大跨度穹頂卸載全過程變形模擬與監(jiān)測

付世虎，孔 杰，顏 斌

（揚州市建偉建設(shè)工程檢測中心有限公司，江蘇 揚州 225000）

0 引言

大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑已在我國廣泛應(yīng)用，其特點是可以滿足大空間要求、適合個性化建筑方案，難點是建造成本高、施工工藝復(fù)雜、安全系數(shù)要求高。大跨度穹頂結(jié)構(gòu)施工過程，基本是一頂一方案，所以科學(xué)的監(jiān)測有助于穹頂結(jié)構(gòu)處于正常的工作狀態(tài)。

大跨度穹頂施工卸載需要準(zhǔn)確地對全過程受力體系的模擬計算，同時對卸載過程各種監(jiān)測也缺一不可。近年來，李錦城［1］使用全站儀精確測定了大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋架撓度變形，楊愛萍等［2］使用 S1型精密水準(zhǔn)儀分別對網(wǎng)架自重及網(wǎng)架屋面工程在設(shè)計荷載作用前、后的撓度進行測量，冷明［3］對橢圓形弦支彎頂施工全過程監(jiān)測及短索索力測試進行了研究，丁藝杰［4］對某大跨度鋼桁架項目進行了施工過程數(shù)值模擬分析和實時的監(jiān)測，李月先等［5］布設(shè)了基準(zhǔn)網(wǎng)對大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋滑移、卸載、鋼屋蓋面板安裝進行了現(xiàn)場變形實時監(jiān)測。

基于大跨度穹頂施工卸載全過程受力變形的情況，大部分只是對現(xiàn)場施工變形進行監(jiān)測，很少對卸載方案進行合理的優(yōu)化，進而確定可行的監(jiān)測方案。本文以實際工程某大型屋面穹頂結(jié)構(gòu)施工卸載變形監(jiān)測為例，采用 Midas Gen 有限元分析軟件對卸載過程進行數(shù)值模擬分析，確定可靠的卸載方案后，對現(xiàn)場進行實時地監(jiān)測，驗證了數(shù)值模擬的重要性，可供相關(guān)工程實踐提供參考。

1 工程概況

某醫(yī)院屋蓋采用橢圓形穹頂結(jié)構(gòu)，長軸約 91.32 m，短軸約 49.63 m，投影面積 3 420 m2，總用鋼量為 340 t，包含 452 個榖節(jié)點，1 310 根方鋼構(gòu)件焊接組成。經(jīng)深化設(shè)計后分為 68 個單元格模塊，穹頂完成后共有 12 個受力支撐點，其中最大跨兩支撐點間距為36.4 m，最大懸挑為 12.8 m，該工程穹頂如圖1 所示。

圖1 橢圓形穹頂現(xiàn)場圖

該工程 272 個轂節(jié)點先在混凝土基礎(chǔ)上打好點，下方增加 272 個立桿。立桿上部安裝可調(diào)節(jié)頂針，在頂針上部焊接尖頭物體，保證尖頭物體與穹頂單元模塊榖節(jié)點下部中心對接。榖節(jié)點下可調(diào)節(jié) U 托的使用，不僅可以將安裝的測量（位置及標(biāo)高）工作提前，更為穹頂?shù)恼w卸載提供了方便，轂節(jié)點設(shè)計如圖2 所示。該工程關(guān)系到百年大計，其工程質(zhì)量必須全部合格，因此需選擇最優(yōu)的卸載方案，配備精確的監(jiān)測必不可少。

圖2 轂形節(jié)點示意圖

2 大跨度穹頂卸載全過程模擬分析

本文使用 Midas Gen 有限元分析軟件，依據(jù)設(shè)計圖紙情況，使用實際截面尺寸，賦予材料相匹配的屬性，設(shè)置各支座相應(yīng)的約束，建立大跨度穹頂結(jié)構(gòu)模型，施加穹頂施工卸載過程的荷載，對不同階段進行應(yīng)力、變形數(shù)值模擬分析，使模擬分析過程能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)現(xiàn)場的卸載工況。

2.1 卸載模型的模型建立

根據(jù)本工程單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的受力特點，將滿堂腳手架按照位置進行分區(qū)，分區(qū)如圖3 所示。其中 1 區(qū)為外環(huán)懸挑部分，2 區(qū)為周邊支撐位置（支撐作最后卸載），3 區(qū)為中心區(qū)域。為論證合理的拆除順序，分兩種卸載次序，方案一是 3 區(qū)－1 區(qū)－2 區(qū)；方案二是1區(qū)－3 區(qū)－2 區(qū)。

圖3 穹頂模擬分區(qū)示意圖

對穹頂所有桿件采用梁單元模擬，滿堂腳手架支撐的位置設(shè)置鉸支座，模型構(gòu)件所有尺寸均按實際尺寸輸入。恒荷載考慮結(jié)構(gòu)自重以及屋面恒荷載，自重放大系數(shù)根據(jù)實際的用鋼量取 1.3 倍放大系數(shù)，由軟件自動加載。施工階段不考慮屋面活荷載，風(fēng)荷載取 10 年一遇基本風(fēng)壓 0.25 kN/m2，地面粗糙度按 B 類考慮，結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4 所示。

圖4 穹頂結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 卸載模擬結(jié)果

通過設(shè)置好結(jié)構(gòu)單元、邊界條件及荷載后，按照實際卸載情況分階段考慮穹頂受力情況。在初始狀態(tài)下，整個穹頂采用滿堂腳手架支撐，計算得初始最大應(yīng)力為 4 MPa，如圖5 所示；結(jié)構(gòu)初始最大變形為 3 mm，如圖6 所示。

圖5 穹頂初始狀態(tài)下應(yīng)力圖

圖6 穹頂初始狀態(tài)下變形圖

按照預(yù)設(shè)的兩種卸載次序分別模擬計算，最終獲得不同次序與各階段的應(yīng)力、變形云圖。

按照方案一的卸載順序 3 區(qū)－1 區(qū)－2 區(qū)，模擬得到的結(jié)果如下。應(yīng)力發(fā)展過程由跨中向外圍逐漸增大，跨中最大值為 126 MPa，如圖7 所示；變形由跨中向外擴展，跨中部分逐漸達到 41 mm，懸挑端部達到 55 mm，如圖8 所示。

圖7 方案一穹頂應(yīng)力圖

圖8 方案一穹頂變形圖

按照方案二的卸載順序為 1 區(qū)－3 區(qū)－2 區(qū)，模擬得到的結(jié)果為應(yīng)力發(fā)展過程由懸挑根部逐漸向跨中增大，其中懸挑根部最大應(yīng)力達到 89 MPa，跨中最終同樣達到 126 MPa，如圖9 所示；變形由懸挑端部向跨中發(fā)展，最終懸挑端部最大變形為 55 mm，如圖10 所示。

圖9 方案二穹頂應(yīng)力圖

圖10 方案二穹頂變形圖

通過上述模擬分析得知，采用方案一的卸載順序，即先拆跨中區(qū)域的腳手架，再拆懸挑位置的腳手架時，結(jié)構(gòu)的整體變形以及應(yīng)力狀態(tài)變化更加平順。

3 大跨度穹頂卸載全過程監(jiān)測

由模擬預(yù)知，該穹頂卸載過程中存在較大的內(nèi)力重分布和變形，故現(xiàn)場需要對內(nèi)力與變形進行監(jiān)測，內(nèi)力監(jiān)測由現(xiàn)場貼應(yīng)變片和安裝應(yīng)力傳感器，變形由現(xiàn)場預(yù)固定好位移控制點進行測量。本文針對變形進行監(jiān)測與分析。

3.1 卸載變形量監(jiān)測方案

依據(jù)現(xiàn)有國家規(guī)范 JGJ 8－2016《建筑變形測量規(guī)范》、GB/T 50621－2010《鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等采用高精度全站儀對該穹頂進行變形監(jiān)測。

監(jiān)測次數(shù)按卸載過程分兩次，分別為卸載前一次和卸載完穩(wěn)定后一次?？紤]到結(jié)構(gòu)對稱性和變形特點，監(jiān)測點數(shù)共設(shè) 23 個。支座 12 個測點（用 A1～A12表示），跨中 3 個測點（用 C1～C3表示），外圍懸挑部分設(shè) 8 個測點（用 B1～B8表示），各測點布置如圖11 所示。監(jiān)測前，各測點做好明顯標(biāo)記，且固定牢靠。每次檢測時，儀器應(yīng)處于完好狀況，無外界干擾（振動、強風(fēng)或者溫差較大）等因素影響，采取同人、同測站、同儀器等同條件下進行變形檢測。

圖11 穹頂變形測點布置圖

3.2 卸載監(jiān)測結(jié)果

兩次檢測結(jié)果為便于統(tǒng)計分析，采取相對變形值進行處理，各測點豎向終變形值按照圖12 所示計算，計算公式如式（1）所示，各測點實測相對變形結(jié)果（以 A1點為基礎(chǔ)點）如表1 所示。

表1 各監(jiān)測點變形結(jié)果表

圖12 豎向變形計算簡圖

由表1 可知，整個穹頂水平面上變形主要集中在 X 向，并且分布在外懸挑部分，Y 向變形相對 X 向較?。徽麄€穹頂豎向變形主要集中在穹頂中心點與外懸挑端點。

4 變形模擬結(jié)果與監(jiān)測對比分析

本文模擬使用的模型與實測穹頂結(jié)構(gòu)基本一致，如構(gòu)件尺寸、連接節(jié)點、支座約束條件、荷載邊界條件、荷載作用工況與大小等。

通過有限元模擬變形的結(jié)果與實測結(jié)果對比分析，表明實測施工卸載過程的變形值小于模擬變形值，但變化趨勢與模擬的基本一致，其結(jié)果驗證了該穹頂模型施工卸載次序的正確性；實測結(jié)果在水平面上存在一定程度的扭轉(zhuǎn)，這與施工誤差、測量誤差相關(guān)，但總體監(jiān)測值在規(guī)范允許范圍內(nèi)，是滿足整個結(jié)構(gòu)安全要求的。

5 結(jié)語

通過以上數(shù)值模擬與實測變形分析可知，大跨度穹頂結(jié)構(gòu)的卸載必須經(jīng)過專項論證、實時監(jiān)測，確保整個結(jié)構(gòu)卸載時不引起構(gòu)件較大的損傷，不造成安全事故。根據(jù)理論分析與實踐經(jīng)驗，本文結(jié)論如下。

1）有限元數(shù)值模擬有效論證施工全過程穹頂結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化與變形的發(fā)展情況，為實際施工卸載次序提供了技術(shù)支撐，提高了工作效率，節(jié)約成本，保證了結(jié)構(gòu)安全。

2）有限元的模擬結(jié)果為實際監(jiān)測點的布置提供了指導(dǎo)作用，減少盲目的測點。

3）變形監(jiān)測時，注意避免外界環(huán)境等不確定因素對檢測時的影響。

4）對穹頂結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測能及時發(fā)現(xiàn)問題，為后續(xù)穹頂?shù)慕】当O(jiān)測提供依據(jù)。Q