某大型會展中心鋼結(jié)構(gòu)卸載與施工監(jiān)測分析

嚴(yán)再春 況中華

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 工程概況

某大型會展中心為整體向外傾倒的二層大空間鋼框架結(jié)構(gòu)，底部平面呈橢圓形，長軸54.6 m，短軸30 m；屋頂為不規(guī)則多邊形，長邊105 m，短邊57 m；頂部采光頂跨度21 m，長50 m。

結(jié)構(gòu)主體采用空間桁架結(jié)構(gòu)體系，中庭采光頂采用張弦拱梁結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)外側(cè)由48榀平面懸挑桁架組成，其中24榀與下部Y形支撐柱相連。Y形支撐柱主要截面形式為變截面鋼管，主桁架截面主要為箱形管和圓管。桁架之間采用平面環(huán)向桁架、次桁架連接成結(jié)構(gòu)整體，桁架最大懸挑長度30 m。張弦梁最大跨度21 m，最大高度2.3 m，各榀張弦梁底部另有2條縱向拉索拉結(jié)，頂面次梁連系，并滿布交叉拉索支撐。鋼結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)整體立面示意

2 施工方案

內(nèi)部張弦梁結(jié)構(gòu)施工過程中，采用滿堂腳手架進行頂部安裝。空間桁架采用“單榀地面拼裝，整體吊裝”的安裝方案。在外側(cè)懸挑桁架結(jié)構(gòu)施工過程中，依據(jù)懸挑段長度分別設(shè)置1～2個臨時支撐，共計86個臨時支撐，其中Y形柱桁架設(shè)臨時支撐38個，無鋼柱桁架設(shè)臨時支撐48個。

結(jié)構(gòu)整體施工順序是由內(nèi)向外進行的，主要工序如下：地面張弦梁拼裝→滿堂腳手架搭設(shè)→張弦梁吊裝→頂部環(huán)梁安裝→臨時支撐搭設(shè)→桁架安裝→張弦梁下部臨時支撐卸載→無Y形鋼柱桁架臨時支撐卸載→有Y形支柱桁架臨時支撐卸載。

3 卸載過程數(shù)值模擬

利用有限元計算軟件Midas/Gen進行卸載施工全過程模擬，分析鋼結(jié)構(gòu)和臨時支撐應(yīng)力、位移的變化趨勢。

鋼結(jié)構(gòu)桿件采用梁單元模擬，拉索采用只受拉單元模擬。Y形支撐柱底部采用鉸接模擬，結(jié)構(gòu)有限元模型邊界如圖2所示。

圖2 模型邊界示意

4 施工過程監(jiān)測

4.1監(jiān)測關(guān)鍵要素分析

屋頂張弦梁以拉索作為核心構(gòu)件，屬于柔性結(jié)構(gòu)，在張弦梁施工過程中，兩側(cè)支座均采用臨時支撐進行限位約束。在張弦梁張拉和結(jié)構(gòu)卸載過程中，為確保張弦梁索力、弧度與設(shè)計相符，需要對張弦梁索力進行監(jiān)測。

在整個結(jié)構(gòu)施工過程中，臨時支撐和Y形支撐柱共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)自重和施工活荷載，待結(jié)構(gòu)完成拼裝后需拆除臨時支撐完成卸載，結(jié)構(gòu)進入自承重狀態(tài)。結(jié)構(gòu)卸載過程是結(jié)構(gòu)受力逐漸轉(zhuǎn)移和內(nèi)力重分布的復(fù)雜過程[1-6]。

為確保卸載過程鋼結(jié)構(gòu)安全可靠，需全面跟蹤鋼結(jié)構(gòu)在卸載過程中重要構(gòu)件的重要參數(shù)，主要包括結(jié)構(gòu)卸載過程中應(yīng)力較大及應(yīng)力變化較大的構(gòu)件、臨時支撐的應(yīng)力。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果給出卸載過程參數(shù)監(jiān)測記錄及變化趨勢，給現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)性建議，并監(jiān)督施工過程的合理性，以確保工程安全進行。

4.2測點布置

根據(jù)項目結(jié)構(gòu)特點和有限元數(shù)值模擬結(jié)果，本次鋼結(jié)構(gòu)卸載過程監(jiān)測主要針對鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)，監(jiān)測內(nèi)容和測點布置如下。

4.2.1 張弦梁索力監(jiān)測

在每榀張弦梁拉索靠近錨固端處布置1個測點，共計10個索力測點，索力監(jiān)測采用磁通量傳感器，張弦梁位置如圖3所示。

圖3 張弦梁位置示意

4.2.2 Y形柱應(yīng)力監(jiān)測

取13#主桁架和22#主桁架Y形柱鑄鋼件變截面處為監(jiān)測斷面，測點沿截面布置，每個截面布置6個應(yīng)力測點，共計12個應(yīng)力測點。應(yīng)力監(jiān)測采用振弦式應(yīng)變計，通過計算將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為應(yīng)力進行監(jiān)測。測點布置如圖4所示。

圖4 Y形柱應(yīng)力監(jiān)測點示意

4.2.3 主桁架應(yīng)力監(jiān)測

22#主桁架上弦桿XG11上布置1個測點；23#主桁架腹桿FG33、FG14及下弦桿XG9各布置1個測點，共計4個測點，測點布置如圖5所示。

圖5 主桁架應(yīng)力監(jiān)測點示意

5 監(jiān)測結(jié)果與對比分析

背景工程自開始臨時支撐卸載施工，至全部臨時支撐卸載完畢，歷時34 h。在鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐卸載過程中，主要針對結(jié)構(gòu)主體拉索拉力和應(yīng)力狀態(tài)進行實時監(jiān)測。

鑒于拉索和鋼結(jié)構(gòu)對溫度效應(yīng)相對敏感，為了分析卸載前、后的拉索拉力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力實際增量，選取卸載前后同一時間點的數(shù)據(jù)進行分析，即以開始卸載的9月3日8點作為測試初始值，以全部卸載完畢的9月5日8點作為測試終值，判斷拉索拉力和鋼結(jié)構(gòu)各應(yīng)力測點在卸載過程中的變化情況。

5.1 拉索

卸載過程中，張弦梁索力變化曲線如圖6所示。

圖6 索力變化曲線

由圖6可知，9月3日8點，隨著臨時支撐卸載施工的開始，索力測點拉力大部分呈遞增趨勢，SL-7測點拉力先減小隨后遞增，截至當(dāng)天20點（當(dāng)日施工結(jié)束），各測點拉力變化趨于平穩(wěn)。至9月4日8點（第2天施工開始），索力各測點拉力均呈遞增趨勢，截至當(dāng)日19點（卸載施工結(jié)束），各測點拉力趨于平穩(wěn)。

在臨時支撐卸載過程中，監(jiān)測點SL-2最大索拉力變化值18 kN，索拉力增量在－2～18 kN范圍內(nèi)變化，在施工期間受卸載效應(yīng)影響，各測點拉力不同程度地呈現(xiàn)增大/減小趨勢。

索拉力模擬增量和實測增量對比見表1，通過分析得出，卸載過程中實測拉力增量均小于或接近數(shù)值模擬的拉力增量。

表1 索力增量對比

5.2Y形柱

5.2.1 13#主桁架Y形柱

圖7給出了卸載期間13#主桁架柱應(yīng)力變化曲線。9月3日8點，隨著臨時支撐卸載施工的開始，Y形柱的各測點應(yīng)力均呈逐步增大趨勢，隨后逐步減小，截至當(dāng)日20點（當(dāng)日施工結(jié)束），各測點應(yīng)力變化趨于平穩(wěn)；至9月4日7點（第2天施工開始），13#主桁架Y形柱的各測點應(yīng)力均呈逐步增大趨勢，截至當(dāng)日19點（卸載施工結(jié)束），各測點應(yīng)力趨于平穩(wěn)。

圖7 13#主桁架Y形柱應(yīng)力變化曲線

在臨時支撐卸載過程中，13#主桁架柱應(yīng)力增量在－15～12 MPa范圍內(nèi)變化，主要在施工期間受卸載效應(yīng)影響，各測點應(yīng)力不同程度地呈現(xiàn)增大/減小趨勢。13#主桁架柱應(yīng)力數(shù)值模擬增量與實測增量對比見表2，通過對比分析，實測應(yīng)力增量均小于數(shù)值模擬應(yīng)力增量。

表2 13#主桁架Y形柱應(yīng)力增量對比

5.2.2 22#主桁架Y形柱

圖8給出了卸載期間22#主桁架柱應(yīng)力變化曲線。9月3日8點，隨著臨時支架卸載施工的開始，Y形柱的各測點應(yīng)力均呈逐步增大趨勢，截至當(dāng)日20點（當(dāng)日施工結(jié)束），各測點應(yīng)力變化趨于平穩(wěn)；至9月4日7點（第2天施工開始），柱測點應(yīng)力先呈遞減趨勢（受壓），在10點左右開始呈逐步增大趨勢，截至當(dāng)日19點（卸載施工結(jié)束），各測點應(yīng)力趨于平穩(wěn)。

圖8 22#主桁架Y形柱應(yīng)力變化曲線

在臨時支撐卸載過程中，22#主桁架柱應(yīng)力增量在－25～20 MPa范圍內(nèi)變化，主要在施工期間受卸載效應(yīng)影響，各測點應(yīng)力不同程度地呈現(xiàn)增大/減小趨勢。22#主桁架柱應(yīng)力數(shù)值模擬增量與實測增量對比見表3，經(jīng)對比分析得出，實測應(yīng)力增量均小于理論應(yīng)力增量。

表3 Y形柱應(yīng)力增量對比

5.3主桁架

圖9給出了卸載期間主桁架應(yīng)力變化曲線。9月3日8點，隨著臨時支撐卸載施工的開始，桁架各測點應(yīng)力均呈逐步增大趨勢，截至當(dāng)日20點（當(dāng)日施工結(jié)束），各測點應(yīng)力變化趨于平穩(wěn)；至9月4日7點（第2天施工開始），桁架各測點應(yīng)力先呈遞減趨勢（受壓），在10點左右開始呈逐步增大趨勢，截至當(dāng)日19點（卸載施工結(jié)束），各測點應(yīng)力趨于平穩(wěn)。

圖9 桁架應(yīng)力變化曲線

在臨時支撐卸載過程中，主桁架弦桿及腹桿應(yīng)力增量在－25～38 MPa范圍內(nèi)變化，主要在施工期間受卸載效應(yīng)影響，各測點應(yīng)力不同程度地呈現(xiàn)增大/減小趨勢。桁架應(yīng)力模擬增量與實測增量對比見表4。

表4 桁架應(yīng)力增量對比

5.4 小結(jié)

1）經(jīng)以上分析得出，絕大部分測點的實測應(yīng)力變化曲線被仿真模擬應(yīng)力變化曲線所包絡(luò)，實測結(jié)果與仿真模擬結(jié)果基本一致，表明仿真模型基本符合實際工況，仿真分析結(jié)果可為應(yīng)力監(jiān)測提供參考。

2）個別點實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相差較大，主要有以下幾方面原因：受監(jiān)測傳感器自身精度和可靠性等因素的影響；受現(xiàn)場施工條件限制，結(jié)構(gòu)實際卸載過程不能完全按照預(yù)定卸載方案進行；數(shù)值模擬增量取桿件截面最大值，而實測應(yīng)力數(shù)值與傳感器布置位置相關(guān)，實測應(yīng)力不能完全反映構(gòu)件截面最大應(yīng)力。

6 結(jié)語

對背景工程卸載施工全過程進行數(shù)值仿真模擬和實時監(jiān)測，通過拉索拉力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力的實測數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真模擬數(shù)據(jù)對比可知，兩者數(shù)據(jù)比較接近，數(shù)值仿真模擬能有效反映結(jié)構(gòu)卸載過程。同時，監(jiān)測數(shù)據(jù)反映了結(jié)構(gòu)真實狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測能確保卸載過程安全可靠。