裝配式大跨徑木質張弦梁結構安裝數值仿真與監測技術*

程 驥，陳亞麗，龔晉德

(中建新疆建工(集團)有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

張弦梁結構體系是一種大跨度預應力空間結構體系，是一種自平衡的混合結構受力體系。該受力體系是通過中間撐桿與下弦拉索將上弦(剛性構件)、拉索(柔性構件)聯系在一起，是混合結構發展過程中一個比較成功的受力體系。

裝配式大跨徑木質張弦梁結構相對于剛性張弦梁結構而言，具有整體抗側剛度弱、穩定性差、節點構造復雜、受力復雜、施工難度大等顯著技術難點。同時，施工方需依據設計方提供的安裝施工完成時的索力和形狀(施工完成態)完成仿真模擬和數值計算，得到施工開始時結構的形態(施工初始態)，判斷木結構安裝施工完成后及索張拉后是否滿足索力和形狀的要求(施工完成態)。施工方也需依據數值模擬計算的結果實時監控安裝施工過程中索力及結構形狀的變化，及時對結構糾偏，確保索力和形狀(施工完成態)滿足設計方要求。

本文依托工程項目，著重對裝配式大跨徑木質張弦梁結構張拉過程監測、張拉過程受力分析等方面進行闡述，模擬了動態安裝施工過程和實時索力監控等施工關鍵技術。該工程不僅滿足了設計對建筑外形的要求，而且實現了建筑功能，同時作為精品工程增加了社會效益，對促進大空間木結構施工領域技術進步和管理水平提高具有十分重要的意義。

1 工程簡介

1.1 工程概況

浙江大學國際聯合學院(海寧國際校區)一期工程綜合體育館是由上部鋼結構屋蓋和下部混凝土結構組成的大型體育場館。整體建筑呈結構對稱布置，一側為訓練館，一側為游泳館，中間采用大跨徑木質張弦梁連接為整體。整體建筑立面如圖1所示。

圖1 建筑立面

1.2 結構特點

該綜合體育館上部張弦梁結構的建筑面積約為2 041m2，1層，木拱頂部結構標高為19.170m，為5榀木質張弦梁結構，跨徑達45.6m，每榀間距9m，本工程跨徑及間距為國內罕見的裝配式木質張弦梁結構。張弦梁結構由上部張弦梁段、下部拉索1、中間斜向撐桿1、中間斜向撐桿2及拉索2組成。上部張弦梁結構支承于預留的混凝土柱牛腿上，牛腿結構標高14.950m。牛腿一端設置固定盆式橡膠支座，一端為單向活動盆式橡膠支座。橡膠支座與頂部銷軸、下部預埋板通過施加周圍焊縫連接為整體。張弦梁結構如圖2所示。

圖2 張弦梁結構示意

每榀木質張弦梁結構由6段強度等級為TCT24的同等組合花旗松層板膠合木木梁組成，每兩段木梁之間通過30mm厚Q235B鋼材的連接板與8.8級M30普通螺栓連接而成。木結構選材為花旗松層板膠合木，結構設計安全等級為二級，使用年限為50年。分段標高對稱分別位于17.436，18.748，19.170m位置處，結構中間部位有2個材質為Q235B的斜向撐桿2與拉索1通過索頭連接，連接節點如圖3所示。

圖3 木梁連接節點

張弦梁下弦拉索及平面內交叉支撐拉索采用國產帶PE護套平行鋼絲束拉索，破斷強度 1 570MPa，索設計承載力<0.5fptk，國產平行鋼絲束拉索彈性模量取1.9×105MPa，按DG/TJ 08-019—2005《建筑結構用索應用技術規程》選用。

1.3 施工方案比選

目前裝配式大跨徑張弦梁結構施工通常有2種方案： ①方案1 大跨徑張弦梁段先在地面拼裝為整體，以榀為單元進行吊裝，待吊裝就位安裝次梁等附屬構件后，張拉拉索至設計值，完成結構安裝；②方案2 在大跨徑張弦梁段吊裝就位，在高空中散件組裝拼接成1榀大跨徑張弦梁結構，分次完成每榀張弦梁結構的吊裝，待次梁等附屬構件全部安裝完成后，對拉索進行張拉。

方案1相較于方案2簡單、安全風險小、無須搭設胎架、工程造價低，但由于裝配式大跨徑張弦梁結構側向剛度小且每榀張弦梁結構之間無連系，易出現平面外失穩等情況。方案2在高空安裝、需搭設胎架、張拉時結構形成體系，需克服整個屋面自重，因此，方案2的張拉力較大，張拉作業強度及難度也相應較大。

本工程采用有限元方法進行力學分析與計算，輔助結構施工方案的選型。取單榀桁架，用SAP2000模擬計算，單榀張弦梁在第1～4模態均為平面外失穩，至第5模態才呈現平面內失穩。而在實際施工過程中，張拉完成起吊時的動力效應和吊裝過程中結構偏心帶來的側向擾動會超過仿真模擬預估數值。方案2在張拉施工時已完成拼裝的次梁等附屬構件可約束每榀張弦梁結構，更利于結構的側向穩定。綜上計算結果，本工程選用方案2。

2 施工工藝原理與工藝流程

2.1 施工工藝原理

本工程采用非線性有限元方法建立裝配式大跨徑張弦梁結構的三維動態施工模型，進行施工仿真時程分析時考慮柔性構件拉索的大變形特點。根據施工方案中安裝順序，張弦梁結構有限元模型中部分結構單元(如某榀張弦梁的吊裝完成)被激活，部分結構單元(如拆除臨時支撐)被鈍化。同時，根據施工方案中拉索的張拉順序和張拉荷載，張弦梁結構承受的施工荷載(如拉索不同時刻的張拉力)也被更新。由于張弦梁結構中柔性結構拉索的幾何非線性特點，不同的施工方案對應的施工仿真模擬的結果也不同，說明非線性結構具有路徑相關性。本工程采用非線性有限元方法仿真結果指導張弦梁結構的安裝施工過程，選擇合理的安裝施工方案，確定柔性構件拉索張拉的力度和加載階次，符合PDCA項目管理方法中對預先計劃的要求。

張弦梁結構安裝施工過程實時監控原理是依據數值模擬計算的結果對安裝施工過程中張弦梁結構的關鍵點進行信息化實時監測，對拉索的索力及結構形狀的變化及時進行糾偏，符合PDCA項目管理方法中對過程監測及糾偏的要求。

選取典型張弦梁，每榀測試張弦梁上弦跨中及4個跨度較大處截面，測試該5個截面上、下表面在施工過程中的應變，采用的測試設備是振弦式應變計及配套測試設備。振弦式應變計采用的是振弦理論設計、全不銹鋼制造，具有靈敏度與精度高、線性與穩定性好等優點。該應變計的工作原理是將構件表面或內部的應變換算成鋼弦的工作頻率變化從而得到測量結果。

振弦式應變計的測量采用頻率模數f來度量，其定義為：

(1)

式中:f為鋼弦振動頻率；L為鋼弦長度；ρ為鋼弦密度；σ為鋼弦所受的張拉應力。

振弦式應變計所承受的軸向應變與鋼弦振動頻率變化的平方成正比，計算公式為：

ε=Kf2

(2)

式中:ε為應變量；K為標定系數；f為鋼弦振動頻率。

(3)

式中:εt為t狀態時應變量；ε0為0狀態時應變量。

2.2 工藝流程

建立三維動態模型→以備選施工方案進行非線性時程分析→各方案結構關鍵點位移及索力的仿真時程分析→與設計方提供的結構形狀及索預應力對比，優選施工方案→依據最優施工方案確定結構起拱量，指導木結構深化設計→依據深化設計圖進行構件制作→依據最優施工方案進行木結構安裝→實時監控結構關鍵點位移及索力，并與仿真結果作對比→依據對比結果，調整索張拉的力度和順序，及時進行糾偏→達到預定結構形狀及索預應力，結構安裝完成。

3 數值仿真

3.1 數值分析流程

由于裝配式大跨徑木質張弦梁結構為空間結構受力體系，具有結構整體受力的特點，因此施工模擬計算模型需建立三維整體有限元模型進行計算和分析。首先用AutoCAD繪圖軟件或BIM軟件建立張弦梁結構的空間線框模型，且建模尺寸精確到毫米。然后將張弦梁結構的空間線框模型保存為DXF格式或有限元可導入的格式，并導入通用有限元程序SAP2000或MIDAS等。在有限元軟件中定義桿件材料和截面等屬性并賦予線框單元屬性。進行仿真計算分析時應考慮柔性構件拉索的幾何非線性特點，即選擇有限元軟件中索單元的幾何非線性，準確模擬張拉施工時拉索的變形。

1)選擇木質張弦梁本構關系

根據設計和施工方案中選擇的木材確定木質張弦梁本構關系，確定為圖所示本構關系，圖4中，σten-yield為受拉屈服應力，εten-yield為受拉屈服應變值，εten-max為受拉極限應變值，σcom-yield為受壓屈服應力，εcom-yield為受壓屈服應變值，εcom-max為受壓極限應變值，Etan-ten為拉伸切線模量，Etan-com為壓縮切線模量。

圖4 木質張弦梁本構關系

2)定義只傳遞軸拉力的拉索單元

根據索單元受力和變形特點，定義屬性為只傳遞軸拉力的索單元，模擬施工中張拉力大小改變的拉索，將該屬性賦予拉索線框單元，進行張弦梁結構中拉索的受力分析。

3)輸入拉索單元的初拉力

根據裝配式大跨徑木質張弦梁結構加工和放樣狀態設置拉索單元的初拉力(即設計時求出的拉索的初拉力或直接假定一個索拉力)，分析整體結構在初拉力和其他荷載共同作用下的受力和形變。

4)賦予三維整體模型分析工況及時間特性

定義非線性分析控制數據和荷載工況；依據施工方案中索單元張拉次序和張拉時間，定義張弦梁結構中各桿件單元激活時間(即各結構單元出現的時間)，這是模擬施工動態仿真計算的關鍵。整個仿真計算過程依據施工順序劃分為多個時間步，每個時間步激活的單元各不相同，形成動態變化的三維整體模型。

5)非線性時程分析及仿真時程曲線

張弦梁結構中拉索為柔性構件，具有幾何非線性特性。采用有限元軟件的時程分析功能，可輸出施工各階段的結構關鍵點的應力、應變和變形數值。計算結果應重點關注索力的時程曲線，分析拉索受力情況，防止因構件超載而導致結構不安全。除此之外，施工完成態的位移大小和形狀會影響建筑造型和建筑效果，所以各關鍵部位的位移應實時監控。

3.2 計算模型及結果

經建模分析之后，結構的有限元分析模型如圖5所示，拉索1索力值和拉索2索力值如表1和表2所示。

圖5 有限元模型

表1 拉索1索力值 kN

表2 拉索2索力值 kN

4 施工監測

4.1 監測依據及內容

根據GB/T 50344—2004《建筑結構檢測技術標準》進行實時監測。監測內容如下。

1)應變 分別對典型榀張弦梁進行監測，每榀測試5個截面(張弦梁上弦跨中及4個跨度較大處截面)，測試該5個截面上、下表面在施工過程中的應變，每榀共用應變計10個。

2)索力 測試典型榀裝配式大跨徑張弦梁結構的索力，監測典型榀裝配式大跨徑張弦梁結構6處拉索的索力，每個典型榀裝配式大跨徑張弦梁結構使用應變計6個。

3)豎向位移 測試典型榀裝配式大跨徑張弦梁結構在張拉過程中的豎向位移，豎向位移測點設在木梁的頂部。

4)水平位移 測試典型榀裝配式大跨徑張弦梁結構在張拉過程中的水平位移，檢測點設在單向活動盆式橡膠支座處。

4.2 監測方法

監測過程將與裝配式大跨徑張弦梁結構張拉同步進行。裝配式大跨徑張弦梁結構的張拉力、木梁上的應變值將采用應變計測試，應變計為一次性使用；張弦梁的反拱、兩端的位移值采用百分表測試。

1)張拉過程中典型榀裝配式大跨徑張弦梁結構5個截面的應變，采用應變計測試方法。在張拉前，將應變計固定在相應的測試位置，并記錄應變計頻率初讀數，測定應變計的具體位置，當張拉完畢時，再讀取應變計的頻率讀數，按相應的標定公式計算出張拉過程中木梁的應變。

2)張拉過程中典型榀裝配式大跨徑張弦梁結構拉索的拉力值，采用應變計測試方法。在張拉前，采用夾具式應變計，將其固定在相應的拉索測試位置，并記錄應變計頻率初讀數，當張拉完畢及回油后，再讀取應變計的頻率讀數，按相應的標定公式計算出拉索的張拉值及實際拉索中的拉力。

3)裝配式大跨徑張弦梁結構在張拉過程中進行豎向位移測試。豎向位移測試采用百分表，采用從張弦梁頂部掛細鐵絲至地面，并懸掛重砝盤，將細鐵絲拉直，在砝盤上安裝百分表，張弦梁上升的豎向位移，即通過砝盤的上升，最終由百分表測得。

4)典型榀裝配式大跨徑張弦梁結構在張拉過程中進行縱向伸縮位移測試。在張拉前，將百分表架安裝在張弦梁的兩端支座底板上，百分表對正在張弦梁平面內，分別讀取張拉前后的讀數，即可獲得張弦梁平面內的伸縮變形。

4.3 監測結果

取④，⑤軸典型張弦梁的監測結果，其中④軸結果如表3所示。

表3 拉索索力值 kN

④軸張弦梁張拉過程中，豎向位移為52mm，梁平面內水平位移為15.09mm。油表顯示的張拉值與應變計數值基本一致，同時，張拉值達到設計要求。但當回油后，將有較大的張拉值損失，原因可能是工裝段長度無法與張拉值一致。木梁上的應變值多為壓應變，顯示出跨中大，1/4跨較小，而端部又有較大壓應變。

5 結語

1)對于裝配式大跨徑木質張弦梁結構，應依據構件安裝順序和拉索預應力施加方案，模擬整體結構在相應施工工況下的應力、應變和位移情況，并為實際施工參考和指導。

2)為更好地控制裝配式大跨徑木質張弦梁結構的初始應力和變形，應對張弦梁結構的張拉施工過程進行數值分析和實時監測分析。

3)對于裝配式大跨徑木質張弦梁結構，采用合理的施工節奏、施工順序、固接時機，確定合適的施工方法，從制作、安裝、張拉等過程改進施工工藝，保證結構成型質量，合理劃分施工區段，在結構受力體系完整可控的同時，優化施工順序和施工方案，合理組織流水。