空间钢桁架结构卸载施工模拟及监测技术应用研究*

汤东婴,魏晓斌,孙正华,郭建祥,王若晨

(1.江苏省建筑工程质量检测中心有限公司,江苏 南京 210033;2.江苏省建筑科学研究院有限公司,江苏 南京 210008)

0 引言

近几十年来,随着我国经济快速发展和功能需求的提升,城市建设对建筑造型及建筑使用功能的要求逐步提高。大跨度空间结构以其造型独特、空间跨度大等特点被广泛应用于会展中心、博物馆、体育馆等重要大型公共建筑[1-2]。目前,许多国家均已建有大量大跨度空间桁架结构建筑,建筑物跨度、规模也越来越大。然而,大跨空间桁架结构因受力特殊性、结构复杂性、施工难度高等原因[3-5],在施工过程和运行期间易出现受力不均、构件劣化等问题,严重时甚至引起结构坍塌等事故,造成生命和财产损失。过去20年里,已有多起钢结构屋面坍塌事故报道[6-7]。2004年,法国戴高乐机场2E候机楼因温差反复作用引起结构裂缝对壳体产生冲剪破坏,最终导致屋面弯折破坏。2005年,内蒙古新丰热电项目主厂房球形网架结构因在未形成结构整体受力的情况下进行交叉施工,致使结构焊缝脆性断裂,发生连续坍塌。2010年,鄂尔多斯那达慕运动场钢结构顶棚因温度骤降导致钢结构收缩发生坍塌。因此,需采取适当手段保障结构施工及运营期安全。

目前,最行之有效的安全保障手段是通过监测手段获取结构异常变形及应力信息[8]。通常是通过在结构关键受力部位及施工中可能受影响区域布置传感器或监测点,进而获取结构在荷载、环境影响等工况下的应力、应变信息,评估其当前健康状态。罗浩等[9]结合某工程网架施工实例,介绍网架在施工过程中的监测重点,通过三维建模对网架施工过程中可能产生的变形和杆件在不同阶段受力情况进行研究,确保网架整体施工质量。刘德斌[10]在星空大讲堂工程中采用施工模拟分析技术与现场监测技术结合,确保了卸载施工质量安全。王秀丽等[11]基于ANSYS有限元软件对西宁某体育馆屋盖卸载施工进行模拟,确定了结构构件应力应变理论范围并用于指导施工,确保了施工安全。王安琪[12]基于BIM技术研发了一种针对大跨度网架结构的可视化预警系统,通过使用有限元软件对结构整体进行建模,计算得到结构变形阈值,用于指导实际工程。

以盐城黄海湿地博物馆屋盖桁架结构为例,考虑实际工程荷载,通过有限元软件建立施工模型,计算得到结构应力、变形阈值,并综合运用所布设的应力、位移、温度等传感器,获得施工各阶段钢结构桁架及支撑胎架变形及应力情况,与有限元计算得到的阈值进行对比,指导现场施工,为工程施工提供安全保障。

1 工程概况

盐城黄海湿地博物馆项目位于江苏省盐城市范公路以东、大庆路以南、通榆河以西、青年路以北。建筑结构尺寸为220m×48m,最大结构标高为36.850m,桁架最大跨度为220m。该工程主要包括下部钢框架结构和屋盖钢桁架结构,为超过一定规模的危险性较大分部分项工程。屋盖桁架结构主要由两端13根格构柱、内部4根支撑柱、7榀主桁架、318榀次桁架和2组X形交叉桁架组成。工程外观效果如图1a所示,屋盖7榀钢桁架结构如图1b所示。

图1 盐城黄海湿地博物馆

2 施工监测方案

2.1 施工流程

博物馆为大跨度空间桁架结构,主桁架跨度大、质量大、空间定位难度大、施工过程复杂。施工单位采取分段吊装(在分段点设置临时支撑胎架)、高空组合的方法进行;待屋面结构施工完成后,再分区段分次卸载,解除屋盖与胎架支撑的联系,形成最终结构体系。卸载过程中,胎架卸载顺序遵循北侧→南侧→跨中逐级卸载。

2.2 监测内容及测点布置

根据屋盖桁架结构受力特点及施工特点,在桁架上弦杆、下弦杆、腹杆及支撑胎架上布设测点,监测内容包括屋盖桁架结构应力、变形及格构柱、胎架结构倾角变化。通过对关键构件应力、应变及倾角变化的监测,分析结构受力特性和安全状态。主要监测设备如表1所示。

表1 主要监测设备

2.2.1应力、变形监测点布设

根据屋盖自身受力特点和施工方案,在桁架跨中及两端布置应力测点。考虑结构重要部位、应力变化较大位置、主要受力构件等因素,在屋面桁架跨中及两端上、下层弦杆布设测点。同时,考虑到该工程吊装方法对空腹桁架空间位置要求高,同时结构体系转换对结构变形也存在影响,在桁架布置若干变形测点,监测结构变形。变形测点布置在屋盖大跨跨中、两侧端部等部位。监测点布设区域如图2所示。

图2 屋盖钢桁架监测点布置

应力采用VW-102型振弦测读仪和振弦式应变计组成监测系统,振弦式应变计适用于结构表面应变和温度测量,结合VW-102型振弦测读仪可直接测量构件应力、应变、温度等物理参量。

位移监测拟采用焊接小棱镜、钛泊片和徕卡TS16 R500全站仪进行测量。

2.2.2倾角监测点布设

倾角监测点布置在格构柱竖杆顶部、支撑胎架顶部撑杆。倾角监测点布置如图3所示。

图3 倾角监测点布置

倾角采用双轴倾角仪监测,是一种高精度模拟电压双轴倾角传感器。通过采集传感器电压值即可获得倾斜角度。

3 卸载施工监测结果及分析

博物馆桁架结构拼装焊接完成后,于6月2日至6月5日进行卸载施工,卸载期间对该工程应力、变形及倾角进行多次测量,并将测量结果与理论计算限值进行比对,分析卸载过程中结构变形规律。

3.1 桁架应力监测分析

提取部分桁架上、下弦杆监测数据,分析桁架结构应力变化情况,应力正值表示受拉,负值表示受压。屋盖桁架部分测点应力变化时程曲线如图4所示(图中am表示上午,pm表示下午,下同)。由图4a可知,桁架上弦杆变形主要以受压为主,最大压应力为-85.4MPa,出现在第1榀桁架跨中部位测点,且6月3—4日监测压力值均已超过理论计算限值。由图4b可知,第1,3榀桁架下弦杆以受拉为主,而第5,6榀桁架下弦杆以受压为主,且均呈增大趋势。

图4 桁架测点应力变化时程曲线

综合分析可知,卸载初始阶段,桁架结构产生明显应力波动,随着卸载工序的进行,应力呈现2种趋势:①应力由增大趋势变为减小趋势;②在卸载末期,应力趋向于稳定。此外,对比上弦杆与下弦杆应力变化幅度,可以看出,卸载过程中桁架结构出现应力集中现象。但随着卸载的完成,被测杆件应力水平趋于平稳,说明桁架结构与初始应力状态相比,受力体系发生转变,这种应力变化说明结构在应力重分布中由局部受力转变为整体受力情况。结构卸载完成后,构件应力水平均小于理论计算限值,处于安全状态。

3.2 桁架变形监测分析

为保证卸载过程中桁架安全,在卸载过程中,对每榀桁架水平及竖向变形进行监测。变形监测中,初始值变化设定为0,竖向变形负值表示向下变形,正值表示向上变形。桁架结构变形监测结果如图5所示。

图5 桁架变形监测结果

由图5可知,所有桁架均出现不同程度变形。随着卸载过程进行,所有测点水平变形均呈增大趋势。在第1阶荷载卸载时,桁架竖向变形最大,随后呈现稳定增长,其中,第2～4榀桁架由于胎架拆除,在6月4日至6月5日出现二次变形。此外,由于部分桁架(如第1榀桁架)在卸载初期,支撑对桁架有1个向上初始应力,使桁架竖向变形出现了1个反弹,随着卸载过程不断进行,初始应力得到释放,沉降数值趋于平稳,所以在卸载初期,由于本身存在一个初应力,使桁架实际竖向变形偏大。因此,在卸载初期与支撑拆除时,应加大对结构的监测频率。

3.3 格构柱与胎架倾角监测分析

格构柱与胎架在卸载过程中的倾角监测结果如图6所示。x向为南北向,向南倾斜为正;y向为东西向,向东倾斜为正。由图6可知,多数构件倾角处于±0.2° 范围,说明在卸载过程中构件稳定性较好。两端格构柱倾角测点在卸载过程中均变化不明显,表明内部支撑柱、两端格构柱基本处于稳定状态。由图6a～6c可知,结构倾斜是一个渐变过程,未出现大的突变。图6d～图6g中,部分胎架倾角在监测过程中发生了较大突变,这主要是由于卸载过程中胎架支撑杆件被切割时应力、变形得到释放,故倾角变化较大。

图6 桁架格构柱与胎架倾角监测结果

4 施工卸载过程有限元模拟

4.1 模型建立

采用MIDAS VERSION 9.2.6软件中的施工过程有限元分析功能,对该部分结构进行施工卸载过程模拟。钢桁架杆系连接均采用空间梁单元进行模拟。材料属性为Q345钢材,弹性模量为2.1×105MPa,剪切模量为8.1×104MPa,泊松比为0.3。根据设计图纸中支撑形式,设置边界条件约束形式,在临时支撑点约束其竖向位移,忽略临时支撑产生的弹性及非弹性位移。有限元计算模型如图7所示。

图7 有限元计算模型

4.2 应力监测与有限元计算结果对比

为验证模型建立的有效性,将实际监测杆件应力与有限元结果进行对比。由计算结果可知,第1榀桁架应力较大,因此选取第1榀桁架监测点与计算值进行对比,桁架两端为应变监测点,跨中部位为应力、应变监测点(见图8),现场实测结果与数值模型计算结果对比如图9所示。

图8 计算结果

由图9可知,有限元计算应力为-40～40MPa, 现场监测结果显示跨中上弦杆应力值超过理论限值,除内力重分布和受力不均匀等原因外,在施工过程中桁架间拼接工艺使桁架弯矩分布存在差异,同时杆件间连接球节点对应力的耗散也有一定促进作用,因此,其最终结果趋向于理论计算值范围内部。

4.3 应变监测与有限元计算结果对比

工程现场胎架拆除遵循北侧→南侧→跨中施工顺序。在有限元计算中模拟这一施工工序,第1榀桁架应变结果如图10所示。

图10 第1榀桁架应变监测结果与有限元计算结果对比

如图10所示,卸载过程中,第1榀桁架应变实测结果远小于有限元计算结果。其主要原因是,在有限元计算中有很多假定,如将球节点假定为半刚接,而在实际工程中,节点连接方式远复杂于理论计算;在模型计算中,边界约束条件也与实际工程有很大出入,如在桁架两端,杆件端部除受轴力外还会受弯矩作用。此外,在有限元计算中,忽视了温度对结构变形的影响。因此,有限元计算值通常偏保守。现场应变监测值远小于理论值,这也说明理论计算仅能代表一种理想状态,桁架结构安全施工更重要的是受施工工艺影响。

5 结语

本文对盐城黄海湿地博物馆屋盖桁架结构施工卸载过程的变形及应力进行了现场监测及有限元计算,结合施工过程中实际情况,得出以下结论。

1)卸载过程中,桁架结构弦杆产生了明显应力应变响应,上弦杆及下弦杆应力在结构卸载过程中出现不同程度应力波动,说明结构在卸载过程中引起了结构不同程度内力重分布,桁架结构存在受力不均匀现象,随着卸载完成,被测杆件应力水平趋于平稳,说明桁架结构通过卸载过程完成了受力体系转变,卸载过程中存在结构卸载完成后构件应力水平均处于理论计算限值范围内,处于安全状态。

2)卸载过程中,桁架水平变形均呈增大趋势。在第1阶荷载卸载时,桁架竖向变形最大,随后呈稳定增长。部分桁架在卸载初期,支撑对桁架有一个向上初始应力,使桁架竖向变形出现了一个反弹,随着卸载过程不断进行,初始应力得到释放,沉降值趋于平稳,在卸载初期,桁架实际竖向变形偏大。因此,在卸载初期与支撑拆除时,应加大对结构的监测频率。

3)多数格构柱与胎架倾角处于±0.2°范围,说明在卸载过程中构件稳定性较好。两端格构柱倾角测点在卸载过程中均变化不明显,表明内部支撑柱、两端格构柱基本处于稳定状态。部分胎架倾角在监测过程中发生了较大突变,这主要是由于卸载过程中胎架支撑杆件被切割时应力、变形得到释放,故倾角变化较大。

4)采用MIDAS VERSION 9.2.6进行施工卸载模拟,得出应力、应变理论限值,通过应力、应变计算结果与现场实测结果对比,对桁架结构卸载有很好的指导作用。