某大型會(huì)展中心鋼結(jié)構(gòu)卸載與施工監(jiān)測(cè)分析

嚴(yán)再春 況中華

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

1 工程概況

某大型會(huì)展中心為整體向外傾倒的二層大空間鋼框架結(jié)構(gòu)，底部平面呈橢圓形，長(zhǎng)軸54.6 m，短軸30 m；屋頂為不規(guī)則多邊形，長(zhǎng)邊105 m，短邊57 m；頂部采光頂跨度21 m，長(zhǎng)50 m。

結(jié)構(gòu)主體采用空間桁架結(jié)構(gòu)體系，中庭采光頂采用張弦拱梁結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)外側(cè)由48榀平面懸挑桁架組成，其中24榀與下部Y形支撐柱相連。Y形支撐柱主要截面形式為變截面鋼管，主桁架截面主要為箱形管和圓管。桁架之間采用平面環(huán)向桁架、次桁架連接成結(jié)構(gòu)整體，桁架最大懸挑長(zhǎng)度30 m。張弦梁最大跨度21 m，最大高度2.3 m，各榀張弦梁底部另有2條縱向拉索拉結(jié)，頂面次梁連系，并滿(mǎn)布交叉拉索支撐。鋼結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)整體立面示意

2 施工方案

內(nèi)部張弦梁結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，采用滿(mǎn)堂腳手架進(jìn)行頂部安裝?？臻g桁架采用“單榀地面拼裝，整體吊裝”的安裝方案。在外側(cè)懸挑桁架結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，依據(jù)懸挑段長(zhǎng)度分別設(shè)置1～2個(gè)臨時(shí)支撐，共計(jì)86個(gè)臨時(shí)支撐，其中Y形柱桁架設(shè)臨時(shí)支撐38個(gè)，無(wú)鋼柱桁架設(shè)臨時(shí)支撐48個(gè)。

結(jié)構(gòu)整體施工順序是由內(nèi)向外進(jìn)行的，主要工序如下：地面張弦梁拼裝→滿(mǎn)堂腳手架搭設(shè)→張弦梁吊裝→頂部環(huán)梁安裝→臨時(shí)支撐搭設(shè)→桁架安裝→張弦梁下部臨時(shí)支撐卸載→無(wú)Y形鋼柱桁架臨時(shí)支撐卸載→有Y形支柱桁架臨時(shí)支撐卸載。

3 卸載過(guò)程數(shù)值模擬

利用有限元計(jì)算軟件Midas/Gen進(jìn)行卸載施工全過(guò)程模擬，分析鋼結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐應(yīng)力、位移的變化趨勢(shì)。

鋼結(jié)構(gòu)桿件采用梁?jiǎn)卧M，拉索采用只受拉單元模擬。Y形支撐柱底部采用鉸接模擬，結(jié)構(gòu)有限元模型邊界如圖2所示。

圖2 模型邊界示意

4 施工過(guò)程監(jiān)測(cè)

4.1監(jiān)測(cè)關(guān)鍵要素分析

屋頂張弦梁以拉索作為核心構(gòu)件，屬于柔性結(jié)構(gòu)，在張弦梁施工過(guò)程中，兩側(cè)支座均采用臨時(shí)支撐進(jìn)行限位約束。在張弦梁張拉和結(jié)構(gòu)卸載過(guò)程中，為確保張弦梁索力、弧度與設(shè)計(jì)相符，需要對(duì)張弦梁索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在整個(gè)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，臨時(shí)支撐和Y形支撐柱共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)自重和施工活荷載，待結(jié)構(gòu)完成拼裝后需拆除臨時(shí)支撐完成卸載，結(jié)構(gòu)進(jìn)入自承重狀態(tài)。結(jié)構(gòu)卸載過(guò)程是結(jié)構(gòu)受力逐漸轉(zhuǎn)移和內(nèi)力重分布的復(fù)雜過(guò)程[1-6]。

為確保卸載過(guò)程鋼結(jié)構(gòu)安全可靠，需全面跟蹤鋼結(jié)構(gòu)在卸載過(guò)程中重要構(gòu)件的重要參數(shù)，主要包括結(jié)構(gòu)卸載過(guò)程中應(yīng)力較大及應(yīng)力變化較大的構(gòu)件、臨時(shí)支撐的應(yīng)力。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果給出卸載過(guò)程參數(shù)監(jiān)測(cè)記錄及變化趨勢(shì)，給現(xiàn)場(chǎng)施工提供指導(dǎo)性建議，并監(jiān)督施工過(guò)程的合理性，以確保工程安全進(jìn)行。

4.2測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和有限元數(shù)值模擬結(jié)果，本次鋼結(jié)構(gòu)卸載過(guò)程監(jiān)測(cè)主要針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容和測(cè)點(diǎn)布置如下。

4.2.1 張弦梁索力監(jiān)測(cè)

在每榀張弦梁拉索靠近錨固端處布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)10個(gè)索力測(cè)點(diǎn)，索力監(jiān)測(cè)采用磁通量傳感器，張弦梁位置如圖3所示。

圖3 張弦梁位置示意

4.2.2 Y形柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)

取13#主桁架和22#主桁架Y形柱鑄鋼件變截面處為監(jiān)測(cè)斷面，測(cè)點(diǎn)沿截面布置，每個(gè)截面布置6個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，共計(jì)12個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用振弦式應(yīng)變計(jì)，通過(guò)計(jì)算將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 Y形柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意

4.2.3 主桁架應(yīng)力監(jiān)測(cè)

22#主桁架上弦桿XG11上布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)；23#主桁架腹桿FG33、FG14及下弦桿XG9各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 主桁架應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果與對(duì)比分析

背景工程自開(kāi)始臨時(shí)支撐卸載施工，至全部臨時(shí)支撐卸載完畢，歷時(shí)34 h。在鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐卸載過(guò)程中，主要針對(duì)結(jié)構(gòu)主體拉索拉力和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

鑒于拉索和鋼結(jié)構(gòu)對(duì)溫度效應(yīng)相對(duì)敏感，為了分析卸載前、后的拉索拉力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力實(shí)際增量，選取卸載前后同一時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即以開(kāi)始卸載的9月3日8點(diǎn)作為測(cè)試初始值，以全部卸載完畢的9月5日8點(diǎn)作為測(cè)試終值，判斷拉索拉力和鋼結(jié)構(gòu)各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)在卸載過(guò)程中的變化情況。

5.1 拉索

卸載過(guò)程中，張弦梁索力變化曲線如圖6所示。

圖6 索力變化曲線

由圖6可知，9月3日8點(diǎn)，隨著臨時(shí)支撐卸載施工的開(kāi)始，索力測(cè)點(diǎn)拉力大部分呈遞增趨勢(shì)，SL-7測(cè)點(diǎn)拉力先減小隨后遞增，截至當(dāng)天20點(diǎn)（當(dāng)日施工結(jié)束），各測(cè)點(diǎn)拉力變化趨于平穩(wěn)。至9月4日8點(diǎn)（第2天施工開(kāi)始），索力各測(cè)點(diǎn)拉力均呈遞增趨勢(shì)，截至當(dāng)日19點(diǎn)（卸載施工結(jié)束），各測(cè)點(diǎn)拉力趨于平穩(wěn)。

在臨時(shí)支撐卸載過(guò)程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)SL-2最大索拉力變化值18 kN，索拉力增量在－2～18 kN范圍內(nèi)變化，在施工期間受卸載效應(yīng)影響，各測(cè)點(diǎn)拉力不同程度地呈現(xiàn)增大/減小趨勢(shì)。

索拉力模擬增量和實(shí)測(cè)增量對(duì)比見(jiàn)表1，通過(guò)分析得出，卸載過(guò)程中實(shí)測(cè)拉力增量均小于或接近數(shù)值模擬的拉力增量。

表1 索力增量對(duì)比

5.2Y形柱

5.2.1 13#主桁架Y形柱

圖7給出了卸載期間13#主桁架柱應(yīng)力變化曲線。9月3日8點(diǎn)，隨著臨時(shí)支撐卸載施工的開(kāi)始，Y形柱的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均呈逐步增大趨勢(shì)，隨后逐步減小，截至當(dāng)日20點(diǎn)（當(dāng)日施工結(jié)束），各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化趨于平穩(wěn)；至9月4日7點(diǎn)（第2天施工開(kāi)始），13#主桁架Y形柱的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均呈逐步增大趨勢(shì)，截至當(dāng)日19點(diǎn)（卸載施工結(jié)束），各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力趨于平穩(wěn)。

圖7 13#主桁架Y形柱應(yīng)力變化曲線

在臨時(shí)支撐卸載過(guò)程中，13#主桁架柱應(yīng)力增量在－15～12 MPa范圍內(nèi)變化，主要在施工期間受卸載效應(yīng)影響，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力不同程度地呈現(xiàn)增大/減小趨勢(shì)。13#主桁架柱應(yīng)力數(shù)值模擬增量與實(shí)測(cè)增量對(duì)比見(jiàn)表2，通過(guò)對(duì)比分析，實(shí)測(cè)應(yīng)力增量均小于數(shù)值模擬應(yīng)力增量。

表2 13#主桁架Y形柱應(yīng)力增量對(duì)比

5.2.2 22#主桁架Y形柱

圖8給出了卸載期間22#主桁架柱應(yīng)力變化曲線。9月3日8點(diǎn)，隨著臨時(shí)支架卸載施工的開(kāi)始，Y形柱的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均呈逐步增大趨勢(shì)，截至當(dāng)日20點(diǎn)（當(dāng)日施工結(jié)束），各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化趨于平穩(wěn)；至9月4日7點(diǎn)（第2天施工開(kāi)始），柱測(cè)點(diǎn)應(yīng)力先呈遞減趨勢(shì)（受壓），在10點(diǎn)左右開(kāi)始呈逐步增大趨勢(shì)，截至當(dāng)日19點(diǎn)（卸載施工結(jié)束），各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力趨于平穩(wěn)。

圖8 22#主桁架Y形柱應(yīng)力變化曲線

在臨時(shí)支撐卸載過(guò)程中，22#主桁架柱應(yīng)力增量在－25～20 MPa范圍內(nèi)變化，主要在施工期間受卸載效應(yīng)影響，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力不同程度地呈現(xiàn)增大/減小趨勢(shì)。22#主桁架柱應(yīng)力數(shù)值模擬增量與實(shí)測(cè)增量對(duì)比見(jiàn)表3，經(jīng)對(duì)比分析得出，實(shí)測(cè)應(yīng)力增量均小于理論應(yīng)力增量。

表3 Y形柱應(yīng)力增量對(duì)比

5.3主桁架

圖9給出了卸載期間主桁架應(yīng)力變化曲線。9月3日8點(diǎn)，隨著臨時(shí)支撐卸載施工的開(kāi)始，桁架各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均呈逐步增大趨勢(shì)，截至當(dāng)日20點(diǎn)（當(dāng)日施工結(jié)束），各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化趨于平穩(wěn)；至9月4日7點(diǎn)（第2天施工開(kāi)始），桁架各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力先呈遞減趨勢(shì)（受壓），在10點(diǎn)左右開(kāi)始呈逐步增大趨勢(shì)，截至當(dāng)日19點(diǎn)（卸載施工結(jié)束），各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力趨于平穩(wěn)。

圖9 桁架應(yīng)力變化曲線

在臨時(shí)支撐卸載過(guò)程中，主桁架弦桿及腹桿應(yīng)力增量在－25～38 MPa范圍內(nèi)變化，主要在施工期間受卸載效應(yīng)影響，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力不同程度地呈現(xiàn)增大/減小趨勢(shì)。桁架應(yīng)力模擬增量與實(shí)測(cè)增量對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 桁架應(yīng)力增量對(duì)比

5.4 小結(jié)

1）經(jīng)以上分析得出，絕大部分測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)力變化曲線被仿真模擬應(yīng)力變化曲線所包絡(luò)，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真模擬結(jié)果基本一致，表明仿真模型基本符合實(shí)際工況，仿真分析結(jié)果可為應(yīng)力監(jiān)測(cè)提供參考。

2）個(gè)別點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相差較大，主要有以下幾方面原因：受監(jiān)測(cè)傳感器自身精度和可靠性等因素的影響；受現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制，結(jié)構(gòu)實(shí)際卸載過(guò)程不能完全按照預(yù)定卸載方案進(jìn)行；數(shù)值模擬增量取桿件截面最大值，而實(shí)測(cè)應(yīng)力數(shù)值與傳感器布置位置相關(guān)，實(shí)測(cè)應(yīng)力不能完全反映構(gòu)件截面最大應(yīng)力。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)背景工程卸載施工全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真模擬和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)拉索拉力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真模擬數(shù)據(jù)對(duì)比可知，兩者數(shù)據(jù)比較接近，數(shù)值仿真模擬能有效反映結(jié)構(gòu)卸載過(guò)程。同時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映了結(jié)構(gòu)真實(shí)狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能確保卸載過(guò)程安全可靠。