膠合木張弦梁結(jié)構(gòu)施工階段監(jiān)測(cè)研究

潘 鴻 黃俊杰 劉得龍 孫 赫 張 晉

(1.中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 江蘇蘇州 215131;2.東南大學(xué) 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇南京 211189)

0 引言

預(yù)應(yīng)力張弦結(jié)構(gòu)，是齋藤公男于1979年提出的一種現(xiàn)代張弦結(jié)構(gòu)。由于造型優(yōu)美、施工簡(jiǎn)便、受力性能良好等優(yōu)點(diǎn)，如今已在體育、會(huì)展、交通設(shè)施等大型公共建筑中得到廣泛的應(yīng)用[1]。以往建造的張弦結(jié)構(gòu)多是鋼結(jié)構(gòu)體系，例如廣州國(guó)際會(huì)展中心、上海虹橋機(jī)場(chǎng)[2]，以木材為主體的張弦結(jié)構(gòu)較少。隨著人們對(duì)建筑美觀、節(jié)能方面的要求越來(lái)越高，而木結(jié)構(gòu)以美觀、節(jié)能著稱(chēng)，所以木結(jié)構(gòu)為主體的張弦結(jié)構(gòu)將會(huì)越來(lái)越流行。

根據(jù)以往張弦鋼結(jié)構(gòu)的建造經(jīng)驗(yàn)可知：張弦結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大變形、材料的材性受環(huán)境因素影響大、構(gòu)件往往存在初始缺陷。因此，結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)與分析模型存在差異。為保障結(jié)構(gòu)在施工階段的位移、應(yīng)變和索力符合設(shè)計(jì)預(yù)期，對(duì)使用階段出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況能及時(shí)預(yù)警、評(píng)估，確保結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)[3]，往往會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。木材的材性相對(duì)鋼材更為復(fù)雜，同時(shí)由于張弦結(jié)構(gòu)興起較晚，國(guó)內(nèi)在張弦鋼結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)方面的文獻(xiàn)相對(duì)較少[4]，張弦木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的相關(guān)文獻(xiàn)更是寥寥無(wú)幾。所以，對(duì)膠合木張弦梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，探索實(shí)際結(jié)構(gòu)與計(jì)算模型存在的差異，是亟待解決的問(wèn)題。

本文以蘇州第二工人文化宮游泳館膠合木張弦梁結(jié)構(gòu)施工階段的監(jiān)測(cè)為例，提供了張弦梁結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力、索力在施工階段監(jiān)測(cè)的結(jié)果，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)要分析；將數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，論證了模型的有效性，為以后相關(guān)的工程實(shí)踐提供參考。

1 工程概況

蘇州第二工人文化宮位于蘇州市相城區(qū)，由9個(gè)建筑結(jié)構(gòu)單體組成，其中的游泳館縱向跨度67.2 m，橫向跨度36.6 m，占地面積2460 m2，內(nèi)設(shè)游泳池、戲水池和看臺(tái)。游泳館屋面采用坡屋面形式，屋蓋采用張弦梁結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主次梁采用TCT21膠合木，主梁截面為210 mm×800 mm，次梁截面為170 mm×400 mm、130 mm×300 mm和210 mm×500 mm，預(yù)應(yīng)力索采用鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼索。

圖1 膠合木張弦梁結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)測(cè)準(zhǔn)備

2.1 結(jié)構(gòu)施工階段劃分

張弦結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中受力狀態(tài)是變化的，是一個(gè)極其復(fù)雜的狀態(tài)，因此劃分施工階段十分必要。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，施工階段大致可以分為安裝階段、張拉階段、附屬體系施工階段，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的3種受力狀態(tài)：零狀態(tài)、初始態(tài)和荷載態(tài)[5]。

本文中膠合木張弦梁結(jié)構(gòu)3個(gè)施工階段的任務(wù)如下：

(1)滿(mǎn)堂腳手高空拼裝，木梁安裝就位，拉索安裝與預(yù)緊。此時(shí)木梁擱置在滿(mǎn)堂腳手架上，結(jié)構(gòu)處于零狀態(tài)——無(wú)任何預(yù)應(yīng)力與外荷載作用。

(2)按順序?qū)埾夷玖哼M(jìn)行張拉。為保證結(jié)構(gòu)在張拉過(guò)程中的可控性，本工程的拉索采用分階段張拉，每一階段張拉時(shí)，由15軸向23軸(圖2)依次逐榀張拉，交叉兩根拉索同時(shí)張拉。

(●為應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，▲為位移測(cè)點(diǎn)，△為索力測(cè)點(diǎn))圖2 結(jié)構(gòu)平面及測(cè)點(diǎn)布置圖

張拉第一階段：按順序張拉到90%設(shè)計(jì)工況對(duì)應(yīng)索力。一根拉索有兩個(gè)張拉調(diào)節(jié)端，對(duì)于同時(shí)實(shí)施張拉的兩根拉索，共4個(gè)張拉調(diào)節(jié)端?？紤]到4個(gè)張拉端同時(shí)張拉，對(duì)本階段的90%設(shè)計(jì)工況對(duì)應(yīng)索力進(jìn)行分級(jí)張拉：預(yù)緊→27%→54%→81%→90%。

張拉第二階段：按順序張拉到100%設(shè)計(jì)工況對(duì)應(yīng)索力。張拉完成的張弦木結(jié)構(gòu)處于初始態(tài)-預(yù)應(yīng)力和自重共同作用。

(3)進(jìn)行屋面、幕墻等其他附屬體系的施工，施工完成后結(jié)構(gòu)投入使用。此時(shí)為結(jié)構(gòu)的荷載態(tài)——結(jié)構(gòu)受到預(yù)應(yīng)力、自重和其他外荷載的作用。

2.2 結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)階段劃分

本工程中，監(jiān)測(cè)階段的劃分主要依據(jù)《建筑施工測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 408-2017)[6]13.5.5小節(jié)相關(guān)要求、《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50982-2014)[7]中相關(guān)要求和木結(jié)構(gòu)施工階段劃分，擬定以下施工監(jiān)測(cè)階段，如表1所示。

表1 施工監(jiān)測(cè)階段劃分

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，木結(jié)構(gòu)建筑往往以最大位移作為結(jié)構(gòu)安全的控制指標(biāo)，索力是以往張弦鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)[8]。因此，本工程的健康監(jiān)測(cè)以位移為主控參數(shù)，索力為第二控制參數(shù)，并綜合考慮構(gòu)件的應(yīng)力，來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的安全性。所以，本工程的監(jiān)測(cè)內(nèi)容為撐桿的豎向位移、拉索的索力和木梁控制截面的應(yīng)力。

位移監(jiān)測(cè)依照《建筑變形測(cè)量規(guī)范》(JGJ8-2016)[9]中4.5節(jié)相關(guān)要求，采用電子全站儀對(duì)測(cè)點(diǎn)的豎向位移定期進(jìn)行測(cè)量。該工程通過(guò)在撐桿上粘貼反射片的方式，共設(shè)8個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)依次為W-1～8，安裝位置如圖2所示。

索力監(jiān)測(cè)采用在拉索上安裝EM磁通量索力傳感器的方式，進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，共設(shè)8個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)依次為S-1～8，測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。

應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用在木梁上安裝BGK-4000振弦式應(yīng)變計(jì)的方式，對(duì)應(yīng)力進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，選取8處木梁截面為測(cè)點(diǎn)，編號(hào)依次為YL-1～8，測(cè)點(diǎn)位置；每處測(cè)點(diǎn)安裝3個(gè)振弦式應(yīng)變傳感器，3個(gè)傳感器分別用螺釘固定在木梁側(cè)面距頂部5 cm、木梁側(cè)面中間和木梁底面中間。

2.4 MIDAS計(jì)算模型

(1)計(jì)算模型

該工程采用有限元分析軟件Midas Gen進(jìn)行分析，木梁采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，撐桿采用桁架單元模擬，拉索采用只受拉索單元進(jìn)行模擬。TCT21膠合木材：彈性模量為8000 MPa，泊松比為0.37，線(xiàn)膨脹系數(shù)為1.2×10-6，重量密度為5.00×10-6N/mm3；預(yù)應(yīng)力鋼絲的彈性模量取1.6×105MPa，泊松比為0.3，溫度膨脹系數(shù)為1.2×10-5，重量密度為7.698×10-5N/mm3。使用Midas Gen軟件所建立的模型如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

(2)荷載及邊界條件

木結(jié)構(gòu)屋蓋恒載根據(jù)建筑屋面常規(guī)做法取1.5 kN/m2；活載按不上人屋面荷載取0.7 kN/m2；按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)[10]基本雪壓取0.40 kN/m2?？紤]到木結(jié)構(gòu)建筑對(duì)風(fēng)荷載的敏感性，基本風(fēng)壓取0.40 kN/m2。

圖2中標(biāo)注了各種節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型，其中主次梁節(jié)點(diǎn)S1、S2所用連接多、剛度大，如圖4所示，在模型中按半剛性節(jié)點(diǎn)考慮。因此，將節(jié)點(diǎn)S1、S2的X、Y、Z向位移和沿X、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)固定，將Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度設(shè)為6210 kN·m/rad。節(jié)點(diǎn)S3、S4和S5按鉸接節(jié)點(diǎn)建模。

圖4 S1(左)、S2(右)節(jié)點(diǎn)詳圖

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本工程中，測(cè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)為測(cè)點(diǎn)。相對(duì)于零狀態(tài)下初始標(biāo)高的變化值，測(cè)點(diǎn)上移為“+”，反之為“-”，單位取mm；應(yīng)力為應(yīng)變與TCT21膠合木彈性模量的乘積，單位取MPa；索力單位取kN。

3.1 溫度對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響

圖5給出測(cè)點(diǎn)YL-1的應(yīng)力、溫度變化圖，圖6為測(cè)點(diǎn)S-2的索力、溫度變化圖。

圖5 測(cè)點(diǎn)YL-1應(yīng)力、室內(nèi)溫度變化圖

圖6 測(cè)點(diǎn)S-2索力、室內(nèi)溫度變化圖

從圖5可以看出，測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值和溫度的變化趨勢(shì)一致，都以一天為周期變化。正午溫度最高，應(yīng)力值最??；夜間溫度最低，相應(yīng)的應(yīng)力值最大。從圖6可以看出，測(cè)點(diǎn)的索力值和溫度亦存在相關(guān)性，索力隨溫度近似以一天為周期變化，溫度升高，拉索松弛索力減小，溫度降低，拉索收緊索力增加。

環(huán)境溫度的變化會(huì)影響結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，從而使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生波動(dòng)。由圖5和圖6可知，應(yīng)力和索力都與溫度存在較強(qiáng)的相關(guān)性。因此在選取監(jiān)測(cè)值時(shí)，以天為單位，取每天監(jiān)測(cè)的應(yīng)力、索力、溫度平均值作為監(jiān)測(cè)值，同時(shí)在計(jì)算模型中，也將考慮環(huán)境溫度變化帶來(lái)的影響。

3.2 計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值比較

由圖7～圖10可知，屋蓋結(jié)構(gòu)張拉第二階段完成后的測(cè)點(diǎn)位移，附屬體系施工完成后測(cè)點(diǎn)的位移、索力和應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值均相差較大。理論模型不能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行很好的模擬，需要對(duì)模型進(jìn)行修改。

圖7 張拉第二階段完成后W-1～8位移

圖8 附屬體系施工完成后W-1～8位移

圖9 附屬體系施工完成后S-1～8索力

圖10 附屬體系施工完成后YL-1～8應(yīng)力

3.3 模型修正

由3.2節(jié)可知，計(jì)算模型不能很好地模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建立的模型可能和實(shí)際結(jié)構(gòu)存在差異。因此，需要對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行修改。

結(jié)構(gòu)剛度修正：從圖7中可以看出，在張拉第二階段完成后，測(cè)點(diǎn)的反拱位移實(shí)測(cè)值均大于計(jì)算值。由此可看出，實(shí)際屋蓋結(jié)構(gòu)沿豎向剛度偏小，結(jié)構(gòu)偏柔。因此，需減小模型沿豎向的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，使模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符。由于本模型中半剛性節(jié)點(diǎn)S1、S2沿Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度(SRy)設(shè)置不合理，故在控制恒載下拉索索力值基本不變的情況下，將原計(jì)算模型中拼接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度減小(由6210kN·m/rad減小至500kN·m/rad)。

屋面荷載修正：附屬體系施工階段完成后的計(jì)算模型的位移、索力和應(yīng)力，均和實(shí)際結(jié)構(gòu)存在較大差異。經(jīng)梳理對(duì)比，查明造成上述偏差的原因?yàn)椋河?jì)算模型中的屋面恒載是根據(jù)屋面建筑常規(guī)做法，取值為1.5kN/m2；而本工程在詳圖設(shè)計(jì)階段對(duì)屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，優(yōu)化后的屋面恒載約為0.7kN/m2。

3.4 修正后計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值比較

將計(jì)算模型修正后，重新計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移、拉索索力和梁截面應(yīng)力，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。

3.4.1 位移對(duì)比

模型修正后的位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比如圖11～圖12所示。由圖11可知，張拉第二階段完成后，測(cè)點(diǎn)位移計(jì)算值對(duì)實(shí)測(cè)值的模擬效果有了明顯改善，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值更加接近。但由圖12可知，附屬體系施工階段完成后的位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值依然存在較大誤差，原因可能是第二和第三施工階段的累計(jì)誤差和模型與實(shí)際存在系統(tǒng)誤差。為此，在圖13中分析了附屬體系施工階段內(nèi)的位移(“附屬體系施工階段完成的位移”-“張拉第二階段完成的位移”)以驗(yàn)證模型的有效性。

圖11 (模型修正后)張拉第二階段完成后W1～8位移

圖12 (模型修正后)附屬體系施工完成后W1～8位移

圖13 (模型修正后)附屬體系施工階段內(nèi)W-1～8位移

由圖13給出的位移結(jié)果可以看出，附屬體系施工階段內(nèi)的位移實(shí)測(cè)值和計(jì)算值兩者吻合很好、誤差很小，說(shuō)明使用該計(jì)算模型進(jìn)行屋面結(jié)構(gòu)位移分析是可靠的。

3.4.2 索力對(duì)比

模型修正后的索力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比，如圖14所示。

圖14 (模型修正后)附屬體系施工完成后S-1～8索力

對(duì)比索力計(jì)算值曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)值曲線(xiàn)可知，索力的計(jì)算值曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)值曲線(xiàn)近似平行。除了測(cè)點(diǎn)S-4外，其余測(cè)點(diǎn)的索力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差都在30 kN～60 kN之間。因此，計(jì)算模型和實(shí)際測(cè)量結(jié)果可能存在系統(tǒng)誤差。但是計(jì)算模型也可以用來(lái)反映實(shí)際工程結(jié)果。

3.4.3 應(yīng)力對(duì)比

圖15給出了附屬體系施工完成后的應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比。由圖15可看出，在模型修正后，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算值對(duì)實(shí)測(cè)值的模擬效果較好，計(jì)算模型可以較好地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)。

圖15 (模型修正后)附屬體系施工完成后YB-1～8應(yīng)力

4 結(jié)論

本文對(duì)蘇州第二文化宮游泳館施工階段進(jìn)行了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中位移、應(yīng)力及索力監(jiān)測(cè)，對(duì)有限元模型的數(shù)值模擬，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)的采集匯總分析，得到以下結(jié)論：

(1)基于相關(guān)規(guī)范與拉索的施工階段劃分的施工監(jiān)測(cè)階段，可以較好反映膠合木張弦梁結(jié)構(gòu)的位移、索力和應(yīng)力在整個(gè)施工過(guò)程中動(dòng)態(tài)變化，監(jiān)測(cè)方案合理可行。

(2)膠合木張弦梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)結(jié)果均受環(huán)境溫度的影響。其中木梁應(yīng)變、拉索索力隨環(huán)境溫度變化而發(fā)生一致的變化，以天為周期，波動(dòng)范圍較大，受環(huán)境溫度影響較明顯。

(3)建立張弦木結(jié)構(gòu)建筑模型時(shí)，應(yīng)合理設(shè)置節(jié)點(diǎn)剛度(必要時(shí)可進(jìn)行相關(guān)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn))，嚴(yán)格把控節(jié)點(diǎn)的施工質(zhì)量，以使計(jì)算模型與實(shí)際工程更加契合，使模擬更真實(shí)有效。

(4)張弦梁木屋蓋在施工過(guò)程中，采集到的數(shù)據(jù)與修正后的計(jì)算模型的結(jié)果基本相符，偏差在較合理的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了計(jì)算模型的合理性和正確性，計(jì)算結(jié)果可以為結(jié)構(gòu)提供預(yù)警、評(píng)估。