袁 程,任 珉,葉 茂

(廣州大學(xué),廣東廣州 510006)

新興復(fù)雜土木工程結(jié)構(gòu)的建設(shè),如大跨空間結(jié)構(gòu)、超高層建筑、地鐵、大型橋梁等在施工過程中,都存在結(jié)構(gòu)受力體系轉(zhuǎn)換的問題,這就對施工技術(shù)提出了更高的要求,而施工階段風(fēng)險率很高,因此上述復(fù)雜土木結(jié)構(gòu)施工階段就成為結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵階段,為此對施工過程進行監(jiān)測,獲取重要部位的關(guān)鍵數(shù)據(jù),掌握關(guān)鍵工序施工時結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),,采取有效措施排除安全隱患,可有力的保障結(jié)構(gòu)的施工過程安全[1]。

目前,上海源深體育館采用位移傳感器、振弦式應(yīng)變計和索力動測儀等先進傳感測量儀器對施工過程中結(jié)構(gòu)變形與構(gòu)件截面應(yīng)力進行監(jiān)測,效果良好[2]。上海松江大學(xué)城游泳館的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋也采用類似監(jiān)測方法,監(jiān)測結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的空間位置及形狀滿足設(shè)計要求[3]。廣州亞運城體操館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工難度大,為確保施工安全,首先采用有限元法對屋蓋鋼結(jié)構(gòu)體系的安裝過程進行模擬分析,然后對屋蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形情況進行監(jiān)測,結(jié)果表明有限元分析結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)都為評估體操館的施工安全提供了重要依據(jù)[4]。

1 工程簡介

廣州國際體育演藝中心(如圖1所示)為符合NBA和AEG標準的大型綜合性體育場館,是繼北京五棵松體育館、上海世博會演藝中心之后全國第三個集體育、演藝活動為一體的大型綜合場館,體育館由屋面鋼結(jié)構(gòu)屋架和混凝土主體結(jié)構(gòu)組成。鋼結(jié)構(gòu)屋架包括136 m×106 m的主場館屋架和110 m×20 m的訓(xùn)練館屋架兩部分。主場館屋架鋼結(jié)構(gòu)采用鋼桁架結(jié)構(gòu),縱橫桁架正交分布,主要由10榀跨度為79.7 m～106.2 m,高8.2 m～12.1 m的主桁架和兩榀跨度136.2 m,桁架高11.8 m的次桁架組成(如圖2所示)。

圖1 廣州國際體育演藝中心體育館效果圖

圖2 主場館屋架結(jié)構(gòu)桁架布置圖

大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工過程是一個動態(tài)系統(tǒng),涉及結(jié)構(gòu)或構(gòu)件吊裝、滑移、提升,臨時支撐拆除卸載等,而施工中待裝結(jié)構(gòu)構(gòu)件的約束條件、荷載情況、力學(xué)模型與使用階段的設(shè)計約束條件、荷載情況、力學(xué)模型均有很大區(qū)別,結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力復(fù)雜,不確定影響因素多,這些將引起結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力變化,并可能使結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷,而這些因素的影響又難以預(yù)先精確估計,所以需對大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的施工過程進行監(jiān)控。

2 實施方案

為確保能夠有效得到廣州國際體育演藝中心鋼屋蓋結(jié)構(gòu)施工過程中關(guān)鍵節(jié)點位移和關(guān)鍵桿件應(yīng)力的變化趨勢,確保結(jié)構(gòu)安全,需制訂詳實的鋼屋蓋結(jié)構(gòu)施工過程監(jiān)測方案[5]。

2.1 測點布置及儀器

包括大跨鋼屋蓋結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力和節(jié)點位移的測點布置(如圖3、圖4所示),其中關(guān)鍵桿件包括上弦桿、下弦桿、斜腹桿,腹桿測點布置均距下弦節(jié)點150 cm,基康振弦式應(yīng)變計均布置在桿件側(cè)面中和軸上,獲取屋蓋卸載施工時桿件的軸向應(yīng)變;在屋蓋跨中、跨邊、支座關(guān)鍵處布置反光片,監(jiān)控屋蓋卸載施工過程中的關(guān)鍵節(jié)點位移,在具體實施方案中對測點進行了編號,此處不再詳述。

圖3 屋蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)力測點布置圖

圖4 屋蓋結(jié)構(gòu)位移測點布置圖

監(jiān)測儀器包括Micro-40應(yīng)變自動采集儀、手持式基康-408人工讀數(shù)儀,以及瑞士徠卡TCA2003全站儀。

2.2 卸載過程

根據(jù)施工組織設(shè)計,胎架現(xiàn)場布置如圖5所示,胎架卸載點與屋蓋結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系如圖6所示,各卸載點卸載量見表1,共分7個卸載階段逐步均勻卸載。

圖5 胎架拆除前現(xiàn)場示意圖

圖6 胎架卸載點與屋面結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系

表1 各卸載點卸載量表

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 應(yīng)變分析

為便于現(xiàn)場監(jiān)測,將各應(yīng)力測點進行編號,其中,11、15、27、31 號傳感器對應(yīng)下弦桿測點;12、16、20、24號傳感器對應(yīng)上弦桿測點;13、17、21、25號傳感器對應(yīng)于斜腹桿測點。將桁架吊裝前與卸載前測得關(guān)鍵點的兩次數(shù)據(jù)作差,通過模數(shù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變的計算公式,得到監(jiān)測桿件應(yīng)變的初始值。圖7、圖8和圖9分別給出了下弦桿、上弦桿及斜腹桿在廣州國際體育演藝中心大跨鋼屋蓋結(jié)構(gòu)胎架卸載過程中的應(yīng)變變化趨勢圖。

圖7 下弦桿應(yīng)變變化對比圖

圖8 上弦桿應(yīng)變變化對比圖

圖9 斜腹桿應(yīng)變變化對比圖

圖7表明,卸載過程中,各個結(jié)構(gòu)部位的下弦桿在卸載前、卸載中和卸載后均承受拉力,且受拉應(yīng)變逐漸增大;各下弦桿的初始應(yīng)變大約為50μ ε左右,從圖7中還明顯表明各下弦桿件應(yīng)變發(fā)生了7次突變,各桿件相對于其初始安裝狀態(tài)的應(yīng)變變化范圍為0～300μ ε,各鋼構(gòu)件的應(yīng)變增量與鋼材的屈服應(yīng)變相比,桿件的應(yīng)變變化都不大,都控制在結(jié)構(gòu)設(shè)計的范圍之內(nèi)。對應(yīng)于7個卸載階段,即表明每次卸載結(jié)構(gòu)下弦桿的內(nèi)力都發(fā)生了重分布,并從側(cè)面驗證了本次應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果的有效性;在卸載完成之后,圖7還表明整個大跨屋蓋結(jié)構(gòu)體系下弦桿內(nèi)力分布趨于穩(wěn)定。

砂石料：按要求選用天然河砂和人工碎石，天然河砂產(chǎn)自麻城巴河，經(jīng)人工淘洗保證含泥量滿足要求；人工碎石選用湖北陽新生產(chǎn)的5～10mm和10～20mm的石灰?guī)r碎石，天然河砂和人工碎石經(jīng)檢測均滿足規(guī)范要求。

圖8表明,對于上弦桿,以在焊接拼裝時的內(nèi)力分布為初始狀態(tài),初始應(yīng)變量約為100μ ε左右。卸載過程中,上弦桿的內(nèi)力都朝著受壓的方向發(fā)展,在卸載完后,所有上弦桿都處于受壓狀態(tài),通過以上對上弦桿的應(yīng)變監(jiān)測分析表明,上弦桿件的受力不但是受壓越來越大,且部分桿件的受力性質(zhì)都發(fā)生了變化,即從受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)。圖8也顯示出與圖7相同的7次應(yīng)變突變。

圖9表明,卸載過程中,各個結(jié)構(gòu)部位的下弦桿在卸載前、卸載中和卸載后均承受壓力,且受壓應(yīng)變逐步增大;對于斜腹桿,初始應(yīng)變量為20μ ε左右,卸載完后,各桿件相對于其初始安裝狀態(tài)的應(yīng)變變化范圍為 50μ ε～ 200μ ε,與鋼材的屈服應(yīng)變相比,其變化范圍在結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制范圍之內(nèi)。

圖10給出了同一測點,Micro-40應(yīng)變自動采集儀和手持式基康-408人工讀數(shù)儀的監(jiān)測結(jié)果對比,表明兩種儀器測得應(yīng)變變化趨勢結(jié)果基本吻合,側(cè)面證明監(jiān)測儀器測得數(shù)據(jù)的準確性。

圖10 采集儀器分類應(yīng)變對比圖

3.2 撓度分析

圖11給出了各榀桁架卸載后的豎向位移沉降。圖11表明,胎架拆除后,各榀桁架豎向位移沉降曲線的變化趨勢基本一致,且在自重和其他施工因素的作用下,跨度越大的桁架其豎向沉降位移越大,如邊跨桁架1與10、2與9,卸載后的豎向沉降位移明顯小于其他桁架;各榀桁架豎向位移沉降測量點包括各榀桁架跨中、跨邊和支座處,其中邊跨測點位于塔架支撐處,胎架對其影響最大,甚至超過跨中位置。

4 卸載實測結(jié)果與模擬分析結(jié)果對比

運用大型有限元軟件來對結(jié)構(gòu)卸載過程進行模擬分析,能夠比較精確的得到結(jié)構(gòu)卸載過程中所處受力狀態(tài),是現(xiàn)階段能較好預(yù)測結(jié)構(gòu)卸載過程受力狀態(tài)變化的有效工具。

4.1 模擬方法

本文的施工卸載過程模擬在大型通用有限元軟件ANSYS中進行,鋼結(jié)構(gòu)桿件用BEAM188單元建立模型,假定支座處均是鉸接,如圖12。由于屋蓋沒有大型機械施工,且無重物堆放,施工活荷載相對較小,故荷載僅為鋼梁自重。

圖12 ANSYS10.0模型示意圖

4.2 應(yīng)力實測值與計算值對比

應(yīng)力實測值是通過胎架卸載前后應(yīng)變增量,再轉(zhuǎn)換為應(yīng)力值;在胎架卸載前,集中對所有監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)采集,保證了數(shù)據(jù)的一致性。圖13給出了理論值與實測值對比的相對誤差。

圖13 應(yīng)力實測值與理論值的相對誤差圖

圖13表明,實測值與理論值相差并不大,相對誤差大多分布在20%之內(nèi),說明有限元施工模擬效果良好,有個別測點的誤差相對較大,產(chǎn)生誤差的原因有:①誤差率超過20%的測點均為下弦測點,說明在實際施工環(huán)境下結(jié)構(gòu)受力體系的轉(zhuǎn)變對下弦桿的內(nèi)力變化影響較大,因此誤差也較大;②計算模型只加載了屋蓋的自重,未考慮其他施工因素對桿件應(yīng)力產(chǎn)生的影響;③在現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)實測時,溫度有高低不等,甚至有高達20多度的溫差;④施工現(xiàn)場的焊接、吊裝等作業(yè)產(chǎn)生的噪音與振動都會給監(jiān)測結(jié)果帶來一定影響。

4.3 撓度實測值與理論值對比

圖14給出了3榀桁架撓度變化曲線的實測和模擬結(jié)果對比。

圖14表明,實測和模擬桁架撓度曲線的變化趨勢一致,同時也表明,由于未考慮施工荷載和部分屋蓋自重等因素的影響,僅計算自重鋼屋蓋結(jié)構(gòu)自重荷載作用下的模擬結(jié)果相比于實測值要偏小,但誤差并不大,驗證了現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的有效性。

圖14 撓度實測值與理論值對比圖

5 結(jié) 論

大跨度空間結(jié)構(gòu)卸載前必須制定合理的卸載方案,充分考慮卸載順序、卸載量等因素對于結(jié)構(gòu)卸載過程受力的影響[6]。本項目首先通過監(jiān)測卸載過程中結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)變和應(yīng)力的變化趨勢,為結(jié)構(gòu)卸載過程提供準確可靠的測試數(shù)據(jù),正確評價卸載過程中結(jié)構(gòu)的受力性能,并及時診斷結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)的損傷情況,避免安全隱患;然后通過對比實測結(jié)果和模擬分析結(jié)果,驗證模擬方法的可靠性。主要結(jié)論如下:

(1)通過對上弦桿、下弦桿和腹桿的胎架卸載過程監(jiān)測表明,下弦桿在卸載前、卸載中和卸載后均承受拉力,且受拉應(yīng)變逐步增大;對于上弦桿,在卸載前,大部分桿件受壓,但也有部分桿件受拉,卸載過程中,上弦桿的內(nèi)力都朝著受壓的方向發(fā)展,在卸載完后,所有上弦桿都處于受壓狀態(tài);下弦桿在卸載前、卸載中和卸載后均承受壓力,且受壓應(yīng)變逐步增大。

(2)上弦桿、下弦桿和腹桿應(yīng)變在胎架卸載過程中均呈現(xiàn)出明顯的7次突變,與結(jié)構(gòu)卸載的7個階段相對應(yīng),即表明每次卸載結(jié)構(gòu)內(nèi)力都發(fā)生重分布。

(3)卸載完后,整個大跨屋蓋結(jié)構(gòu)體系下弦桿內(nèi)力分布趨于穩(wěn)定。

(4)通過應(yīng)力、撓度實測結(jié)果和模擬分析結(jié)果對比,表明模擬分析結(jié)果可大體反映大跨屋蓋結(jié)構(gòu)在卸載過程中的內(nèi)力重分布過程,可用于指導(dǎo)實際大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的卸載過程,但由于實際工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,其誤差相對來說還比較大。

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