付世虎，孔 杰，顏 斌

（揚(yáng)州市建偉建設(shè)工程檢測(cè)中心有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引言

大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑已在我國(guó)廣泛應(yīng)用，其特點(diǎn)是可以滿足大空間要求、適合個(gè)性化建筑方案，難點(diǎn)是建造成本高、施工工藝復(fù)雜、安全系數(shù)要求高。大跨度穹頂結(jié)構(gòu)施工過(guò)程，基本是一頂一方案，所以科學(xué)的監(jiān)測(cè)有助于穹頂結(jié)構(gòu)處于正常的工作狀態(tài)。

大跨度穹頂施工卸載需要準(zhǔn)確地對(duì)全過(guò)程受力體系的模擬計(jì)算，同時(shí)對(duì)卸載過(guò)程各種監(jiān)測(cè)也缺一不可。近年來(lái)，李錦城［1］使用全站儀精確測(cè)定了大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋架撓度變形，楊愛(ài)萍等［2］使用 S1型精密水準(zhǔn)儀分別對(duì)網(wǎng)架自重及網(wǎng)架屋面工程在設(shè)計(jì)荷載作用前、后的撓度進(jìn)行測(cè)量，冷明［3］對(duì)橢圓形弦支彎頂施工全過(guò)程監(jiān)測(cè)及短索索力測(cè)試進(jìn)行了研究，丁藝杰［4］對(duì)某大跨度鋼桁架項(xiàng)目進(jìn)行了施工過(guò)程數(shù)值模擬分析和實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，李月先等［5］布設(shè)了基準(zhǔn)網(wǎng)對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋滑移、卸載、鋼屋蓋面板安裝進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

基于大跨度穹頂施工卸載全過(guò)程受力變形的情況，大部分只是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，很少對(duì)卸載方案進(jìn)行合理的優(yōu)化，進(jìn)而確定可行的監(jiān)測(cè)方案。本文以實(shí)際工程某大型屋面穹頂結(jié)構(gòu)施工卸載變形監(jiān)測(cè)為例，采用 Midas Gen 有限元分析軟件對(duì)卸載過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定可靠的卸載方案后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的重要性，可供相關(guān)工程實(shí)踐提供參考。

1 工程概況

某醫(yī)院屋蓋采用橢圓形穹頂結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)軸約 91.32 m，短軸約 49.63 m，投影面積 3 420 m2，總用鋼量為 340 t，包含 452 個(gè)榖節(jié)點(diǎn)，1 310 根方鋼構(gòu)件焊接組成。經(jīng)深化設(shè)計(jì)后分為 68 個(gè)單元格模塊，穹頂完成后共有 12 個(gè)受力支撐點(diǎn)，其中最大跨兩支撐點(diǎn)間距為36.4 m，最大懸挑為 12.8 m，該工程穹頂如圖1 所示。

圖1 橢圓形穹頂現(xiàn)場(chǎng)圖

該工程 272 個(gè)轂節(jié)點(diǎn)先在混凝土基礎(chǔ)上打好點(diǎn)，下方增加 272 個(gè)立桿。立桿上部安裝可調(diào)節(jié)頂針，在頂針上部焊接尖頭物體，保證尖頭物體與穹頂單元模塊榖節(jié)點(diǎn)下部中心對(duì)接。榖節(jié)點(diǎn)下可調(diào)節(jié) U 托的使用，不僅可以將安裝的測(cè)量（位置及標(biāo)高）工作提前，更為穹頂?shù)恼w卸載提供了方便，轂節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2 所示。該工程關(guān)系到百年大計(jì)，其工程質(zhì)量必須全部合格，因此需選擇最優(yōu)的卸載方案，配備精確的監(jiān)測(cè)必不可少。

圖2 轂形節(jié)點(diǎn)示意圖

2 大跨度穹頂卸載全過(guò)程模擬分析

本文使用 Midas Gen 有限元分析軟件，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙情況，使用實(shí)際截面尺寸，賦予材料相匹配的屬性，設(shè)置各支座相應(yīng)的約束，建立大跨度穹頂結(jié)構(gòu)模型，施加穹頂施工卸載過(guò)程的荷載，對(duì)不同階段進(jìn)行應(yīng)力、變形數(shù)值模擬分析，使模擬分析過(guò)程能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的卸載工況。

2.1 卸載模型的模型建立

根據(jù)本工程單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，將滿堂腳手架按照位置進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)如圖3 所示。其中 1 區(qū)為外環(huán)懸挑部分，2 區(qū)為周邊支撐位置（支撐作最后卸載），3 區(qū)為中心區(qū)域。為論證合理的拆除順序，分兩種卸載次序，方案一是 3 區(qū)－1 區(qū)－2 區(qū)；方案二是1區(qū)－3 區(qū)－2 區(qū)。

圖3 穹頂模擬分區(qū)示意圖

對(duì)穹頂所有桿件采用梁?jiǎn)卧M，滿堂腳手架支撐的位置設(shè)置鉸支座，模型構(gòu)件所有尺寸均按實(shí)際尺寸輸入。恒荷載考慮結(jié)構(gòu)自重以及屋面恒荷載，自重放大系數(shù)根據(jù)實(shí)際的用鋼量取 1.3 倍放大系數(shù)，由軟件自動(dòng)加載。施工階段不考慮屋面活荷載，風(fēng)荷載取 10 年一遇基本風(fēng)壓 0.25 kN/m2，地面粗糙度按 B 類考慮，結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4 所示。

圖4 穹頂結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 卸載模擬結(jié)果

通過(guò)設(shè)置好結(jié)構(gòu)單元、邊界條件及荷載后，按照實(shí)際卸載情況分階段考慮穹頂受力情況。在初始狀態(tài)下，整個(gè)穹頂采用滿堂腳手架支撐，計(jì)算得初始最大應(yīng)力為 4 MPa，如圖5 所示；結(jié)構(gòu)初始最大變形為 3 mm，如圖6 所示。

圖5 穹頂初始狀態(tài)下應(yīng)力圖

圖6 穹頂初始狀態(tài)下變形圖

按照預(yù)設(shè)的兩種卸載次序分別模擬計(jì)算，最終獲得不同次序與各階段的應(yīng)力、變形云圖。

按照方案一的卸載順序 3 區(qū)－1 區(qū)－2 區(qū)，模擬得到的結(jié)果如下。應(yīng)力發(fā)展過(guò)程由跨中向外圍逐漸增大，跨中最大值為 126 MPa，如圖7 所示；變形由跨中向外擴(kuò)展，跨中部分逐漸達(dá)到 41 mm，懸挑端部達(dá)到 55 mm，如圖8 所示。

圖7 方案一穹頂應(yīng)力圖

圖8 方案一穹頂變形圖

按照方案二的卸載順序?yàn)?1 區(qū)－3 區(qū)－2 區(qū)，模擬得到的結(jié)果為應(yīng)力發(fā)展過(guò)程由懸挑根部逐漸向跨中增大，其中懸挑根部最大應(yīng)力達(dá)到 89 MPa，跨中最終同樣達(dá)到 126 MPa，如圖9 所示；變形由懸挑端部向跨中發(fā)展，最終懸挑端部最大變形為 55 mm，如圖10 所示。

圖9 方案二穹頂應(yīng)力圖

圖10 方案二穹頂變形圖

通過(guò)上述模擬分析得知，采用方案一的卸載順序，即先拆跨中區(qū)域的腳手架，再拆懸挑位置的腳手架時(shí)，結(jié)構(gòu)的整體變形以及應(yīng)力狀態(tài)變化更加平順。

3 大跨度穹頂卸載全過(guò)程監(jiān)測(cè)

由模擬預(yù)知，該穹頂卸載過(guò)程中存在較大的內(nèi)力重分布和變形，故現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)內(nèi)力與變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，內(nèi)力監(jiān)測(cè)由現(xiàn)場(chǎng)貼應(yīng)變片和安裝應(yīng)力傳感器，變形由現(xiàn)場(chǎng)預(yù)固定好位移控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。本文針對(duì)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。

3.1 卸載變形量監(jiān)測(cè)方案

依據(jù)現(xiàn)有國(guó)家規(guī)范 JGJ 8－2016《建筑變形測(cè)量規(guī)范》、GB/T 50621－2010《鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等采用高精度全站儀對(duì)該穹頂進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)次數(shù)按卸載過(guò)程分兩次，分別為卸載前一次和卸載完穩(wěn)定后一次?？紤]到結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和變形特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)共設(shè) 23 個(gè)。支座 12 個(gè)測(cè)點(diǎn)（用 A1～A12表示），跨中 3 個(gè)測(cè)點(diǎn)（用 C1～C3表示），外圍懸挑部分設(shè) 8 個(gè)測(cè)點(diǎn)（用 B1～B8表示），各測(cè)點(diǎn)布置如圖11 所示。監(jiān)測(cè)前，各測(cè)點(diǎn)做好明顯標(biāo)記，且固定牢靠。每次檢測(cè)時(shí)，儀器應(yīng)處于完好狀況，無(wú)外界干擾（振動(dòng)、強(qiáng)風(fēng)或者溫差較大）等因素影響，采取同人、同測(cè)站、同儀器等同條件下進(jìn)行變形檢測(cè)。

圖11 穹頂變形測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 卸載監(jiān)測(cè)結(jié)果

兩次檢測(cè)結(jié)果為便于統(tǒng)計(jì)分析，采取相對(duì)變形值進(jìn)行處理，各測(cè)點(diǎn)豎向終變形值按照?qǐng)D12 所示計(jì)算，計(jì)算公式如式（1）所示，各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)相對(duì)變形結(jié)果（以 A1點(diǎn)為基礎(chǔ)點(diǎn)）如表1 所示。

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形結(jié)果表

圖12 豎向變形計(jì)算簡(jiǎn)圖

由表1 可知，整個(gè)穹頂水平面上變形主要集中在 X 向，并且分布在外懸挑部分，Y 向變形相對(duì) X 向較??；整個(gè)穹頂豎向變形主要集中在穹頂中心點(diǎn)與外懸挑端點(diǎn)。

4 變形模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

本文模擬使用的模型與實(shí)測(cè)穹頂結(jié)構(gòu)基本一致，如構(gòu)件尺寸、連接節(jié)點(diǎn)、支座約束條件、荷載邊界條件、荷載作用工況與大小等。

通過(guò)有限元模擬變形的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，表明實(shí)測(cè)施工卸載過(guò)程的變形值小于模擬變形值，但變化趨勢(shì)與模擬的基本一致，其結(jié)果驗(yàn)證了該穹頂模型施工卸載次序的正確性；實(shí)測(cè)結(jié)果在水平面上存在一定程度的扭轉(zhuǎn)，這與施工誤差、測(cè)量誤差相關(guān)，但總體監(jiān)測(cè)值在規(guī)范允許范圍內(nèi)，是滿足整個(gè)結(jié)構(gòu)安全要求的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)變形分析可知，大跨度穹頂結(jié)構(gòu)的卸載必須經(jīng)過(guò)專項(xiàng)論證、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保整個(gè)結(jié)構(gòu)卸載時(shí)不引起構(gòu)件較大的損傷，不造成安全事故。根據(jù)理論分析與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文結(jié)論如下。

1）有限元數(shù)值模擬有效論證施工全過(guò)程穹頂結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化與變形的發(fā)展情況，為實(shí)際施工卸載次序提供了技術(shù)支撐，提高了工作效率，節(jié)約成本，保證了結(jié)構(gòu)安全。

2）有限元的模擬結(jié)果為實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置提供了指導(dǎo)作用，減少盲目的測(cè)點(diǎn)。

3）變形監(jiān)測(cè)時(shí)，注意避免外界環(huán)境等不確定因素對(duì)檢測(cè)時(shí)的影響。

4）對(duì)穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，為后續(xù)穹頂?shù)慕】当O(jiān)測(cè)提供依據(jù)。Q