反拉雙曲空間網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)主桁架施工過程健康監(jiān)測(cè)與分析

葉 李 斌

(福建省永正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司. 福建 福州 350012)

大跨度空間結(jié)構(gòu)以其優(yōu)美的建筑造型、良好的力學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用。但復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系也增加了施工難度，加之鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件常存在焊接殘余應(yīng)力、殘余變形及材料銹蝕等缺陷，容易對(duì)大跨鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生安全隱患。此外，既有的大型建筑結(jié)構(gòu)工程理論已無法滿足現(xiàn)代大規(guī)模工程建設(shè)的需求，且建立在結(jié)構(gòu)工程理論基礎(chǔ)上的現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)規(guī)范體系不能完全確保結(jié)構(gòu)在整個(gè)生命周期中的安全性[1]，故有必要針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的關(guān)鍵構(gòu)件開展實(shí)時(shí)、在線健康監(jiān)測(cè)，以保障各施工階段安全進(jìn)行[2]。施工過程的健康監(jiān)測(cè)主要是基于布置在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件上的傳感器所采集的應(yīng)變、沉降等數(shù)據(jù)超出預(yù)警值時(shí)發(fā)出的預(yù)警[3-5]，進(jìn)而做到及時(shí)診斷結(jié)構(gòu)變形及構(gòu)件的內(nèi)力變化情況。

為了保障大型建筑結(jié)構(gòu)施工期安全，國內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在大跨空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用開展了相應(yīng)研究。周學(xué)軍[6]利用光纖光柵傳感器對(duì)濟(jì)南奧體中心體育館進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，研究證實(shí)對(duì)弦支網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采用平衡矩陣?yán)碚撌强尚星矣行У模晃浜迄i[7]結(jié)合有限元進(jìn)行大跨度空間結(jié)構(gòu)卸載分析，在確定施工卸載方案后進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而保障施工安全；孫學(xué)根等[8]提出了“分階段分級(jí)”的支撐卸載施工方法，并結(jié)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)合理地指導(dǎo)了施工過程，避免了因拼裝、卸載等施工過程產(chǎn)生的誤差積累；常樂等[9]采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法研究了大跨三角錐體空間鋼結(jié)構(gòu)施工卸載監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)大跨度鋼結(jié)構(gòu)卸載后應(yīng)力、變形的穩(wěn)定需持續(xù)一段時(shí)間；劉常浩等[10]對(duì)施工期軟土無柱大跨地鐵車站結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并得到了關(guān)鍵構(gòu)件的力學(xué)變形規(guī)律；游穎等[11]研究了受力性能最佳的臨時(shí)支撐提前拆除方案并進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證了拆除方案的安全性、可靠性；許永吉等[12]利用連續(xù)剛構(gòu)橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了收費(fèi)站稱重系統(tǒng)所測(cè)車輛荷載效應(yīng)，對(duì)橋梁安全性評(píng)估和預(yù)測(cè)提供了保障。

由于對(duì)施工期大跨鋼結(jié)構(gòu)桁架臨時(shí)支撐拆除(永久結(jié)構(gòu)卸載)階段監(jiān)測(cè)的研究相對(duì)較少，本文采用通用有限元軟件MIDAS Gen對(duì)主桁架臨時(shí)支撐拆除過程進(jìn)行模擬分析，得到卸載階段主桁架應(yīng)力、撓度的理論值，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)，分析了施工過程中臨時(shí)支撐拆除前、后對(duì)主桁架的影響，并結(jié)合監(jiān)測(cè)值與理論值的關(guān)系，為本工程后續(xù)健康監(jiān)測(cè)預(yù)警值設(shè)定的準(zhǔn)確性進(jìn)行前期驗(yàn)證。

1 工程概況

德化體育館屋蓋為勁性索與主桁架、邊柱相連接而成的雙坡曲面，建筑高度約為37.4 m，如圖1所示；主桁架為空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)(圖1藍(lán)色部分)，最大跨度為106 m，桿件均為熱軋無縫圓鋼管，材質(zhì)均為Q355B，各桿件截面如表1所示。主桁架與主鋼柱、搖擺柱相連；主鋼柱、搖擺柱截面均為Φ1 200 mm×30 mm，與主桁架連接位置截面為Φ1 200 mm×45 mm。搖擺柱頂部、底部節(jié)點(diǎn)均為銷軸連接。施工過程中主桁架的臨時(shí)支撐由甲、乙、丙、丁四組支撐組成，每組臨時(shí)支撐含4個(gè)支撐，如圖2所示。該工程在拆除主桁架臨時(shí)支撐后，通過張拉主桁架產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，并在主桁架張拉至指定高程時(shí)與勁性索(圖1紅色部分)連接，在卸除張拉力后由主桁架帶領(lǐng)勁性索回彈而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，從而完成預(yù)應(yīng)力施加。

圖1 德化體育館屋蓋示意圖

表1 主桁架參數(shù)

圖2 主桁架及支撐示意圖

2 理論計(jì)算及監(jiān)測(cè)方案

2.1 有限元分析

本次理論模型計(jì)算采用MIDAS Gen軟件進(jìn)行雙線性強(qiáng)化模型分析。主桁架鋼管均采用全熔透焊縫，節(jié)點(diǎn)形式更接近剛接，因此有限元模型中圓鋼管均采用梁單元，節(jié)點(diǎn)采用剛接，并根據(jù)表1參數(shù)賦予各桿件對(duì)應(yīng)的截面尺寸。鋼材彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，鋼材密度為7.85 g/cm3，剪切模量為7.9×104MPa。主鋼柱采用完全固接，搖擺柱采用鉸接。主桁架模型含116個(gè)節(jié)點(diǎn)，308個(gè)梁單元。結(jié)合設(shè)計(jì)資料，建立的有限元模型如圖3所示。

拆除臨時(shí)支撐采用軟件施工階段分析功能[13]進(jìn)行分析，運(yùn)用單元生死功能實(shí)現(xiàn)，共分4步拆除(卸載)，即拆除支撐甲→拆除支撐乙→拆除支撐丙→拆除支撐丁。由于屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)尚未安裝，支撐拆除階段不考慮屋面荷載，為了保守起見施工荷載取屋面恒載的30%[14]，即0.15 kN/m2。分析過程中結(jié)構(gòu)自重由軟件自動(dòng)計(jì)算，施工荷載以等效荷載形式作用在主桁架節(jié)點(diǎn)上。

圖3 有限元模型

2.2 測(cè)點(diǎn)選擇、布置

由于傳感器數(shù)量有限，布置測(cè)點(diǎn)可根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性特點(diǎn)及關(guān)鍵桿件信息，優(yōu)先選擇應(yīng)力較大的桿件和位移較大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行布置，使采集結(jié)果與模態(tài)分析數(shù)據(jù)相吻合，做到資源優(yōu)化配置的同時(shí)也降低數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜程度[15]。

2.2.1 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

結(jié)合有限元分析結(jié)果知，搖擺柱支撐點(diǎn)附近的主拱區(qū)域、主拱與鋼柱連接區(qū)域和跨中區(qū)域均為關(guān)鍵部位。綜合考慮結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果，選擇37根主桁架關(guān)鍵構(gòu)件及所有鋼柱、搖擺柱進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置(圖中紅色桿件)及部分編號(hào)如圖4所示。

2.2.2 撓度測(cè)點(diǎn)

主桁架上，跨中位置撓度值最大，綜合考慮結(jié)構(gòu)撓度情況及主桁架的對(duì)稱性，選取11個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行撓度監(jiān)測(cè)，撓度測(cè)點(diǎn)布置(圖中紅色部分)及部分測(cè)點(diǎn)編號(hào)如圖5所示。

圖4 主桁架及鋼柱、搖擺柱應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖5 主桁架撓度測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.3 傳感器選型

表面型智能數(shù)碼弦式應(yīng)變計(jì)采用振弦理論設(shè)計(jì)制造，具有高靈敏度、高精度、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，適于長期觀測(cè)。其內(nèi)置高性能激振器，采用脈沖激振方式，具有測(cè)試速度快、鋼弦振動(dòng)穩(wěn)定可靠、頻率信號(hào)長距離傳輸不失真，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。鋼弦內(nèi)置張力結(jié)構(gòu)，兩端采用點(diǎn)焊焊接錨固，且對(duì)安裝座無剪力要求，便于固定、安裝。內(nèi)置的智能芯片采用全數(shù)字檢測(cè)，具有智能記憶功能，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 表面型智能弦式應(yīng)變計(jì)主要參數(shù)

壓差式靜力水準(zhǔn)儀是一款高精度、大量程的靜力水準(zhǔn)傳感器，產(chǎn)品核心部件采用進(jìn)口壓力敏感元件，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工業(yè)化設(shè)計(jì)，具有體積小、響應(yīng)速度快和長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中多個(gè)傳感器通過水管連接，組成靜力水準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，其主要參數(shù)如表3所示。

表3 壓差式靜力水準(zhǔn)儀主要參數(shù)

由于該工程主桁架卸載結(jié)束后，后續(xù)施工過程中存在除銹、安裝膜結(jié)構(gòu)、連接主桁架與勁性索等工序，對(duì)傳感器的安裝存在極嚴(yán)格要求。因此傳感器布置前應(yīng)做好線路優(yōu)化，儀器布置時(shí)應(yīng)盡量避開施工面，并增加儀器保護(hù)設(shè)施，防止施工過程受損。為了確保數(shù)據(jù)采集不中斷，還應(yīng)增設(shè)備用電源，避免監(jiān)測(cè)過程因各種原因?qū)е碌耐ｋ姟?/p>

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

3.1 卸載過程關(guān)鍵桿件監(jiān)測(cè)

圖6 卸載過程主桁架撓度云圖

圖7 卸載過程主桁架應(yīng)力云圖

3.1.1 應(yīng)力分析

腹桿、上弦桿、下弦桿與柱的卸載應(yīng)力時(shí)變曲線詳見圖8—圖11。

由圖8—圖11可知：

(1) 拆除臨時(shí)支撐前，支撐與主桁架結(jié)構(gòu)共同受力，主桁架應(yīng)力變化不顯著。

圖8 腹桿卸載應(yīng)力時(shí)變圖

圖9 上弦桿卸載應(yīng)力時(shí)變圖

圖10 下弦桿卸載應(yīng)力時(shí)變圖

圖11 柱卸載應(yīng)力時(shí)變圖

(2) 在整個(gè)拆除過程中，各弦桿、柱附加應(yīng)力存在異號(hào)現(xiàn)象，在完全拆除支撐后各弦桿、柱應(yīng)力逐漸趨于平穩(wěn)。表明拆除臨時(shí)支撐過程中，主桁架弦桿、柱的應(yīng)力處于應(yīng)力重分布過程。拆除各組臨時(shí)支撐后，各弦桿、腹桿均發(fā)生應(yīng)力突變，正向最大增量為7.94 MPa，反向最大增量為-20.87 MPa，均小于鋼材的屈服應(yīng)力。

(3) 第四組臨時(shí)支撐介于搖擺柱與主鋼柱間，拆除后對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響相對(duì)較小。由表4可知，拆除甲、乙、丙三組臨時(shí)支撐后，桿件應(yīng)力突變明顯，拆除第三組臨時(shí)支撐后桿件應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定。

(4) 由圖9—圖11可知，各桿件監(jiān)測(cè)值所得應(yīng)力值與理論值相吻合且穩(wěn)定性較好，表明監(jiān)測(cè)值基本符合實(shí)際規(guī)律。由于理論值能較準(zhǔn)確地反映出關(guān)鍵桿件的應(yīng)力變化情況，且呈包絡(luò)狀態(tài)，因此后期監(jiān)測(cè)過程中，可將理論值作為第一級(jí)預(yù)警值。

(5) 由圖8、圖10可知，監(jiān)測(cè)過程中，部分桿件應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值偏差較大，但均處于合理范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。腹桿1、腹桿2的最大應(yīng)力實(shí)測(cè)值為相應(yīng)理論值的0.78倍、0.74倍，下弦桿1的最大應(yīng)力實(shí)測(cè)值為相應(yīng)理論值的0.91倍，這與主桁架結(jié)構(gòu)自身的復(fù)雜性及卸載過程中每組臨時(shí)支撐中各支撐并不是同時(shí)、等量卸載有關(guān)。加之臨時(shí)支撐自身的剛度的差異及施工過程中的溫差影響等，也造成構(gòu)件實(shí)際應(yīng)力、撓度與理論值的偏差。另外，由于對(duì)應(yīng)傳感器安裝受到現(xiàn)場(chǎng)條件制約，實(shí)際布置方式與設(shè)計(jì)布置方式存在偏差，造成所測(cè)數(shù)據(jù)存在誤差的概率也增加，但不影響所測(cè)桿件應(yīng)力變化的趨勢(shì)。

鑒于施工過程中存在較多不確定因素，當(dāng)卸載過程中所測(cè)數(shù)據(jù)超出理論數(shù)值的安全范圍、合理范圍時(shí)，應(yīng)及時(shí)挖掘潛在問題，判斷成因，并根據(jù)實(shí)際情況是否進(jìn)行下一道工序，待解決問題后方可進(jìn)行后續(xù)工作。

表4 各卸載步桿件的應(yīng)力增量 單位:MPa

3.1.2 撓度分析

(1) 由表5可知，卸載過程中，測(cè)點(diǎn)1在拆除支撐丙時(shí)，撓度增量最大，為10.37 mm；其余各測(cè)點(diǎn)在拆除支撐乙時(shí)，撓度增量達(dá)最大；當(dāng)拆除支撐乙時(shí)，測(cè)點(diǎn)中最大撓度增量為15.99 mm，表明支撐乙、支撐丙的拆除對(duì)主桁架的影響最大。

(2) 拆除支撐過程中，主桁架測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與理論值相差較小，最大偏差值為1.53 mm，誤差為3%。表明理論分析結(jié)果與實(shí)際采集數(shù)據(jù)基本吻合。

由上述分析知，拆除越靠近跨中處的支撐時(shí)，對(duì)主桁架的影響越大，因此，在拆除臨時(shí)支撐過程中應(yīng)及時(shí)了解構(gòu)件應(yīng)力、撓度變化情況，及時(shí)掌握構(gòu)件應(yīng)力、撓度變化可能帶來的不利影響，以防安全隱患。

表5 各卸載步撓度增量理論值與實(shí)測(cè)值 單位:mm

3.2 關(guān)鍵桿件長期監(jiān)測(cè)

為了體現(xiàn)整個(gè)施工周期關(guān)鍵桿件的應(yīng)力、撓度變化情況，以2021年9月22日為零時(shí)刻，至12月22日，記錄主桁架整個(gè)施工階段的應(yīng)力、撓度變化情況。

腹桿、上弦桿、下弦桿與柱的長期監(jiān)測(cè)應(yīng)力時(shí)變曲線詳見圖12—圖15，測(cè)點(diǎn)1—測(cè)點(diǎn)4長期監(jiān)測(cè)撓度時(shí)變曲線詳見圖16。

圖12 腹桿應(yīng)力時(shí)變圖

圖13 上弦桿應(yīng)力時(shí)變圖

由圖12—圖16可知：

(1) 10月3日拆除臨時(shí)支撐后，桿件應(yīng)力、測(cè)點(diǎn)撓度均發(fā)生突變，至10月6日，所測(cè)各關(guān)鍵桿件應(yīng)力逐漸趨于平穩(wěn)，大致于支撐拆除后1 d～2 d完成應(yīng)力重分布，同時(shí)主桁架撓度也逐漸趨于平穩(wěn)。

圖14 下弦桿應(yīng)力時(shí)變圖

圖15 柱應(yīng)力時(shí)變圖

圖16 測(cè)點(diǎn)撓度時(shí)變圖

(2) 拆除臨時(shí)支撐前，關(guān)鍵桿件的溫度應(yīng)力變化在-4.54 MPa～9.30 MPa之間，撓度變化在3.93 cm～4.31 cm之間；拆除臨時(shí)支撐后兩個(gè)月內(nèi)，桿件的溫度應(yīng)力變化幅度在-9.53 MPa～20.86 MPa之間，撓度變化在0.20 cm～1.11 cm之間。監(jiān)測(cè)期內(nèi)秋季和冬季的比較如表6所示，秋季主桁架桿件最大附加溫度應(yīng)力為35.94 MPa，柱最大附加溫度應(yīng)力為12.15 MPa；冬季主桁架桿件最大附加溫度應(yīng)力為-31.68 MPa，柱最大附加溫度應(yīng)力為-23.56 MPa。表明結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形受溫度影響較大，施工過程中溫度影響不可忽略。

表6 桿件最大附加溫度應(yīng)力 單位:MPa

4 結(jié) 論

(1) 拆除臨時(shí)支撐前、后各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力及撓度監(jiān)測(cè)值與理論值相近，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、撓度合理，確保了施工的順利進(jìn)行。在該項(xiàng)目后期監(jiān)測(cè)過程中可用理論值作為第一級(jí)預(yù)警值。

(2) 拆除靠近跨中位置處的臨時(shí)支撐后，桿件內(nèi)力突變較為明顯，施工過程中應(yīng)注意拆除臨時(shí)支撐次序產(chǎn)生的內(nèi)力變化。由于施工過程的復(fù)雜性、不確定性，臨時(shí)支撐的剛度及卸載量對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響有待進(jìn)一步研究。

(3) 施工過程中，拆除臨時(shí)支撐后桿件產(chǎn)生應(yīng)力突變，且在拆除臨時(shí)支撐1 d～2 d后桿件應(yīng)力趨于平衡，建議拆除臨時(shí)支撐后的監(jiān)測(cè)周期適當(dāng)延長。本項(xiàng)目后期張拉過程中拆除主桁架臨時(shí)拉索時(shí)應(yīng)注意構(gòu)件應(yīng)力突變及可能帶來的影響。

(4) 溫度對(duì)大跨鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力及撓度的影響較大，本工程主桁架關(guān)鍵桿件溫度應(yīng)力變化幅度為-9.53 MPa～20.86 MPa間，在實(shí)際施工過程中應(yīng)重視溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

(5) 傳感器安裝情況直接影響到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中盡量符合設(shè)計(jì)要求，減小實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的偏差。施工過程中應(yīng)及時(shí)觀察、判斷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的關(guān)系，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并排除隱患，確保施工安全。