馮成凱, 倪仲俊, 楊 凱, 李雄彥, 王玉鑫, 王永剛

(1 浙江浙能樂清發(fā)電有限責任公司，溫州 325609；2 北京工業(yè)大學城市建設學部，北京 100124)

0 引言

氣承式膜結構概念源于1917年的充氣式野戰(zhàn)帳篷,后續(xù)在1970年大阪博覽會得到推廣[1]。近年來,隨著我國全民健身運動的大力開展和國家環(huán)保政策的調(diào)整,氣承式膜結構的應用得到快速發(fā)展。用于環(huán)保封閉煤場、料場的氣承式膜結構,其單體規(guī)?；蚩缍染谥鹉暝黾?。目前,已建成的氣承式膜結構煤棚最大跨度已超過200m,單體最大面積在100000m2以上。

氣承式膜結構的基本原理是用高強膜材料做成封閉空間,外部采用鋼纜加強剛度,利用風機向內(nèi)部充氣,基于內(nèi)外壓差形成具有一定剛度、適應各種天氣條件的封閉建筑[2-5]。氣承式膜結構自身的結構特點——輕質(zhì)且高柔,對風荷載、雪荷載作用較為敏感,這也成為限制其發(fā)展的重要因素之一[6-11]。

為此擬采用健康監(jiān)測系統(tǒng)對氣承式膜結構進行監(jiān)測,目前健康監(jiān)測系統(tǒng)廣泛應用于橋梁結構、高層建筑以及大跨度空間結構[12-18],本文基于現(xiàn)有的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)理念,自主開發(fā)設計了一套全周期同步實時監(jiān)測系統(tǒng),在系統(tǒng)運行之后,采集到了調(diào)整內(nèi)壓過程中測點的位移響應。目前研究中,關于氣承式膜結構的升降壓膜面位移響應很少,大多通過ANSYS或者ABAQUS有限元分析軟件進行數(shù)值模擬,國內(nèi)眾多學者研究了不同索網(wǎng)布置下的內(nèi)壓變化對于膜面位移的影響,對比分析了氣承式充氣膜結構力學性能[19-20]。

為了深入研究超大跨度氣承式膜結構煤棚的位移響應,基于浙江浙能集團樂清電廠(浙能樂清電廠)大跨度氣承式膜結構健康監(jiān)測系統(tǒng)在升降壓-保壓測試中采集到的數(shù)據(jù),以位移差值為原則,分階段分析了不同內(nèi)壓下實測值與模擬值的差異性。

1 項目簡介

浙能樂清電廠東臨樂清灣,與玉環(huán)縣隔海相望,海邊風荷載作用較大,常伴有臺風來襲,風荷載最大值可達到1kN/m2。浙江浙能樂清發(fā)電有限責任公司共有#1、#2、#3三個煤場,三個煤場都進行全封閉改造。#1全封閉煤場結構形式采用正方四角錐三心圓柱面雙層網(wǎng)殼的結構體系,長約317m,寬約120m,高約43m,#2、#3全封閉煤場上部結構采用單層膜結構并配置斜向網(wǎng)格鋼纜結構,外尺寸均約為317m(長)×115m(寬)×46m(高),下部為2m高的鋼筋混凝土基礎墻,三個煤棚的布置圖如圖1所示。單個煤場投影面積約為36455m2,#3氣承式膜結構煤棚為本文健康監(jiān)測系統(tǒng)架設的研究結構,膜材的基布選用抗芯吸效果好的聚脂纖維布,涂層采用聚氯乙烯PVC,面層選用1.2mm厚的不可焊聚偏氯乙烯PVDF。PVDF材料具有高耐候、抗腐蝕和良好的自潔性和抗老化性能的特點。膜材表面配有鋼網(wǎng)索,鋼纜采用高強度、防老化、防銹處理的鋼芯熱鍍鋅鋼纜,外包PE保護層,其直徑不小于18mm,由鋼芯鋼絲繩捻制在一起的螺旋狀鋼絲束組成。鋼纜網(wǎng)格大小2.5m,鋼索之間采用鋁合金金屬卡扣鎖死,防止相互滑動損壞PE保護層,整體鋼索網(wǎng)采用不銹鋼錨頭與基礎連接固定。膜結構夾板采用鋁合金材質(zhì),連接螺栓采用316不銹鋼材質(zhì)。

圖1 煤棚布置圖

三個煤棚的跨度均超過100m,均屬于大跨度空間結構,且所在地區(qū)的風荷載較大,風荷載作用敏感。為研究超大跨度氣承式膜結構煤棚的位移響應規(guī)律,本文基于健康監(jiān)測系統(tǒng)實地測試煤棚的位移變化。

在氣承式膜結構健康監(jiān)測中,為了全面地反映整個氣膜煤棚的運行狀態(tài),測點數(shù)量越多、種類越齊全時所測得的數(shù)據(jù)就越全面。然而在實際工程案例中,往往由于多方面的限制條件,例如結構特點、現(xiàn)場條件、成本等多方面因素,現(xiàn)場布置的傳感器種類與數(shù)量較少;同時,傳感器布設方式對于后期傳感器安裝便利性以及采集的數(shù)據(jù)準確度有極大的影響。所以,為較為全面地反映結構的響應狀態(tài),在數(shù)量與種類有限的傳感器布設條件下、監(jiān)測點位置的選擇顯得極為重要。測點布置應遵循以下原則:1)根據(jù)結構自身特性,并結合現(xiàn)場具備的安裝條件布置測點;2)在高度上盡量分散,盡量對稱布置;3)在結構響應較大的位置集中布置測點。

本項目測點布置圖如圖2所示,主要儀器有三向加速度計、應變計、GNSS天線和表面風壓計。儀器在膜面上對稱布置,在角部區(qū)域集中布置。

圖2 測點布置

2 內(nèi)壓調(diào)整

2021年7月23日,臺風“煙花”逐漸靠近樂清市,但是并未進入7級風圈,當日風速4～5級,因此風速對整個內(nèi)壓調(diào)整過程并無影響。#3煤棚經(jīng)過了三次內(nèi)壓調(diào)整,圖3為內(nèi)壓變化曲線。從圖3可以得出,整個內(nèi)壓調(diào)整主要分為內(nèi)壓上升、內(nèi)壓維持和內(nèi)壓下降三種狀態(tài)。其中內(nèi)壓維持有4個時間段,內(nèi)壓上升有2個時間段,內(nèi)壓下降有2個時間段,內(nèi)壓隨時間的具體變化見表1。

表1 內(nèi)壓變化記錄

圖3 內(nèi)壓變化曲線

3 位移實測值

3.1 350Pa升至500Pa實測位移分析

如圖3和表1所示,在7:40進行了第一次升壓測試,將內(nèi)壓從350Pa升至500Pa,此過程共經(jīng)歷了25min。對應此時的實測位移如圖4所示,7個測點的Z向位移均具有大幅度的脈沖變化。表2為升壓時測點Z向?qū)崪y位移變化值,其中位于氣膜煤棚中部位置的G4測點的實測位移變化最大,變化量為0.30m;X、Y向?qū)崪y位移幾乎沒有變化。從圖4(g)也可以發(fā)現(xiàn),相較于其他測點,位于氣膜煤棚東南側的G7測點在Y向位移變化也比較明顯,變化幅度為0.07m。綜上所述,升壓過程中,Z向位移變化最為顯著,按位移響應程度排序,Z向>>Y向>X向。

表2 內(nèi)壓由350Pa升至500Pa實測Z向位移

圖4 實測位移

3.2 內(nèi)壓維持階段實測位移分析

在8:05升壓至500Pa后,維持此狀態(tài)45min,如圖4所示,各個測點在Z向位移隨著時間依然有略微的上升,而X、Y向位移沒有明顯變化。

圖4和表1顯示在8:50開始通過10min降壓,將壓強從500Pa降至470Pa,這段時間內(nèi),G1～G7測點的Z向位移有顯著的下降,并且各測點下降位移的差別不大,X、Y向位移在平衡值上下波動。

后維持470Pa內(nèi)壓6h15min,可以從圖4中看出,在這段時間內(nèi),X、Y、Z向位移在平衡點位置處有微小的波動,這是由于外部風荷載作用于膜面,同時氣膜內(nèi)部的氣體會反向作用于膜面,對膜面產(chǎn)生了風致振動響應。

3.3 470Pa降至260Pa實測位移分析

從圖4和表1可以看出,在15:15到16:51這段時間內(nèi),共進行了5次降壓,分別是15:15～15:23內(nèi)壓從470Pa降至410Pa、15:38～15:49內(nèi)壓從450Pa降至400Pa、16:00～16:05內(nèi)壓從400Pa降至350Pa、16:18～16:22內(nèi)壓從350Pa降至300Pa、16:34～16:39歷經(jīng)5min內(nèi)壓從300Pa降至260Pa。在一整段連續(xù)降壓的時間內(nèi),內(nèi)壓從470Pa降至260Pa。

本文取在內(nèi)壓260Pa時的測點坐標為位移初始基準坐標,260Pa是正常內(nèi)壓,從260Pa上升與下降是為了模擬煤棚在調(diào)壓過程的變化情況,由正常內(nèi)壓調(diào)至其他壓強。Z向位移小于0表明結構此時的膜面外形剖視線要低于基準狀態(tài),從圖4(e)、(f)中可以比較明顯地看出,在16:39內(nèi)壓到達260Pa后,Z向位移會降到0.00m以下,這是由于加壓后會致使索應力整體分布情況發(fā)生較大改變,中心處索膜接觸力增大,邊緣處索膜接觸力減小,在膜結構邊緣附近甚至會出現(xiàn)較大面積的索膜分離區(qū),致使膜面相對索網(wǎng)發(fā)生相對位移現(xiàn)象。而泄壓后雖然索膜接觸力重新變得更加均勻,但始終未能超過相對摩擦力的約束,這種相對位移也未能消除。

從表3、圖4可以看出,G4測點的Z向位移變化最大,由此可以看出降壓對位于氣膜煤棚中部位置G4測點的Z向位移影響最大,變化量為0.60m。在升壓降壓過程中,由于氣膜煤棚四周位移累積,四周會向外擴張或者內(nèi)縮,而且內(nèi)部氣體在風機運作時處于紊亂狀態(tài),因此會形成突變,待一段時間后會恢復穩(wěn)定狀態(tài)。綜上所述,在降壓時,Z向位移變化最為顯著,按位移響應程度排序,Z向>>Y向>X向。

表3 內(nèi)壓由470Pa降至260Pa實測Z向位移

圖5～7顯示了經(jīng)過Loess濾波器處理后的7個測點位移變化曲線。如圖5所示,伴隨著氣膜內(nèi)壓的變化,沿X向即長度方向位移變化量較小,除G2、G4、G5測點、位移有明顯階梯形變化外,其他測點位移曲線圍繞某平衡值上下波動。如圖6所示,在350Pa升至500Pa時,G3、G4、G5、G7測點膜面出現(xiàn)位移顯著上升,在15:15～16:51這段時間內(nèi),內(nèi)壓迅速下降,隨后迅速上升,各測點Y向位移曲線形成“凹陷”,G1、G2測點膜面變化非常小,G6測點膜面保持平穩(wěn)狀態(tài)。如圖7所示,隨著內(nèi)壓變化,Z向位移最顯著,位移曲線呈現(xiàn)出與內(nèi)壓變化曲線相似的趨勢,先升后凹,位于氣膜煤棚頂部的G4測點不同于其他測點,此測點位移響應最大,大約為0.3m,其余各測點曲線變化相似。

圖6 Loess濾波器處理后的Y向位移

圖7 Loess濾波器處理后的Z向位移

為形象地表示膜面變形趨勢,選取了氣膜煤棚在內(nèi)壓350Pa升至500Pa時的變化情況。圖8、9分別為內(nèi)壓升高X、Y、Z向膜面的變化趨勢。從圖8中可以得到,在煤棚內(nèi)壓由350Pa升壓至500Pa過程中,膜面7個位移測點沿X軸向中部靠攏,頂部位置沿X向保持不變,但由于當時的風力條件和加壓后索網(wǎng)內(nèi)力重分布,導致G3、G5測點的膜面產(chǎn)生繞G4測點扭轉(zhuǎn)的趨勢。由圖9所示,在升壓過程中,膜面呈現(xiàn)外擴的變形趨勢,在氣膜角部區(qū)域此特征尤其明顯。氣膜中部位置由于氣膜西側為開闊的空地,在膜面因充氣發(fā)生變形時受到持續(xù)的風力作用,影響了氣膜充氣形態(tài),導致出現(xiàn)沿Y向正向的位移。由圖10可知,在沿X、Y、Z三向變形中,Z向位移變化最大,變形最為明顯,而且變化趨勢相同,皆沿Z軸正向變形,即膜面上升。其中,在7個測點中,頂部位移最為明顯,說明頂部變形為四周區(qū)域變形累積的結果。

圖8 內(nèi)壓升高時X向膜面變化趨勢

圖9 內(nèi)壓升高時膜Y向膜面變化趨勢

圖10 內(nèi)壓升高時膜Z向膜面變化趨勢

綜上所述,在氣膜升壓時,膜面會呈現(xiàn)外擴趨勢,中部以及頂部位置位移響應很明顯,設計人員進行氣膜結構設計時,可以考慮通過索網(wǎng)加密或加大索網(wǎng)直徑措施來加強中部區(qū)域的結構強度。

4 基于ANSYS的升壓位移響應分析

基于工程實例,建立了一個長317m、寬115m、高45m的長矩形氣承式膜結構,采用斜交索網(wǎng)結構。材料屬性為:膜材厚度為1.2mm,材料的密度為 1200kg/m3,經(jīng)、緯向的彈性模量為Ex=Ey=1.1×109N/m2,泊松比νx=νy=0.4;鋼索的直徑為20mm,彈性模量E=1.6×1011N/m2,泊松比v=0.3。

將上述參數(shù)輸入到ANSYS APDL有限元軟件中,膜面采用Shell 41單元,設置忽略膜面的彎曲剛度,鋼索采用僅受拉的Link 10單元,采用Conact175 點-面接觸單元建立索和膜之間的接觸關系,不考慮索膜之間的摩擦接觸問題,兩者按共享節(jié)點進行處理,開啟大變形效應,忽略材料非線性,對氣承式膜結構劃分網(wǎng)格,如圖11所示。

圖11 氣承式膜結構的網(wǎng)格劃分

邊界條件設置為四周與地面全約束,以面荷載的形式向膜面施加內(nèi)壓,得到氣承式膜結構在不同內(nèi)壓下的位移響應。限于篇幅,本文只模擬計算氣膜煤棚從350Pa升壓至500Pa的位移響應。圖12為氣膜在350Pa下的位移云圖,圖13為氣膜在500Pa下的位移云圖。由圖12可知,長度與跨度方向的中部位置都呈現(xiàn)向上的位移,在四個角部的脊部膜面向下凹陷,說明中部的位移上升是四周凹陷導致的累計位移,同時說明無法忽視現(xiàn)有的模型在角部的曲率問題。由圖13可以看到,中間紅色云圖部分的面積增大,說明膜面沿Z軸向上運動。

圖12 350Pa內(nèi)壓下氣承式膜結構的Z向位移/m

圖13 500Pa內(nèi)壓下氣承式膜結構的Z向位移/m

表4為在ANSYS中提出的節(jié)點位移,每個節(jié)點對應于實測點在實際結構中的位置。從表4可以得出,位于結構中部的193、815、572節(jié)點的位移變化幅度較大,其中815節(jié)點即G4測點的位移變化最大,為0.263m。

表4 節(jié)點在不同內(nèi)壓下的Z向位移

圖14為內(nèi)壓由350Pa升至500Pa時的實測位移變化值和模擬位移變化值的曲線。從圖中可以得到,實測位移變化值曲線高于模擬曲線,同時無法忽視在角部區(qū)域的G1、G2、G6、G7測點的位移差異,但是從位移變化值分布來看,模擬值與實測值較為接近,中部區(qū)域的變化要比角部區(qū)域的更為顯著,這是由于筆者在模擬時未考慮索膜之間的摩擦接觸問題,兩者按共享節(jié)點進行處理,這樣就相當于增大了索網(wǎng)的約束。而當時實際的升降壓試驗確實造成了索膜間相對的位移,所以結果比模擬值偏大。

圖14 350Pa升至500Pa實測與模擬位移變化值

5 結論

基于大跨度氣承式膜結構煤棚布設的健康監(jiān)測系統(tǒng),得到了結構在臺風來臨前升降壓-保壓測試下的實測位移響應,通過ANSYS建立了有限元模型,對其進行了不同內(nèi)壓下的初始形態(tài)分析,對比了在升降壓狀態(tài)下測點位置位移響應的實測值與模擬值,得到了以下結論:

(1)氣承式膜結構在升壓過程中膜面沿Z軸向上運動,并且在此過程中膜面呈現(xiàn)外擴的趨勢,在降壓過程中膜面沿Z軸向下運動,升降壓時結構X與Y向變形很小,主要沿Z軸上下運動,在內(nèi)壓變化時膜面整體形狀易受外界風荷載影響。

(2)在Z向,位于膜中部區(qū)域的G4測點的實測位移在350Pa內(nèi)壓下為0.099m,在500Pa內(nèi)壓下的位移為0.362m,位移的絕對差值為0.263m,相較于角部區(qū)域的G3測點,在350Pa內(nèi)壓下的位移為0.201m,在500Pa內(nèi)壓下的位移為0.355m,位移的絕對差值為0.153m,可以得出中部區(qū)域的變化要比角部區(qū)域的更為顯著。

(3)氣承式膜結構升降壓過程中位移響應主要集中在結構中部,另外,在結構角部,位移模擬值的分布形式與實測值有較大差別,因此在實際工程中,模擬值的準確性需要更多的探索與研究,實測位移值要大于模擬值,但實測值與模擬值均呈現(xiàn)出中部響應大于四周相應的分布形式。