某体育馆钢桁架屋盖卸载监测研究

袁 程,任 珉,叶 茂

(广州大学,广东广州 510006)

新兴复杂土木工程结构的建设,如大跨空间结构、超高层建筑、地铁、大型桥梁等在施工过程中,都存在结构受力体系转换的问题,这就对施工技术提出了更高的要求,而施工阶段风险率很高,因此上述复杂土木结构施工阶段就成为结构安全的关键阶段,为此对施工过程进行监测,获取重要部位的关键数据,掌握关键工序施工时结构的受力状态,,采取有效措施排除安全隐患,可有力的保障结构的施工过程安全[1]。

目前,上海源深体育馆采用位移传感器、振弦式应变计和索力动测仪等先进传感测量仪器对施工过程中结构变形与构件截面应力进行监测,效果良好[2]。上海松江大学城游泳馆的钢结构屋盖也采用类似监测方法,监测结果表明结构的空间位置及形状满足设计要求[3]。广州亚运城体操馆钢结构屋盖施工难度大,为确保施工安全,首先采用有限元法对屋盖钢结构体系的安装过程进行模拟分析,然后对屋盖结构应力和变形情况进行监测,结果表明有限元分析结果和监测数据都为评估体操馆的施工安全提供了重要依据[4]。

1 工程简介

广州国际体育演艺中心(如图1所示)为符合NBA和AEG标准的大型综合性体育场馆,是继北京五棵松体育馆、上海世博会演艺中心之后全国第三个集体育、演艺活动为一体的大型综合场馆,体育馆由屋面钢结构屋架和混凝土主体结构组成。钢结构屋架包括136 m×106 m的主场馆屋架和110 m×20 m的训练馆屋架两部分。主场馆屋架钢结构采用钢桁架结构,纵横桁架正交分布,主要由10榀跨度为79.7 m～106.2 m,高8.2 m～12.1 m的主桁架和两榀跨度136.2 m,桁架高11.8 m的次桁架组成(如图2所示)。

图1 广州国际体育演艺中心体育馆效果图

图2 主场馆屋架结构桁架布置图

大跨度空间钢结构施工过程是一个动态系统,涉及结构或构件吊装、滑移、提升,临时支撑拆除卸载等,而施工中待装结构构件的约束条件、荷载情况、力学模型与使用阶段的设计约束条件、荷载情况、力学模型均有很大区别,结构构件受力复杂,不确定影响因素多,这些将引起结构杆件内力变化,并可能使结构构件损伤,而这些因素的影响又难以预先精确估计,所以需对大跨度空间钢结构的施工过程进行监控。

2 实施方案

为确保能够有效得到广州国际体育演艺中心钢屋盖结构施工过程中关键节点位移和关键杆件应力的变化趋势,确保结构安全,需制订详实的钢屋盖结构施工过程监测方案[5]。

2.1 测点布置及仪器

包括大跨钢屋盖结构杆件应力和节点位移的测点布置(如图3、图4所示),其中关键杆件包括上弦杆、下弦杆、斜腹杆,腹杆测点布置均距下弦节点150 cm,基康振弦式应变计均布置在杆件侧面中和轴上,获取屋盖卸载施工时杆件的轴向应变;在屋盖跨中、跨边、支座关键处布置反光片,监控屋盖卸载施工过程中的关键节点位移,在具体实施方案中对测点进行了编号,此处不再详述。

图3 屋盖结构应力测点布置图

图4 屋盖结构位移测点布置图

监测仪器包括Micro-40应变自动采集仪、手持式基康-408人工读数仪,以及瑞士徕卡TCA2003全站仪。

2.2 卸载过程

根据施工组织设计,胎架现场布置如图5所示,胎架卸载点与屋盖结构的位置关系如图6所示,各卸载点卸载量见表1,共分7个卸载阶段逐步均匀卸载。

图5 胎架拆除前现场示意图

图6 胎架卸载点与屋面结构的位置关系

表1 各卸载点卸载量表

3 监测结果分析

3.1 应变分析

为便于现场监测,将各应力测点进行编号,其中,11、15、27、31 号传感器对应下弦杆测点;12、16、20、24号传感器对应上弦杆测点;13、17、21、25号传感器对应于斜腹杆测点。将桁架吊装前与卸载前测得关键点的两次数据作差,通过模数转换为应变的计算公式,得到监测杆件应变的初始值。图7、图8和图9分别给出了下弦杆、上弦杆及斜腹杆在广州国际体育演艺中心大跨钢屋盖结构胎架卸载过程中的应变变化趋势图。

图7 下弦杆应变变化对比图

图8 上弦杆应变变化对比图

图9 斜腹杆应变变化对比图

图7表明,卸载过程中,各个结构部位的下弦杆在卸载前、卸载中和卸载后均承受拉力,且受拉应变逐渐增大;各下弦杆的初始应变大约为50μ ε左右,从图7中还明显表明各下弦杆件应变发生了7次突变,各杆件相对于其初始安装状态的应变变化范围为0～300μ ε,各钢构件的应变增量与钢材的屈服应变相比,杆件的应变变化都不大,都控制在结构设计的范围之内。对应于7个卸载阶段,即表明每次卸载结构下弦杆的内力都发生了重分布,并从侧面验证了本次应变监测结果的有效性;在卸载完成之后,图7还表明整个大跨屋盖结构体系下弦杆内力分布趋于稳定。

砂石料：按要求选用天然河砂和人工碎石，天然河砂产自麻城巴河，经人工淘洗保证含泥量满足要求；人工碎石选用湖北阳新生产的5～10mm和10～20mm的石灰岩碎石，天然河砂和人工碎石经检测均满足规范要求。

图8表明,对于上弦杆,以在焊接拼装时的内力分布为初始状态,初始应变量约为100μ ε左右。卸载过程中,上弦杆的内力都朝着受压的方向发展,在卸载完后,所有上弦杆都处于受压状态,通过以上对上弦杆的应变监测分析表明,上弦杆件的受力不但是受压越来越大,且部分杆件的受力性质都发生了变化,即从受拉状态转变为受压状态。图8也显示出与图7相同的7次应变突变。

图9表明,卸载过程中,各个结构部位的下弦杆在卸载前、卸载中和卸载后均承受压力,且受压应变逐步增大;对于斜腹杆,初始应变量为20μ ε左右,卸载完后,各杆件相对于其初始安装状态的应变变化范围为 50μ ε～ 200μ ε,与钢材的屈服应变相比,其变化范围在结构设计的控制范围之内。

图10给出了同一测点,Micro-40应变自动采集仪和手持式基康-408人工读数仪的监测结果对比,表明两种仪器测得应变变化趋势结果基本吻合,侧面证明监测仪器测得数据的准确性。

图10 采集仪器分类应变对比图

3.2 挠度分析

图11给出了各榀桁架卸载后的竖向位移沉降。图11表明,胎架拆除后,各榀桁架竖向位移沉降曲线的变化趋势基本一致,且在自重和其他施工因素的作用下,跨度越大的桁架其竖向沉降位移越大,如边跨桁架1与10、2与9,卸载后的竖向沉降位移明显小于其他桁架;各榀桁架竖向位移沉降测量点包括各榀桁架跨中、跨边和支座处,其中边跨测点位于塔架支撑处,胎架对其影响最大,甚至超过跨中位置。

4 卸载实测结果与模拟分析结果对比

运用大型有限元软件来对结构卸载过程进行模拟分析,能够比较精确的得到结构卸载过程中所处受力状态,是现阶段能较好预测结构卸载过程受力状态变化的有效工具。

4.1 模拟方法

本文的施工卸载过程模拟在大型通用有限元软件ANSYS中进行,钢结构杆件用BEAM188单元建立模型,假定支座处均是铰接,如图12。由于屋盖没有大型机械施工,且无重物堆放,施工活荷载相对较小,故荷载仅为钢梁自重。

图12 ANSYS10.0模型示意图

4.2 应力实测值与计算值对比

应力实测值是通过胎架卸载前后应变增量,再转换为应力值;在胎架卸载前,集中对所有监测点进行数据采集,保证了数据的一致性。图13给出了理论值与实测值对比的相对误差。

图13 应力实测值与理论值的相对误差图

图13表明,实测值与理论值相差并不大,相对误差大多分布在20%之内,说明有限元施工模拟效果良好,有个别测点的误差相对较大,产生误差的原因有:①误差率超过20%的测点均为下弦测点,说明在实际施工环境下结构受力体系的转变对下弦杆的内力变化影响较大,因此误差也较大;②计算模型只加载了屋盖的自重,未考虑其他施工因素对杆件应力产生的影响;③在现场进行数据实测时,温度有高低不等,甚至有高达20多度的温差;④施工现场的焊接、吊装等作业产生的噪音与振动都会给监测结果带来一定影响。

4.3 挠度实测值与理论值对比

图14给出了3榀桁架挠度变化曲线的实测和模拟结果对比。

图14表明,实测和模拟桁架挠度曲线的变化趋势一致,同时也表明,由于未考虑施工荷载和部分屋盖自重等因素的影响,仅计算自重钢屋盖结构自重荷载作用下的模拟结果相比于实测值要偏小,但误差并不大,验证了现场监测结果的有效性。

图14 挠度实测值与理论值对比图

5 结 论

大跨度空间结构卸载前必须制定合理的卸载方案,充分考虑卸载顺序、卸载量等因素对于结构卸载过程受力的影响[6]。本项目首先通过监测卸载过程中结构关键部位应变和应力的变化趋势,为结构卸载过程提供准确可靠的测试数据,正确评价卸载过程中结构的受力性能,并及时诊断结构构件出现的损伤情况,避免安全隐患;然后通过对比实测结果和模拟分析结果,验证模拟方法的可靠性。主要结论如下:

(1)通过对上弦杆、下弦杆和腹杆的胎架卸载过程监测表明,下弦杆在卸载前、卸载中和卸载后均承受拉力,且受拉应变逐步增大;对于上弦杆,在卸载前,大部分杆件受压,但也有部分杆件受拉,卸载过程中,上弦杆的内力都朝着受压的方向发展,在卸载完后,所有上弦杆都处于受压状态;下弦杆在卸载前、卸载中和卸载后均承受压力,且受压应变逐步增大。

(2)上弦杆、下弦杆和腹杆应变在胎架卸载过程中均呈现出明显的7次突变,与结构卸载的7个阶段相对应,即表明每次卸载结构内力都发生重分布。

(3)卸载完后,整个大跨屋盖结构体系下弦杆内力分布趋于稳定。

(4)通过应力、挠度实测结果和模拟分析结果对比,表明模拟分析结果可大体反映大跨屋盖结构在卸载过程中的内力重分布过程,可用于指导实际大跨屋盖结构的卸载过程,但由于实际工程结构的复杂性,其误差相对来说还比较大。

[1] 钱稼茹,张微敬,赵作周,等.北京大学体育馆钢屋盖施工模拟与监测[J].土木工程学报,2009,42(9):13-20.

[2] 刘晟,薛伟辰.上海源深体育馆预应力张弦梁施工监测研究[J].建筑科学与工程学报,2008,25(3):96-101.

[3] 常建新,周建民,陈顺.大跨度空间钢管桁架屋盖的卸载过程模拟计算与控制[J].建筑施工,2007,29(5):325-327.

[4] 张海燕,石开荣.广州亚运城体操馆钢结构屋盖施工检测及施工模拟分析[J].建筑技术,2010,41(7):614-616.

[5] 秦 杰,王泽强,张 然,等.2008奥运会羽毛球馆预应力施工监测研究[J].建筑结构学报,2007,28(6):83-91.

[6] 张启伟.大型桥梁健康监测概念与监测系统设计[J].同济大学学报(自然科学版),2001,29(1):65-69.