太原機場新航站樓網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力與變形監(jiān)測

胡宏青

1 工程概況

太原機場新航站樓屋面鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)共分七個區(qū)，水平投影面積為32199 m2，總重近2000 t，結(jié)構(gòu)形式為正放四角錐螺栓球節(jié)點和焊接球節(jié)點相結(jié)合網(wǎng)架，周邊管桁架收邊，下弦周邊柱與中間柱混合支承，支承柱為鋼管混凝土柱或柱帽。桿件為鋼管，節(jié)點類型螺栓球和管桁架混用，個別采用焊接空心球。標準網(wǎng)格尺寸為2 m×2 m，共有10889個單元，2856個節(jié)點。網(wǎng)架桿件選用Q345B無縫鋼管，螺栓選用GB 3077中的40Cr，螺栓球選用GB 699中的45號鋼鍛造，封板錐頭和套筒選用Q345B鋼，焊條選用E50XX系列。屋頂呈雙弧線，下弦高差大，是本工程施工的難點和重點。網(wǎng)架一模型見圖1。

圖1 網(wǎng)架一模型

2 監(jiān)測內(nèi)容

1)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工過程中的計算機仿真技術(shù)研究;2)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工過程中的力學分析;3)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一區(qū)及七區(qū)施工過程中的應力測控技術(shù)應用研究。主要包括:拼裝階段、吊裝階段、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)就位、屋面板安裝過程、屋面板安裝完畢、室內(nèi)各種吊重安裝完畢共六個階段的桿件、節(jié)點及支座的應力測控;4)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體變形分析及測控;5)考慮各種初始缺陷對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)承載力的影響分析。

3 技術(shù)手段

通過借助ANSYS大型有限元軟件對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行理論分析和仿真技術(shù)研究;采用應變片、導線及7V08數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工過程各階段的應力及應變實施監(jiān)控，確保網(wǎng)架施工安全，研究較好的施工方法。

4 研究特點

首次應用ANSYS軟件對該類型復雜網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的施工全過程進行計算機仿真，根據(jù)仿真結(jié)果指導施工工序，改變以往網(wǎng)架施工完全依靠經(jīng)驗的傳統(tǒng)做法。將施工力學與現(xiàn)代應力應變測控技術(shù)引入網(wǎng)架施工之中，通過現(xiàn)場大量應變數(shù)據(jù)的采集，定量描述網(wǎng)架桿件及節(jié)點的真實受力狀態(tài)，定量描述各類初始缺陷對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力影響程度，為今后類似工程提供寶貴的資料、借鑒和指導。

5 監(jiān)測實施

網(wǎng)架一選取了8個測區(qū)，每個測區(qū)分別選取兩根上弦、三根腹桿和四根下弦作為檢測對象，每根桿件上布置兩個測點，測點布置位置為桿件的中部，兩個測點對稱布置。網(wǎng)架七布設3個主要測區(qū)，每個測區(qū)分別選取兩根上弦、兩根腹桿和兩根下弦作為檢測對象，每根桿件上布置兩個測點，測點布置于桿件的中部，兩個測點對稱布置。所有的信號線均綁扎于網(wǎng)架的下弦，匯總于一處。現(xiàn)場搭設了臨時房屋，為采集數(shù)據(jù)提供良好的工作環(huán)境。數(shù)據(jù)采集從網(wǎng)架吊裝開始至屋面板安裝就位結(jié)束，歷時200多天，獲得了大量珍貴的數(shù)據(jù)。

經(jīng)過近200 d的測量，最后選取有代表性的11個測點。篩選數(shù)據(jù)，運用最小二乘法將吊升階段、安裝就位階段和屋面板安裝階段三個階段分段擬合。

6 監(jiān)測結(jié)論

通過將計算機仿真結(jié)果與大量實測結(jié)果的對比分析，得出以下主要結(jié)論:

1)網(wǎng)架一的施工組織設計科學合理。采用的“液壓同步提升施工技術(shù)”有一定的先進性。吊點位置設置合理，吊點分布較均勻，對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生不利影響;“先安裝網(wǎng)架中部的樹狀支撐后安裝周邊支座”是較為合理的施工方案;“先安裝網(wǎng)架中部的屋面板后由中間向兩邊安裝”的方案優(yōu)于“從一邊單方向安裝屋面板”方案。

2)網(wǎng)架七的施工組織設計科學合理。采用的“拔桿法施工技術(shù)”具有簡潔、高效的特點。各片的吊點位置合理，吊點分布比較均勻，對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生不利影響;由于每片網(wǎng)架較為規(guī)則，南、北部支座的安裝誰先誰后均可行;“先安裝網(wǎng)架交匯處的屋面板后向兩個分支方向延伸”方案優(yōu)于“先安裝兩個分支方向后安裝交匯處的屋面板”方案。

3)開展網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工過程中的計算機仿真技術(shù)研究意義深遠。不僅可以事先模擬出網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在各種工況下的受力狀態(tài)，而且可以優(yōu)化出最佳的施工方案。更重要的是可以事先發(fā)現(xiàn)問題，提前采取措施，防患于未然。

4)本次的仿真結(jié)果經(jīng)實測數(shù)據(jù)驗證:a.ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析軟件是進行大型復雜空間結(jié)構(gòu)施工過程仿真的理想手段;b.計算機仿真結(jié)果與實測結(jié)果規(guī)律基本吻合;c.計算機仿真結(jié)果略小于實測結(jié)果。

5)實測結(jié)果表明:網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的上弦、下弦及腹桿并非理想的軸心受力桿件。尤其在施工過程中應力水平較低的情況下，實測數(shù)據(jù)較大的離散性，大部分桿件不同程度地出現(xiàn)較大的附加彎曲應力。究其原因，是由于桿件存在初偏心和初彎曲，這主要是制作和安裝的問題。

6)在上述研究成果的基礎上，提三點建議:a.制作單位應采取有效的措施，最大程度地將制作誤差控制在國家規(guī)范的允許偏差范圍之內(nèi)，以減小初始缺陷對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不利影響。b.施工單位應高度重視施工方案的合理性與先進性，在保證拼裝質(zhì)量的前提下，最大程度地降低安裝初始缺陷對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不利影響。c.設計單位應在思想上加強對初始缺陷不利后果的認識，從中國工程質(zhì)量的實際出發(fā)，在今后的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計中引入先天性初始缺陷的考慮，處理好設計中安全與經(jīng)濟的矛盾。

[1]謝 東，張樹勛.某網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安全性檢測與評價[J].山西建筑，2010，36(17):46-47.