劉德斌

(北京建工四建工程建設(shè)有限公司，北京 100075)

0 引言

網(wǎng)架作為常見的大跨結(jié)構(gòu)形式，桿件排布一般均按一定規(guī)律組成，高冗余度的結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致很難發(fā)現(xiàn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)剛度損傷，加上網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的邊界條件復(fù)雜，極易造成結(jié)構(gòu)受力和變形存在一定差距，為摸清結(jié)構(gòu)受力變形與施工過(guò)程中的差異，監(jiān)測(cè)某網(wǎng)架施工卸載過(guò)程，分析結(jié)構(gòu)變形及受力過(guò)程。

通過(guò)外幕墻龍骨調(diào)整整體結(jié)構(gòu)變形后的撓度，修正整體結(jié)構(gòu)外形尺寸，并復(fù)測(cè)曲面鋁板幕墻，最終測(cè)試結(jié)果表明幕墻安裝質(zhì)量良好。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

星空大講堂長(zhǎng)度為65.84m，寬度為41.80m，地上2層，建筑高度18.92m，屬國(guó)航股份飛行模擬訓(xùn)練基地二期建設(shè)項(xiàng)目。項(xiàng)目整體呈貝雷帽形，上部屋蓋為焊接空心球節(jié)點(diǎn)正交正放四角錐體鋼網(wǎng)架，如圖1所示，下部為圓柱與弧形梁鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)支撐。該項(xiàng)目造型、受力較復(fù)雜，為研究結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的靜力性能，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力監(jiān)測(cè)，以分析結(jié)構(gòu)變形合理性，評(píng)估鋼結(jié)構(gòu)屋蓋安裝質(zhì)量，同時(shí)為后續(xù)施工提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 工程結(jié)構(gòu)模型

1.2 施工監(jiān)測(cè)目的及意義

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)通常在安裝及卸載過(guò)程中產(chǎn)生較大應(yīng)力變化，由于拆除臨時(shí)支撐，影響結(jié)構(gòu)關(guān)鍵承力桿件應(yīng)力。為避免安裝過(guò)程中破壞結(jié)構(gòu)，故進(jìn)行有限元模擬分析，再結(jié)合施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析并研究結(jié)構(gòu)受力的合理性，進(jìn)而評(píng)估結(jié)構(gòu)安裝的初始缺陷。

為研究網(wǎng)架結(jié)構(gòu)剛度變化規(guī)律，從施工現(xiàn)場(chǎng)開始，對(duì)安裝、卸載過(guò)程進(jìn)行靜力監(jiān)測(cè)。本工程采用地面散裝、高空定位分塊安裝法，卸載過(guò)程需拆除的臨時(shí)支撐數(shù)量較多，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響較大，靜力監(jiān)測(cè)可實(shí)時(shí)提供結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件受力狀態(tài)，確保結(jié)構(gòu)卸載過(guò)程安全。監(jiān)測(cè)還可提供重點(diǎn)支撐桿件等部位的應(yīng)力數(shù)據(jù)，作為理論數(shù)據(jù)支撐，還可為科學(xué)研究工作提供數(shù)據(jù)支持，也是健康評(píng)估的重要指標(biāo)。

1.3 施工監(jiān)測(cè)設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集主要采用自動(dòng)化傳感設(shè)備，并配備自動(dòng)化采集模塊，監(jiān)測(cè)設(shè)備如下：①振弦式應(yīng)變計(jì) 常用于鋼管道、鋼結(jié)構(gòu)、橋梁等結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期和短期應(yīng)變監(jiān)測(cè)中，廣泛應(yīng)用于地鐵隧洞變形、箱式鋼構(gòu)式橋梁變形、燃油燃?xì)夤艿雷冃巍⒒又ёo(hù)軸力與隧道鋼拱架變形等監(jiān)測(cè)中；②拉線式高精度位移計(jì) 常用于大量程、高精度變化、速率不高的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中，如搭配各種安裝座，應(yīng)用于梁端位移、裂縫、基坑冠梁水平位移等長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

2 有限元分析

2.1 結(jié)構(gòu)靜力分析

采用MIDAS GEN 2018軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元模型分析，其中鋼材彈性模量為2.06×105MPa，嚴(yán)格按照?qǐng)D紙模型進(jìn)行建模。安裝及卸載過(guò)程嚴(yán)格按照鋼結(jié)構(gòu)安裝方案進(jìn)行施工模擬分析，結(jié)果如下：①屋面整體施工完成后，支撐卸載前，網(wǎng)架桿件最大應(yīng)力為0.3MPa，網(wǎng)架中部最大變形為2.8mm；②卸載過(guò)程1中，首先卸載中部2根內(nèi)力最大部分桿件，卸載后桿件最大應(yīng)力為0.4MPa，網(wǎng)架中部最大撓度為3.8mm；③卸載過(guò)程2中，繼續(xù)卸載中部2根支撐桿件，卸載后桿件最大應(yīng)力為0.4MPa，網(wǎng)架中部變形為5.3mm；④卸載過(guò)程3中，繼續(xù)卸載中部4根支撐桿件，卸載后網(wǎng)架桿件最大應(yīng)力為0.7MPa，網(wǎng)架中部最大撓度為6mm；⑤卸載全部支撐后，網(wǎng)架中部最大撓度為8.9mm。

2.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

整體結(jié)構(gòu)為大跨柔性結(jié)構(gòu)，不能忽視整體振動(dòng)對(duì)脈動(dòng)風(fēng)的反作用，星空大講堂單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可能存在整體和局部氣固耦合振動(dòng)，且可能造成自激振動(dòng)。因此對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力性能分析，如圖2所示，模擬得到結(jié)構(gòu)前10階的模態(tài)。

圖2 結(jié)構(gòu)前3階陣型及頻率

3 施工監(jiān)測(cè)結(jié)果

2020年10月14日至2020年11月30日對(duì)網(wǎng)架拆除支撐過(guò)程進(jìn)行靜力測(cè)試，以更好分析網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在卸載過(guò)程中的應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律，分析卸載過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化幅度和卸載完成后的構(gòu)件應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。測(cè)點(diǎn)應(yīng)變和位移如圖3，4所示。對(duì)卸載過(guò)程中關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力分析，由于測(cè)點(diǎn)較多，故取一部分典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)。

通過(guò)圖3，4可以發(fā)現(xiàn)，拆除支撐過(guò)程中，結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在中間位置，該處最大變形量為36mm，其余監(jiān)測(cè)位置最大變形量約26.3mm。結(jié)構(gòu)桿件受力隨支撐拆除，呈明顯階梯形變化趨勢(shì)，變化最大應(yīng)變約為70με，換算成應(yīng)力為14.42MPa，說(shuō)明桿件拆除支撐后應(yīng)力增大14.42MPa，約占桿件屈服強(qiáng)度的4%，個(gè)別桿件由正應(yīng)力變?yōu)樨?fù)應(yīng)力，主要跟卸載過(guò)程總支撐點(diǎn)的拆除順序有關(guān)。各桿件卸載穩(wěn)定后，應(yīng)力值小于容許應(yīng)力，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋整體處于安全可靠狀態(tài)。

4 外幕墻曲面鋁板坐標(biāo)校核

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋁板安裝坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)測(cè)，采用徠卡全站儀TCA2003進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)量，全站儀精度為0.5″，針對(duì)實(shí)測(cè)實(shí)量數(shù)據(jù)，對(duì)比理論結(jié)果，確定安裝偏差。

通過(guò)上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，鋁板安裝過(guò)程中，產(chǎn)生的最大偏差為14.2mm，整體偏差均在質(zhì)量可控范圍內(nèi)，平均偏差在8mm左右，整體效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析及施工監(jiān)測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)卸載過(guò)程中部分關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力和變形，理論數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定差異。結(jié)合施工過(guò)程，主要存在以下原因。

1)進(jìn)行理論模擬分析時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工荷載考慮不足，施工過(guò)程中，要考慮施工荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載等，而施工模擬過(guò)程往往屬于理論狀態(tài)，溫度荷載考慮不足。大跨空間結(jié)構(gòu)的溫度荷載往往是造成整體結(jié)構(gòu)撓度變形的主要因素。

圖3 關(guān)鍵通道應(yīng)變曲線

圖4 關(guān)鍵通道位移曲線

2)安裝過(guò)程中，對(duì)個(gè)別支撐點(diǎn)進(jìn)行起拱處理，支撐點(diǎn)起拱主要考慮支座處的地基沉降等因素，并主要緩沖由該因素造成的差值，起拱大小屬于經(jīng)驗(yàn)值。由于安裝過(guò)程在底部拼裝而成，整體通過(guò)候補(bǔ)桿件連接成為整體，起拱高度在卸載后，整體結(jié)構(gòu)受力重分布，所以造成施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包含一定起拱值。

3)施工模擬分析與現(xiàn)場(chǎng)候補(bǔ)桿件的安裝順序有關(guān)，施工過(guò)程中，候補(bǔ)桿件都是分批次進(jìn)行安裝，安裝時(shí)的溫度也存在較大差異，導(dǎo)致安裝順序跟理論模擬順序明顯存在差異，支撐拆除后，整體結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行二次重分布。