空間鋼桁架結(jié)構(gòu)卸載施工模擬及監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究*

湯東嬰,魏曉斌,孫正華,郭建祥,王若晨

(1.江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司,江蘇 南京 210033;2.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司,江蘇 南京 210008)

0 引言

近幾十年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和功能需求的提升,城市建設(shè)對(duì)建筑造型及建筑使用功能的要求逐步提高。大跨度空間結(jié)構(gòu)以其造型獨(dú)特、空間跨度大等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于會(huì)展中心、博物館、體育館等重要大型公共建筑[1-2]。目前,許多國家均已建有大量大跨度空間桁架結(jié)構(gòu)建筑,建筑物跨度、規(guī)模也越來越大。然而,大跨空間桁架結(jié)構(gòu)因受力特殊性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、施工難度高等原因[3-5],在施工過程和運(yùn)行期間易出現(xiàn)受力不均、構(gòu)件劣化等問題,嚴(yán)重時(shí)甚至引起結(jié)構(gòu)坍塌等事故,造成生命和財(cái)產(chǎn)損失。過去20年里,已有多起鋼結(jié)構(gòu)屋面坍塌事故報(bào)道[6-7]。2004年,法國戴高樂機(jī)場(chǎng)2E候機(jī)樓因溫差反復(fù)作用引起結(jié)構(gòu)裂縫對(duì)殼體產(chǎn)生沖剪破壞,最終導(dǎo)致屋面彎折破壞。2005年,內(nèi)蒙古新豐熱電項(xiàng)目主廠房球形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)因在未形成結(jié)構(gòu)整體受力的情況下進(jìn)行交叉施工,致使結(jié)構(gòu)焊縫脆性斷裂,發(fā)生連續(xù)坍塌。2010年,鄂爾多斯那達(dá)慕運(yùn)動(dòng)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)頂棚因溫度驟降導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)收縮發(fā)生坍塌。因此,需采取適當(dāng)手段保障結(jié)構(gòu)施工及運(yùn)營期安全。

目前,最行之有效的安全保障手段是通過監(jiān)測(cè)手段獲取結(jié)構(gòu)異常變形及應(yīng)力信息[8]。通常是通過在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵受力部位及施工中可能受影響區(qū)域布置傳感器或監(jiān)測(cè)點(diǎn),進(jìn)而獲取結(jié)構(gòu)在荷載、環(huán)境影響等工況下的應(yīng)力、應(yīng)變信息,評(píng)估其當(dāng)前健康狀態(tài)。羅浩等[9]結(jié)合某工程網(wǎng)架施工實(shí)例,介紹網(wǎng)架在施工過程中的監(jiān)測(cè)重點(diǎn),通過三維建模對(duì)網(wǎng)架施工過程中可能產(chǎn)生的變形和桿件在不同階段受力情況進(jìn)行研究,確保網(wǎng)架整體施工質(zhì)量。劉德斌[10]在星空大講堂工程中采用施工模擬分析技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合,確保了卸載施工質(zhì)量安全。王秀麗等[11]基于ANSYS有限元軟件對(duì)西寧某體育館屋蓋卸載施工進(jìn)行模擬,確定了結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變理論范圍并用于指導(dǎo)施工,確保了施工安全。王安琪[12]基于BIM技術(shù)研發(fā)了一種針對(duì)大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的可視化預(yù)警系統(tǒng),通過使用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行建模,計(jì)算得到結(jié)構(gòu)變形閾值,用于指導(dǎo)實(shí)際工程。

以鹽城黃海濕地博物館屋蓋桁架結(jié)構(gòu)為例,考慮實(shí)際工程荷載,通過有限元軟件建立施工模型,計(jì)算得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形閾值,并綜合運(yùn)用所布設(shè)的應(yīng)力、位移、溫度等傳感器,獲得施工各階段鋼結(jié)構(gòu)桁架及支撐胎架變形及應(yīng)力情況,與有限元計(jì)算得到的閾值進(jìn)行對(duì)比,指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工,為工程施工提供安全保障。

1 工程概況

鹽城黃海濕地博物館項(xiàng)目位于江蘇省鹽城市范公路以東、大慶路以南、通榆河以西、青年路以北。建筑結(jié)構(gòu)尺寸為220m×48m,最大結(jié)構(gòu)標(biāo)高為36.850m,桁架最大跨度為220m。該工程主要包括下部鋼框架結(jié)構(gòu)和屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu),為超過一定規(guī)模的危險(xiǎn)性較大分部分項(xiàng)工程。屋蓋桁架結(jié)構(gòu)主要由兩端13根格構(gòu)柱、內(nèi)部4根支撐柱、7榀主桁架、318榀次桁架和2組X形交叉桁架組成。工程外觀效果如圖1a所示,屋蓋7榀鋼桁架結(jié)構(gòu)如圖1b所示。

圖1 鹽城黃海濕地博物館

2 施工監(jiān)測(cè)方案

2.1 施工流程

博物館為大跨度空間桁架結(jié)構(gòu),主桁架跨度大、質(zhì)量大、空間定位難度大、施工過程復(fù)雜。施工單位采取分段吊裝(在分段點(diǎn)設(shè)置臨時(shí)支撐胎架)、高空組合的方法進(jìn)行;待屋面結(jié)構(gòu)施工完成后,再分區(qū)段分次卸載,解除屋蓋與胎架支撐的聯(lián)系,形成最終結(jié)構(gòu)體系。卸載過程中,胎架卸載順序遵循北側(cè)→南側(cè)→跨中逐級(jí)卸載。

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)屋蓋桁架結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及施工特點(diǎn),在桁架上弦桿、下弦桿、腹桿及支撐胎架上布設(shè)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括屋蓋桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形及格構(gòu)柱、胎架結(jié)構(gòu)傾角變化。通過對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力、應(yīng)變及傾角變化的監(jiān)測(cè),分析結(jié)構(gòu)受力特性和安全狀態(tài)。主要監(jiān)測(cè)設(shè)備如表1所示。

表1 主要監(jiān)測(cè)設(shè)備

2.2.1應(yīng)力、變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)屋蓋自身受力特點(diǎn)和施工方案,在桁架跨中及兩端布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。考慮結(jié)構(gòu)重要部位、應(yīng)力變化較大位置、主要受力構(gòu)件等因素,在屋面桁架跨中及兩端上、下層弦桿布設(shè)測(cè)點(diǎn)。同時(shí),考慮到該工程吊裝方法對(duì)空腹桁架空間位置要求高,同時(shí)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換對(duì)結(jié)構(gòu)變形也存在影響,在桁架布置若干變形測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形。變形測(cè)點(diǎn)布置在屋蓋大跨跨中、兩側(cè)端部等部位。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)區(qū)域如圖2所示。

圖2 屋蓋鋼桁架監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

應(yīng)力采用VW-102型振弦測(cè)讀儀和振弦式應(yīng)變計(jì)組成監(jiān)測(cè)系統(tǒng),振弦式應(yīng)變計(jì)適用于結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變和溫度測(cè)量,結(jié)合VW-102型振弦測(cè)讀儀可直接測(cè)量構(gòu)件應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等物理參量。

位移監(jiān)測(cè)擬采用焊接小棱鏡、鈦泊片和徠卡TS16 R500全站儀進(jìn)行測(cè)量。

2.2.2傾角監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

傾角監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在格構(gòu)柱豎桿頂部、支撐胎架頂部撐桿。傾角監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 傾角監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

傾角采用雙軸傾角儀監(jiān)測(cè),是一種高精度模擬電壓雙軸傾角傳感器。通過采集傳感器電壓值即可獲得傾斜角度。

3 卸載施工監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

博物館桁架結(jié)構(gòu)拼裝焊接完成后,于6月2日至6月5日進(jìn)行卸載施工,卸載期間對(duì)該工程應(yīng)力、變形及傾角進(jìn)行多次測(cè)量,并將測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算限值進(jìn)行比對(duì),分析卸載過程中結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。

3.1 桁架應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析

提取部分桁架上、下弦桿監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況,應(yīng)力正值表示受拉,負(fù)值表示受壓。屋蓋桁架部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化時(shí)程曲線如圖4所示(圖中am表示上午,pm表示下午,下同)。由圖4a可知,桁架上弦桿變形主要以受壓為主,最大壓應(yīng)力為-85.4MPa,出現(xiàn)在第1榀桁架跨中部位測(cè)點(diǎn),且6月3—4日監(jiān)測(cè)壓力值均已超過理論計(jì)算限值。由圖4b可知,第1,3榀桁架下弦桿以受拉為主,而第5,6榀桁架下弦桿以受壓為主,且均呈增大趨勢(shì)。

圖4 桁架測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化時(shí)程曲線

綜合分析可知,卸載初始階段,桁架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯應(yīng)力波動(dòng),隨著卸載工序的進(jìn)行,應(yīng)力呈現(xiàn)2種趨勢(shì):①應(yīng)力由增大趨勢(shì)變?yōu)闇p小趨勢(shì);②在卸載末期,應(yīng)力趨向于穩(wěn)定。此外,對(duì)比上弦桿與下弦桿應(yīng)力變化幅度,可以看出,卸載過程中桁架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。但隨著卸載的完成,被測(cè)桿件應(yīng)力水平趨于平穩(wěn),說明桁架結(jié)構(gòu)與初始應(yīng)力狀態(tài)相比,受力體系發(fā)生轉(zhuǎn)變,這種應(yīng)力變化說明結(jié)構(gòu)在應(yīng)力重分布中由局部受力轉(zhuǎn)變?yōu)檎w受力情況。結(jié)構(gòu)卸載完成后,構(gòu)件應(yīng)力水平均小于理論計(jì)算限值,處于安全狀態(tài)。

3.2 桁架變形監(jiān)測(cè)分析

為保證卸載過程中桁架安全,在卸載過程中,對(duì)每榀桁架水平及豎向變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。變形監(jiān)測(cè)中,初始值變化設(shè)定為0,豎向變形負(fù)值表示向下變形,正值表示向上變形。桁架結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 桁架變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖5可知,所有桁架均出現(xiàn)不同程度變形。隨著卸載過程進(jìn)行,所有測(cè)點(diǎn)水平變形均呈增大趨勢(shì)。在第1階荷載卸載時(shí),桁架豎向變形最大,隨后呈現(xiàn)穩(wěn)定增長,其中,第2～4榀桁架由于胎架拆除,在6月4日至6月5日出現(xiàn)二次變形。此外,由于部分桁架(如第1榀桁架)在卸載初期,支撐對(duì)桁架有1個(gè)向上初始應(yīng)力,使桁架豎向變形出現(xiàn)了1個(gè)反彈,隨著卸載過程不斷進(jìn)行,初始應(yīng)力得到釋放,沉降數(shù)值趨于平穩(wěn),所以在卸載初期,由于本身存在一個(gè)初應(yīng)力,使桁架實(shí)際豎向變形偏大。因此,在卸載初期與支撐拆除時(shí),應(yīng)加大對(duì)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)頻率。

3.3 格構(gòu)柱與胎架傾角監(jiān)測(cè)分析

格構(gòu)柱與胎架在卸載過程中的傾角監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。x向?yàn)槟媳毕?向南傾斜為正;y向?yàn)闁|西向,向東傾斜為正。由圖6可知,多數(shù)構(gòu)件傾角處于±0.2° 范圍,說明在卸載過程中構(gòu)件穩(wěn)定性較好。兩端格構(gòu)柱傾角測(cè)點(diǎn)在卸載過程中均變化不明顯,表明內(nèi)部支撐柱、兩端格構(gòu)柱基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。由圖6a～6c可知,結(jié)構(gòu)傾斜是一個(gè)漸變過程,未出現(xiàn)大的突變。圖6d～圖6g中,部分胎架傾角在監(jiān)測(cè)過程中發(fā)生了較大突變,這主要是由于卸載過程中胎架支撐桿件被切割時(shí)應(yīng)力、變形得到釋放,故傾角變化較大。

圖6 桁架格構(gòu)柱與胎架傾角監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 施工卸載過程有限元模擬

4.1 模型建立

采用MIDAS VERSION 9.2.6軟件中的施工過程有限元分析功能,對(duì)該部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工卸載過程模擬。鋼桁架桿系連接均采用空間梁單元進(jìn)行模擬。材料屬性為Q345鋼材,彈性模量為2.1×105MPa,剪切模量為8.1×104MPa,泊松比為0.3。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中支撐形式,設(shè)置邊界條件約束形式,在臨時(shí)支撐點(diǎn)約束其豎向位移,忽略臨時(shí)支撐產(chǎn)生的彈性及非彈性位移。有限元計(jì)算模型如圖7所示。

圖7 有限元計(jì)算模型

4.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證模型建立的有效性,將實(shí)際監(jiān)測(cè)桿件應(yīng)力與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。由計(jì)算結(jié)果可知,第1榀桁架應(yīng)力較大,因此選取第1榀桁架監(jiān)測(cè)點(diǎn)與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,桁架兩端為應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn),跨中部位為應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見圖8),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖9所示。

圖8 計(jì)算結(jié)果

由圖9可知,有限元計(jì)算應(yīng)力為-40～40MPa, 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示跨中上弦桿應(yīng)力值超過理論限值,除內(nèi)力重分布和受力不均勻等原因外,在施工過程中桁架間拼接工藝使桁架彎矩分布存在差異,同時(shí)桿件間連接球節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)力的耗散也有一定促進(jìn)作用,因此,其最終結(jié)果趨向于理論計(jì)算值范圍內(nèi)部。

4.3 應(yīng)變監(jiān)測(cè)與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比

工程現(xiàn)場(chǎng)胎架拆除遵循北側(cè)→南側(cè)→跨中施工順序。在有限元計(jì)算中模擬這一施工工序,第1榀桁架應(yīng)變結(jié)果如圖10所示。

圖10 第1榀桁架應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比

如圖10所示,卸載過程中,第1榀桁架應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)小于有限元計(jì)算結(jié)果。其主要原因是,在有限元計(jì)算中有很多假定,如將球節(jié)點(diǎn)假定為半剛接,而在實(shí)際工程中,節(jié)點(diǎn)連接方式遠(yuǎn)復(fù)雜于理論計(jì)算;在模型計(jì)算中,邊界約束條件也與實(shí)際工程有很大出入,如在桁架兩端,桿件端部除受軸力外還會(huì)受彎矩作用。此外,在有限元計(jì)算中,忽視了溫度對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響。因此,有限元計(jì)算值通常偏保守?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)值遠(yuǎn)小于理論值,這也說明理論計(jì)算僅能代表一種理想狀態(tài),桁架結(jié)構(gòu)安全施工更重要的是受施工工藝影響。

5 結(jié)語

本文對(duì)鹽城黃海濕地博物館屋蓋桁架結(jié)構(gòu)施工卸載過程的變形及應(yīng)力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及有限元計(jì)算,結(jié)合施工過程中實(shí)際情況,得出以下結(jié)論。

1)卸載過程中,桁架結(jié)構(gòu)弦桿產(chǎn)生了明顯應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng),上弦桿及下弦桿應(yīng)力在結(jié)構(gòu)卸載過程中出現(xiàn)不同程度應(yīng)力波動(dòng),說明結(jié)構(gòu)在卸載過程中引起了結(jié)構(gòu)不同程度內(nèi)力重分布,桁架結(jié)構(gòu)存在受力不均勻現(xiàn)象,隨著卸載完成,被測(cè)桿件應(yīng)力水平趨于平穩(wěn),說明桁架結(jié)構(gòu)通過卸載過程完成了受力體系轉(zhuǎn)變,卸載過程中存在結(jié)構(gòu)卸載完成后構(gòu)件應(yīng)力水平均處于理論計(jì)算限值范圍內(nèi),處于安全狀態(tài)。

2)卸載過程中,桁架水平變形均呈增大趨勢(shì)。在第1階荷載卸載時(shí),桁架豎向變形最大,隨后呈穩(wěn)定增長。部分桁架在卸載初期,支撐對(duì)桁架有一個(gè)向上初始應(yīng)力,使桁架豎向變形出現(xiàn)了一個(gè)反彈,隨著卸載過程不斷進(jìn)行,初始應(yīng)力得到釋放,沉降值趨于平穩(wěn),在卸載初期,桁架實(shí)際豎向變形偏大。因此,在卸載初期與支撐拆除時(shí),應(yīng)加大對(duì)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)頻率。

3)多數(shù)格構(gòu)柱與胎架傾角處于±0.2°范圍,說明在卸載過程中構(gòu)件穩(wěn)定性較好。兩端格構(gòu)柱傾角測(cè)點(diǎn)在卸載過程中均變化不明顯,表明內(nèi)部支撐柱、兩端格構(gòu)柱基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。部分胎架傾角在監(jiān)測(cè)過程中發(fā)生了較大突變,這主要是由于卸載過程中胎架支撐桿件被切割時(shí)應(yīng)力、變形得到釋放,故傾角變化較大。

4)采用MIDAS VERSION 9.2.6進(jìn)行施工卸載模擬,得出應(yīng)力、應(yīng)變理論限值,通過應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比,對(duì)桁架結(jié)構(gòu)卸載有很好的指導(dǎo)作用。