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摘要：依據(jù)某鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用Midas GEN程序建立了三維空間有限元分析模型，進(jìn)行了該結(jié)構(gòu)施工過(guò)程應(yīng)力、位移及溫度場(chǎng)分析，以靜力分析為主并結(jié)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，提出基于自動(dòng)化傳感測(cè)試在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的施工監(jiān)測(cè)實(shí)施方案，對(duì)大跨空間結(jié)構(gòu)在荷載影響下的安全性進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)做出及時(shí)預(yù)警。...

 大跨空間鋼結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)監(jiān)控研究

石韻    劉軍生   王龍海   張航

(陜西省建筑科學(xué)研究院  陜西西安)

    一、概述

    大跨空間結(jié)構(gòu)的施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，并且由于施工過(guò)程復(fù)雜，導(dǎo)致實(shí)際的施工過(guò)程中構(gòu)件的約束條件及力學(xué)模型與計(jì)算模型存在差別，為了確保施工的安全性以及外形與受力狀態(tài)達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控監(jiān)測(cè) 。

    作為施工控制（被動(dòng)控制）的一部分，結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到工程界有關(guān)人士的重視。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)在施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中靜力、動(dòng)力參數(shù)（應(yīng)力應(yīng)變、撓度、頻率、加速度等）的監(jiān)控監(jiān)測(cè)，一方面，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行控制，保證結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的安全，為施工服務(wù)；另一方面，根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)服役性能及剩余壽命進(jìn)行評(píng)估。

二、工程概況

    該體育館平面形狀為鵝蛋形狀，屋蓋外輪廓平面尺寸為149×176m。總建筑面積為29 950m2。體育館地上二層，局部三層，層高分別為6.0m、6.0m、3.6m。在屋蓋一側(cè)有一個(gè)上部直徑約30m下部直徑2m的漏斗狀構(gòu)型“太極心”直達(dá)地面，屋蓋南高北低，東、西對(duì)稱(chēng)，屋頂最高點(diǎn)標(biāo)高29.284m，屋頂周邊柱頂標(biāo)高20.494～21.348m。

    體育館鋼結(jié)構(gòu)部分主要由勁性柱、北側(cè)太極文化展覽、交流區(qū)域內(nèi)部太極筒結(jié)構(gòu)、內(nèi)部大跨度屋面梁結(jié)構(gòu)、外部外挑梁結(jié)構(gòu)、南側(cè)8000座池看臺(tái)太極拳比賽、演示區(qū)域內(nèi)部大跨度屋面梁結(jié)構(gòu)、外部外挑梁結(jié)構(gòu)組成。

    三、結(jié)構(gòu)空間有限元模型分析

    根據(jù)體育館結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用Midas有限元軟件建立結(jié)構(gòu)分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力及動(dòng)力特性的分析，模型中梁柱均采用三維線(xiàn)性梁?jiǎn)卧�，屋面系統(tǒng)采用膜單元進(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)分析模型如圖1所示。

    結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型如表1所示。表1反映出結(jié)構(gòu)振型復(fù)雜，側(cè)向剛度較強(qiáng)，而結(jié)構(gòu)屋面外剛度相對(duì)較弱。框架柱的合理設(shè)置提高了結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度。圖2給出了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布規(guī)律，其中屋面梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力相對(duì)較大，最大應(yīng)力處為107MPa，是受力比較集中的部分，相對(duì)于主體結(jié)構(gòu)，太極桶部分的應(yīng)力分布梯度較大。從變形情況來(lái)看，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋頂部中心部位豎向變形最大，相對(duì)位移約為120mm，豎向位移角為1/1050，太極筒部分豎向變形最大位移約為65mm，豎向位移角為1/1160。對(duì)柱底反力分析結(jié)果表明，柱底反力較大，甚至部分桿件出現(xiàn)拉力，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。以上部分為傳感器重點(diǎn)布設(shè)區(qū)域。

圖1結(jié)構(gòu)分析模型            圖2結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布 

表1結(jié)構(gòu)自振周期

四、傳感器測(cè)點(diǎn)布置

    經(jīng)結(jié)構(gòu)模型分析，最終確定體育館屋面鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)桿件共計(jì)38個(gè)，每個(gè)桿件上布置2個(gè)傳感器，共計(jì)76測(cè)點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變采用BGK4200振弦式表面應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

    南側(cè)8000座池看臺(tái)太極拳比賽、演示區(qū)域內(nèi)部大跨度屋面梁結(jié)構(gòu)為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)，共計(jì)監(jiān)測(cè)18個(gè)主受力桿件，每個(gè)梁上部布置2個(gè)傳感器，共計(jì)布置36個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；北側(cè)太極文化展覽、交流區(qū)域內(nèi)部太極筒結(jié)構(gòu)、內(nèi)部大跨度屋面梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)14個(gè)主受力桿件，每個(gè)桿件布置兩個(gè)傳感器，共計(jì)布置28個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；為了掌握結(jié)構(gòu)受力的整體性和規(guī)律性，在其余屋面鋼結(jié)構(gòu)部分選擇了6個(gè)關(guān)鍵桿件布置傳感器，每個(gè)桿件布置2個(gè)，共計(jì)12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖6所示。 

圖3 鋼結(jié)構(gòu)單元監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

    五、監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

    本課題組對(duì)體育館全過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形及溫度場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

    1、應(yīng)力監(jiān)測(cè)

    圖4是整個(gè)施工過(guò)程中，21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，三個(gè)部位關(guān)鍵桿件在仿真分析和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩種情況下的對(duì)比變化曲線(xiàn)。從整體變化趨勢(shì)來(lái)看，Midas分析結(jié)果與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的結(jié)果吻合度較高，在一定程度上能夠反映整個(gè)施工過(guò)程中構(gòu)件應(yīng)力變化情況。

    但是二者仍然存在一定差異性，三個(gè)部位實(shí)測(cè)結(jié)果均大于有限元分析結(jié)果，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在施工全過(guò)程受力較為復(fù)雜，不確定因素較多，與模型仍存在一定差異，但受力情況分析仍在可控范圍內(nèi)，差值約為10%。隨著施工階段的開(kāi)展，外荷載的逐級(jí)增加，結(jié)構(gòu)應(yīng)力呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)，實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果較大，但未超過(guò)鋼結(jié)構(gòu)的彈性范圍，不會(huì)造成事故。

    通過(guò)圖4（a）（b）（c）對(duì)比可以看出，與分析結(jié)果一致，該結(jié)構(gòu)受力并不均勻，結(jié)構(gòu)南部?jī)?nèi)測(cè)大跨度屋面梁的應(yīng)力最大，這是因?yàn)榇颂幗Y(jié)構(gòu)跨度較大，結(jié)構(gòu)受力較大的原因。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)單元監(jiān)測(cè)應(yīng)力對(duì)比

    2、溫度及變形監(jiān)測(cè)

    溫度監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括三部分：

    鋼結(jié)構(gòu)拼裝及合攏過(guò)程（設(shè)計(jì)合攏溫度在10～15℃）的溫度；鋼結(jié)構(gòu)安裝于塔架上卸載前的溫度；鋼結(jié)構(gòu)卸載后成型的溫度。

表2結(jié)構(gòu)溫度及撓度實(shí)測(cè)值

時(shí)間	溫度	測(cè)試截面撓度
		1號(hào)截面（mm）	2號(hào)截面（mm）
8：00	14.3	7.5	6.4
10：00	16.4	8.6	6.7
12：00	18.0	8.9	7.1
14：00	22.3	9.1	7.9
16：00	21.7	8.8	6.5
18：00	18.0	8.7	6.3

    對(duì)結(jié)構(gòu)每日進(jìn)行6次監(jiān)測(cè)，每隔兩小時(shí)一次，并記錄測(cè)量溫度和結(jié)構(gòu)構(gòu)件撓度，選擇兩個(gè)典型截面進(jìn)行分析，見(jiàn)表2。

    從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出：

   （1）結(jié)構(gòu)的整體變形分析值與實(shí)測(cè)值基本吻合。有限元模型能夠反映結(jié)構(gòu)變形真實(shí)情況。

   （2）上午由于環(huán)境溫度的提高，鋼結(jié)構(gòu)屋面溫度迅速升高， 14：00時(shí)屋面上表面平均溫度達(dá)到22.3℃， 16：00后溫度明顯下降，18：00后溫度下降變緩，鋼結(jié)構(gòu)各部分的平均溫度趨向一致。

   （3）溫度升高，結(jié)構(gòu)梁產(chǎn)生了下?lián)希�相比氣溫變化存在滯后性，結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)應(yīng)在氣溫基本一致的原則上進(jìn)行，考慮以上原因，結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)控選擇在每天早晨8：00進(jìn)行監(jiān)測(cè)，消除氣溫影響。

    六、結(jié)論

    通過(guò)對(duì)焦作國(guó)際太極拳文化交流中心體育館鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的Midas施工模擬及監(jiān)控分析，得到以下結(jié)論：

    1、有限元計(jì)算結(jié)果與施工監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合較好，但與模型仍存在一定差異，受力情況分析仍在可控范圍內(nèi)，差值約為10%。實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果較大，但未超過(guò)鋼結(jié)構(gòu)的彈性范圍，不會(huì)造成事故。

    2、溫度升高，結(jié)構(gòu)梁產(chǎn)生了下?lián)希�相比氣溫變化存在滯后性，結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)應(yīng)在氣溫基本一致的原則上進(jìn)行，考慮以上原因，結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)控選擇在每天早晨8：00進(jìn)行監(jiān)測(cè)，消除氣溫影響。

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)    文徑網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯   劉真 文徑 審核)

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