dǎo)入的格式，并導(dǎo)入通用有限元程序SAP2000或MIDAS等。在有限元軟件中定義桿件材料和截面等屬性并賦予線框單元屬性。進(jìn)行仿真計(jì)算分析時(shí)應(yīng)考慮柔性構(gòu)件拉索的幾何非線性特點(diǎn)，即選擇有限元軟件中索單元的幾何非線性，準(zhǔn)確模擬張拉施工時(shí)拉索的變形。

1)選擇木質(zhì)張弦梁本構(gòu)關(guān)系

根據(jù)設(shè)計(jì)和施工方案中選擇的木材確定木質(zhì)張弦梁本構(gòu)關(guān)系，確定為圖所示本構(gòu)關(guān)系，圖4中，σten-yield為受拉屈服應(yīng)力，εten-yield為受拉屈服應(yīng)變值，εten-max為受拉極限應(yīng)變值，σcom-yield為受壓屈服應(yīng)力，εcom-yield為受壓屈服應(yīng)變值，εcom-max為受壓極限應(yīng)變值，Etan-ten為拉伸切線模量，Etan-com為壓縮切線模量。

圖4 木質(zhì)張弦梁本構(gòu)關(guān)系

2)定義只傳遞軸拉力的拉索單元

根據(jù)索單元受力和變形特點(diǎn)，定義屬性為只傳遞軸拉力的索單元，模擬施工中張拉力大小改變的拉索，將該屬性賦予拉索線框單元，進(jìn)行張弦梁結(jié)構(gòu)中拉索的受力分析。

3)輸入拉索單元的初拉力

根據(jù)裝配式大跨徑木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)加工和放樣狀態(tài)設(shè)置拉索單元的初拉力(即設(shè)計(jì)時(shí)求出的拉索的初拉力或直接假定一個(gè)索拉力)，分析整體結(jié)構(gòu)在初拉力和其他荷載共同作用下的受力和形變。

4)賦予三維整體模型分析工況及時(shí)間特性

定義非線性分析控制數(shù)據(jù)和荷載工況；依據(jù)施工方案中索單元張拉次序和張拉時(shí)間，定義張弦梁結(jié)構(gòu)中各桿件單元激活時(shí)間(即各結(jié)構(gòu)單元出現(xiàn)的時(shí)間)，這是模擬施工動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算的關(guān)鍵。整個(gè)仿真計(jì)算過(guò)程依據(jù)施工順序劃分為多個(gè)時(shí)間步，每個(gè)時(shí)間步激活的單元各不相同，形成動(dòng)態(tài)變化的三維整體模型。

5)非線性時(shí)程分析及仿真時(shí)程曲線

張弦梁結(jié)構(gòu)中拉索為柔性構(gòu)件，具有幾何非線性特性。采用有限元軟件的時(shí)程分析功能，可輸出施工各階段的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變和變形數(shù)值。計(jì)算結(jié)果應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注索力的時(shí)程曲線，分析拉索受力情況，防止因構(gòu)件超載而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全。除此之外，施工完成態(tài)的位移大小和形狀會(huì)影響建筑造型和建筑效果，所以各關(guān)鍵部位的位移應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.2 計(jì)算模型及結(jié)果

經(jīng)建模分析之后，結(jié)構(gòu)的有限元分析模型如圖5所示，拉索1索力值和拉索2索力值如表1和表2所示。

圖5 有限元模型

表1 拉索1索力值 kN

表2 拉索2索力值 kN

4 施工監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)依據(jù)及內(nèi)容

根據(jù)GB/T 50344—2004《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容如下。

1)應(yīng)變 分別對(duì)典型榀張弦梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每榀測(cè)試5個(gè)截面(張弦梁上弦跨中及4個(gè)跨度較大處截面)，測(cè)試該5個(gè)截面上、下表面在施工過(guò)程中的應(yīng)變，每榀共用應(yīng)變計(jì)10個(gè)。

2)索力 測(cè)試典型榀裝配式大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)的索力，監(jiān)測(cè)典型榀裝配式大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)6處拉索的索力，每個(gè)典型榀裝配式大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)使用應(yīng)變計(jì)6個(gè)。

3)豎向位移 測(cè)試典型榀裝配式大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)在張拉過(guò)程中的豎向位移，豎向位移測(cè)點(diǎn)設(shè)在木梁的頂部。

4)水平位移 測(cè)試典型榀裝配式大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)在張拉過(guò)程中的水平位移，檢測(cè)點(diǎn)設(shè)在單向活動(dòng)盆式橡膠支座處。

4.2 監(jiān)測(cè)方法

監(jiān)測(cè)過(guò)程將與裝配式大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)張拉同步進(jìn)行。裝配式大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)的張拉力、木梁上的應(yīng)變值將采用應(yīng)變計(jì)測(cè)試，應(yīng)變計(jì)為一次性使用；張弦梁的反拱、兩端的位移值采用百分表測(cè)試。

1)張拉過(guò)程中典型榀裝配式大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)5個(gè)截面的應(yīng)變，采用應(yīng)變計(jì)測(cè)試方法。在張拉前，將應(yīng)變計(jì)固定在相應(yīng)的測(cè)試位置，并記錄應(yīng)變計(jì)頻率初讀數(shù)，測(cè)定應(yīng)變計(jì)的具體位置，當(dāng)張拉完畢時(shí)，再讀取應(yīng)變計(jì)的頻率讀數(shù)，按相應(yīng)的標(biāo)定公式計(jì)算出張拉過(guò)程中木梁的應(yīng)變。

2)張拉過(guò)程中典型榀裝配式大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)拉索的拉力值，采用應(yīng)變計(jì)測(cè)試方法。在張拉前，采用夾具式應(yīng)變計(jì)，將其固定在相應(yīng)的拉索測(cè)試位置，并記錄應(yīng)變計(jì)頻率初讀數(shù)，當(dāng)張拉完畢及回油后，再讀取應(yīng)變計(jì)的頻率讀數(shù)，按相應(yīng)的標(biāo)定公式計(jì)算出拉索的張拉值及實(shí)際拉索中的拉力。

3)裝配式大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)在張拉過(guò)程中進(jìn)行豎向位移測(cè)試。豎向位移測(cè)試采用百分表，采用從張弦梁頂部掛細(xì)鐵絲至地面，并懸掛重砝盤，將細(xì)鐵絲拉直，在砝盤上安裝百分表，張弦梁上升的豎向位移，即通過(guò)砝盤的上升，最終由百分表測(cè)得。

4)典型榀裝配式大跨徑張弦梁結(jié)構(gòu)在張拉過(guò)程中進(jìn)行縱向伸縮位移測(cè)試。在張拉前，將百分表架安裝在張弦梁的兩端支座底板上，百分表對(duì)正在張弦梁平面內(nèi)，分別讀取張拉前后的讀數(shù)，即可獲得張弦梁平面內(nèi)的伸縮變形。

4.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

?、?，⑤軸典型張弦梁的監(jiān)測(cè)結(jié)果，其中④軸結(jié)果如表3所示。

表3 拉索索力值 kN

④軸張弦梁張拉過(guò)程中，豎向位移為52mm，梁平面內(nèi)水平位移為15.09mm。油表顯示的張拉值與應(yīng)變計(jì)數(shù)值基本一致，同時(shí)，張拉值達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但當(dāng)回油后，將有較大的張拉值損失，原因可能是工裝段長(zhǎng)度無(wú)法與張拉值一致。木梁上的應(yīng)變值多為壓應(yīng)變，顯示出跨中大，1/4跨較小，而端部又有較大壓應(yīng)變。

5 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于裝配式大跨徑木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)依據(jù)構(gòu)件安裝順序和拉索預(yù)應(yīng)力施加方案，模擬整體結(jié)構(gòu)在相應(yīng)施工工況下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移情況，并為實(shí)際施工參考和指導(dǎo)。

2)為更好地控制裝配式大跨徑木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力和變形，應(yīng)對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)的張拉施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析。

3)對(duì)于裝配式大跨徑木質(zhì)張弦梁結(jié)構(gòu)，采用合理的施工節(jié)奏、施工順序、固接時(shí)機(jī)，確定合適的施工方法，從制作、安裝、張拉等過(guò)程改進(jìn)施工工藝，保證結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量，合理劃分施工區(qū)段，在結(jié)構(gòu)受力體系完整可控的同時(shí)，優(yōu)化施工順序和施工方案，合理組織流水。