徐 可，李雷明

（蘇州方正工程技術(shù)開(kāi)發(fā)檢測(cè)有限公司，江蘇 蘇州 215152）

0 引言

近年來(lái)，隨著土木工程技術(shù)水平迅速提高，各種空間結(jié)構(gòu)向著大型化、復(fù)雜化的方向發(fā)展，大跨度空間結(jié)構(gòu)的建造及其采用的技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家建筑技術(shù)水平的重要標(biāo)志［1］。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為一種常見(jiàn)的大跨空間結(jié)構(gòu)，一般是由桿件按一定規(guī)律組成的超靜定空間結(jié)構(gòu)體系，具有剛度大、性能好、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)［2］。因此，對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行力學(xué)分析和施工監(jiān)控是必要的［3，4］。現(xiàn)在大型空間網(wǎng)架的監(jiān)測(cè)主要分為兩類：變形監(jiān)測(cè)和應(yīng)力監(jiān)測(cè)。應(yīng)力監(jiān)測(cè)為體現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力的一種最直觀的方法。目前通過(guò)實(shí)測(cè)應(yīng)變計(jì)算實(shí)測(cè)應(yīng)力的方法可以概括為 4 種：有效彈模法、疊加法、松弛系數(shù)法、流動(dòng)率方法，該 4 種方法仍有使用條件苛刻、計(jì)算量大、精度差等缺陷，所以應(yīng)力的監(jiān)測(cè)仍需要繼續(xù)研究。結(jié)構(gòu)的生命周期可以分為 3 個(gè)階段：施工階段、使用階段和老化階段，如圖 1 所示。結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)貫穿于整個(gè)結(jié)構(gòu)的生命周期，在施工階段和使用階段發(fā)生破壞造成的損失巨大，而施工階段發(fā)生危險(xiǎn)的幾率較高。為了準(zhǔn)確把握大跨鋼結(jié)構(gòu)在施工階段的損傷、安裝誤差、焊接缺陷等不確定的危險(xiǎn)因素，避免可能發(fā)生的質(zhì)量、安全事故，本文通過(guò)對(duì)蘇州一在建大型空間網(wǎng)架工程的全程應(yīng)力監(jiān)測(cè)及其有限元模型進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了鋼結(jié)構(gòu)焊接式應(yīng)變計(jì)能否精準(zhǔn)反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，豐富了現(xiàn)有設(shè)計(jì)與施工在監(jiān)測(cè)階段有關(guān)應(yīng)力安全系數(shù)的數(shù)據(jù)，提高了應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)在實(shí)際大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用水平。

圖1 結(jié)構(gòu)生命周期-風(fēng)險(xiǎn)圖

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

本項(xiàng)目建設(shè)總面積為 233 241.75 m2，其中地上建筑面積為 126 000 m2，地下建筑面積為 107 241.75 m2。其中采光頂鋼結(jié)構(gòu) A+B 區(qū)投影面積約 9 000 m2，主體鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量約 1 000 余 t，如圖 2 所示。采光頂系單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)最長(zhǎng) 200 m，寬度為 45 m，建筑呈空間不規(guī)則分布，結(jié)構(gòu)頂部標(biāo)高跨多層樓面，空間高低起伏；網(wǎng)格連接節(jié)點(diǎn)眾多，梁規(guī)格和連接角度都不相同，局部彎扭構(gòu)件且上部覆蓋為玻璃。支撐體系為生根于土建結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的勁性鋼骨柱，單層殼體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)依托于樹(shù)形鋼支承坐落于鋼骨柱之上，節(jié)點(diǎn)及鋼梁高度在不同高度之間變化。節(jié)點(diǎn)與樹(shù)形鋼支承之間節(jié)點(diǎn)為銷軸鉸接節(jié)點(diǎn)。

圖2 總體效果圖

1.2 施工分區(qū)

采光頂鋼結(jié)構(gòu)主要為上部屋蓋鋼網(wǎng)格，擬分區(qū)搭設(shè)滿堂腳手架，目的是控制安裝過(guò)程中節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件的豎向位移，保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的建筑造型，給工人提供作業(yè)平臺(tái)，減少作業(yè)面積過(guò)大對(duì)其他工種造成影響。再利用塔吊對(duì)網(wǎng)殼進(jìn)行散拼，考慮到腳手架體量較大及現(xiàn)場(chǎng)其他工種交叉作業(yè)等因素，可利用結(jié)構(gòu)原有的樹(shù)狀作為支撐，保留端部部分腳手架，周轉(zhuǎn)使用腳手架。因此，將網(wǎng)殼大致分為如圖 3 所示的 6 個(gè)區(qū)域。

圖3 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分區(qū)示意圖（分界線經(jīng)過(guò)網(wǎng)殼主節(jié)點(diǎn)）

1.3 施工工況

1）在分區(qū) 3 采用盤扣架搭設(shè)滿堂腳手架，利用塔吊和 8 t 汽車吊進(jìn)行散拼；區(qū)域 3 中部有樹(shù)杈 FCZ5、 FCZ6 和 FCZ7，待 3 區(qū)域安裝完畢后，優(yōu)先拆除周轉(zhuǎn)中部有樹(shù)杈的區(qū)域的腳手架。

2）鋼結(jié)構(gòu)殼體與樹(shù)杈和邊界連接后拆除滿堂架，保留兩端至少 4 排網(wǎng)殼主節(jié)點(diǎn)的支撐（約 6.5 m 范圍）。

3）繼續(xù)采用滿堂架搭設(shè)分區(qū) 2（面積為 1 680 m2）和分區(qū) 4（面積為 1 500 m2）的網(wǎng)殼，利用塔吊及汽車吊散裝。

4）鋼結(jié)構(gòu)殼體與樹(shù)杈和邊界連接后拆除 2 區(qū)、4 區(qū)滿堂架及 3 區(qū)保留的腳手架，保留 2 區(qū)和 4 區(qū)兩端至少 4 排網(wǎng)殼主節(jié)點(diǎn)的支撐（約 6.5 m 范圍）。

5）在 1 區(qū)和 5 區(qū)搭設(shè)滿堂架繼續(xù)安裝分區(qū) 1 和分區(qū) 5 網(wǎng)殼。

6）拆除 1 區(qū)、5 區(qū)腳手架及 2 區(qū)、4 區(qū)保留的腳手架，用散裝的腳手架安裝 6 區(qū)鋼網(wǎng)殼。

7）網(wǎng)殼安裝完成。

2 有限元模型的建立

項(xiàng)目基于 Tekla 模型建立三維有限元模型，有限元軟件主要使用 SAP2000。在模型建立中，考慮結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力特點(diǎn)及邊界條件，其樹(shù)型柱柱頂與結(jié)構(gòu)采光頂棚采用銷栓連接，網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)主要采用榖節(jié)點(diǎn)，如圖 4～圖6 所示。故在有限元模型建立時(shí)樹(shù)型柱柱頂與結(jié)構(gòu)采光頂棚考慮為鉸接，釋放彎矩傳遞。在樹(shù)型柱分叉部位，如圖 7 所示，其可以進(jìn)行彎矩傳遞，故有限元模型考慮為剛接。根據(jù)實(shí)際施工情況，結(jié)構(gòu)柱腳考慮為鉸接。參考結(jié)構(gòu)施工方案，結(jié)構(gòu)周邊的封邊梁通過(guò)預(yù)埋件與主體結(jié)構(gòu)相連，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，限制封邊梁位移，因此，在 SAP2000 有限元軟件中，封邊梁節(jié)點(diǎn)位移通過(guò)鉸支座進(jìn)行約束。

圖4 樹(shù)型柱與頂棚連接節(jié)點(diǎn)

圖5 樹(shù)型柱分叉處節(jié)點(diǎn)

圖6 網(wǎng)格梁連接節(jié)點(diǎn)

圖7 采光頂結(jié)構(gòu)的支座布置

采光頂結(jié)構(gòu) SAP2000 有限元模型實(shí)際桿件尺寸及所用材料通過(guò)查看 Tekla 模型進(jìn)行定義及賦予。為顯示結(jié)構(gòu)位移云圖，方便結(jié)構(gòu)位移及位移變化趨勢(shì)查看，在采光頂結(jié)構(gòu)頂部建立厚度接近于 0 的虛面。

采光頂結(jié)構(gòu) SAP2000 有限元模型如圖 8 所示。

圖8 有限元模型

有限元計(jì)算結(jié)果顯示，構(gòu)件以受彎為主，應(yīng)變測(cè)量位置均選為指定桿件的中部?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件上表面后期需要鋪設(shè)裝飾面，先將應(yīng)變片安裝在構(gòu)件的下截面。如圖 9 所示。

圖9 應(yīng)力傳感器布置示意圖

布置原則按式（1），依據(jù)位移梯度計(jì)算采光頂?shù)膽?yīng)變最大區(qū)域：

按照結(jié)構(gòu)施工方案，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)布設(shè)，其分區(qū)與施工分區(qū)一致，每個(gè)分區(qū)布設(shè) 4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，總數(shù)為 24 個(gè)，具體安裝位置如圖 10 所示。

圖10 應(yīng)力傳感器位置

3 儀器設(shè)備

3.1 DH5971 分布式在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（見(jiàn)圖 11）

圖11 應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀器

優(yōu)點(diǎn)：具有通訊可靠、傳輸距離遠(yuǎn)，測(cè)試精度高、噪聲低、漂移小，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可維護(hù)性高等特點(diǎn)，是專為工程測(cè)試領(lǐng)域精心打造的一款用于長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)的產(chǎn)品，具體技術(shù)指標(biāo)如表 1 所示。

表1 技術(shù)指標(biāo)

3.2 鋼結(jié)構(gòu)焊接式應(yīng)變計(jì) HCY120-3AA

優(yōu)點(diǎn)：點(diǎn)焊安裝，即焊即用；在金屬基礎(chǔ)體上增加定位標(biāo)志，方便安裝時(shí)定位；在金屬基礎(chǔ)體上增加了圓形位置標(biāo)識(shí)，保證點(diǎn)焊安裝一致性；對(duì)引出線進(jìn)行了保護(hù)固定，保障引線牢固可靠；改善基地厚度和防護(hù)層質(zhì)量，測(cè)試更穩(wěn)定；應(yīng)變計(jì)和金屬基礎(chǔ)體嚴(yán)格匹配，保證其溫度性能自補(bǔ)償和一致性。

4 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

4.1 單個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分析

各測(cè)區(qū)應(yīng)力-時(shí)間典型曲線如圖 12 所示。

圖12 網(wǎng)架鋼構(gòu)件應(yīng)力-時(shí)間曲線

由網(wǎng)架鋼構(gòu)件應(yīng)變-時(shí)間曲線可以看出，由于網(wǎng)架采用由中間向兩側(cè)的施工順序，網(wǎng)架內(nèi)力可向兩個(gè)方向分散，外側(cè)分區(qū)測(cè)點(diǎn) STL1-1、STL5-3、STL6-4 在拼裝階段整體應(yīng)變變化相對(duì)較?。滑F(xiàn)場(chǎng)采用翻拆滿腳手的施工方法，測(cè)點(diǎn) STL2-2、STL3-1、STL4-2 在網(wǎng)架中間區(qū)域，拼接階段有明顯的突變過(guò)程，此為腳手架翻拆節(jié)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn) STL3-1、STL4-2 在拆腳手后有兩個(gè)非常規(guī)性短時(shí)突變，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考證測(cè)點(diǎn)鄰近構(gòu)件有材料臨時(shí)堆積；測(cè)點(diǎn)中直線時(shí)間段為停工階段，此時(shí)間段兩側(cè)工況基本一致，受彈性、收縮、徐變、溫度等效應(yīng)的影響應(yīng)力存在一定的變化；網(wǎng)架全部拼裝完成進(jìn)入裝飾階段以后，受到外力的情況下，應(yīng)力變化基本呈線性，此時(shí)說(shuō)明網(wǎng)架已具備一個(gè)良好的整體性；網(wǎng)架進(jìn)入使用階段后應(yīng)力變化相對(duì)穩(wěn)定，但仍有 5～10MPa 的波動(dòng)。

4.2 焊接殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的影響

焊接殘余應(yīng)力是構(gòu)件還未承受荷載而早已存在構(gòu)件截面上的初應(yīng)力，在構(gòu)件服役過(guò)程中，和其他所受荷載引起的工作應(yīng)力相互疊加，使其產(chǎn)生二次變形和殘余應(yīng)力的重新分布，不但會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性而且在溫度和介質(zhì)的共同作用下，還會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度、抗脆斷能力、抵抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和高溫蠕變開(kāi)裂的能力。焊接殘余應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響主要還是體現(xiàn)在其疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力腐蝕的影響。因此為了解本項(xiàng)目焊接殘余應(yīng)力的的作用和影響，分別對(duì) 6 個(gè)區(qū)的 1 號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行不同焊接狀態(tài)的應(yīng)力測(cè)試，即測(cè)點(diǎn)所在構(gòu)件未焊接時(shí)、單側(cè)焊接時(shí)、雙側(cè)焊接時(shí)分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置在構(gòu)件中部下截面。測(cè)試應(yīng)力-測(cè)點(diǎn)曲線如圖 13 所示。

圖13 應(yīng)力-編號(hào)曲線

從曲線中可以看出，構(gòu)件兩側(cè)都是自由端時(shí)，應(yīng)力測(cè)試值很??；方鋼管的一端與股節(jié)點(diǎn)焊接后，構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力；方鋼管的兩端都與股節(jié)點(diǎn)焊接后，構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更大的殘余應(yīng)力，且這個(gè)殘余應(yīng)力的形式?jīng)]有清晰的規(guī)律。為了對(duì)殘余應(yīng)變做更好的量化，這 6 個(gè)構(gòu)件在施焊前均進(jìn)行了熱處理。通過(guò)比較殘余應(yīng)變和模擬最大應(yīng)變的數(shù)值，來(lái)判定焊接殘余應(yīng)變對(duì)構(gòu)件內(nèi)力的影響程度，如表 2 所示。

表2 殘余應(yīng)力與模擬最大應(yīng)力比較

從表 2 中可以看出焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值不容忽視，有些甚至超過(guò)模型中整個(gè)施工裝修階段的最大應(yīng)力。

4.3 測(cè)量與模型應(yīng)力極值對(duì)比分析

本次試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)時(shí)間和施工同步，覆蓋了整個(gè)施工階段及部分使用階段。整個(gè)試驗(yàn)分為 3 個(gè)階段。其中從 2019 年 11 月 23 日-2020 年 2 月 25 日為拼裝階段（2020 年 1 月 18 日-2020 年 2 月 25 日為停工狀態(tài)），2020 年 2 月 26 日-2020 年 4 月 20 日為裝飾階段，2020 年 4 月 21 日-2020 年 7 月 70 為使用階段。將試驗(yàn)周期的應(yīng)力最大值與模型計(jì)算的值匯總?cè)绫?3、圖 14 所示。

圖14 應(yīng)力最大值-編號(hào)曲線

表3 應(yīng)力極值匯總表

通過(guò)圖表得出，試驗(yàn)應(yīng)力形式與模型不完全一致，試驗(yàn)最大值是模型計(jì)算最大值的 2～4 倍。分析原因如下：第一，由于結(jié)構(gòu)的非線性、材料的收縮徐變非常復(fù)雜，現(xiàn)有的模型軟件無(wú)法百分之百模擬；第二，邊界約束條件實(shí)際結(jié)構(gòu)與計(jì)算模型有些差別；第三，沒(méi)有考慮溫度及焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；第四，實(shí)際施工工況與理論模型工況不完全一致，模型的計(jì)算單元在施工過(guò)程中包含了很多構(gòu)件，而忽略了模擬單構(gòu)件拼裝過(guò)程中產(chǎn)生的一些內(nèi)力；第五，實(shí)際施工中由于股節(jié)點(diǎn)對(duì)桿件的端部具有一定約束作用，使得桿件的端部除了受彎矩外還有軸力作用，因此，選用桿件中間應(yīng)力值與實(shí)際結(jié)構(gòu)應(yīng)力存在一定誤差。例如計(jì)算時(shí)樹(shù)型柱柱頂與結(jié)構(gòu)采光頂棚考慮為鉸接但實(shí)際情況遠(yuǎn)比理論計(jì)算復(fù)雜。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)大跨度網(wǎng)架實(shí)際工程全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)力形式與模型不完全一致，實(shí)際應(yīng)力最大值是模型計(jì)算最大值的 2～4 倍。

2）應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)要在構(gòu)件焊接前布設(shè)，否則由于焊接殘余應(yīng)力監(jiān)測(cè)值會(huì)遠(yuǎn)低于實(shí)際值。

3）網(wǎng)架施工過(guò)程中由于彈性、伸縮、徐變、溫度、風(fēng)等方面的影響在設(shè)計(jì)以及施工過(guò)程中要留有一定的安全余量。

4）國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已具備良好的精度及靈敏度，而有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要人工定時(shí)定點(diǎn)采集、效率低下，易受施工作業(yè)面的制約，應(yīng)著重發(fā)展并完善無(wú)線傳輸。Q