某大型會展中心鋼結構卸載與施工監測分析

嚴再春 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構，底部平面呈橢圓形，長軸54.6 m，短軸30 m；屋頂為不規則多邊形，長邊105 m，短邊57 m；頂部采光頂跨度21 m，長50 m。

結構主體采用空間桁架結構體系，中庭采光頂采用張弦拱梁結構體系。結構外側由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向桁架、次桁架連接成結構整體，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，頂面次梁連系，并滿布交叉拉索支撐。鋼結構如圖1所示。

圖1 鋼結構整體立面示意

2 施工方案

內部張弦梁結構施工過程中，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。在外側懸挑桁架結構施工過程中，依據懸挑段長度分別設置1～2個臨時支撐，共計86個臨時支撐，其中Y形柱桁架設臨時支撐38個，無鋼柱桁架設臨時支撐48個。

結構整體施工順序是由內向外進行的，主要工序如下：地面張弦梁拼裝→滿堂腳手架搭設→張弦梁吊裝→頂部環梁安裝→臨時支撐搭設→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，分析鋼結構和臨時支撐應力、位移的變化趨勢。

鋼結構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，結構有限元模型邊界如圖2所示。

圖2 模型邊界示意

4 施工過程監測

4.1監測關鍵要素分析

屋頂張弦梁以拉索作為核心構件，屬于柔性結構，在張弦梁施工過程中，兩側支座均采用臨時支撐進行限位約束。在張弦梁張拉和結構卸載過程中，為確保張弦梁索力、弧度與設計相符，需要對張弦梁索力進行監測。

在整個結構施工過程中，臨時支撐和Y形支撐柱共同承擔結構自重和施工活荷載，待結構完成拼裝后需拆除臨時支撐完成卸載，結構進入自承重狀態。結構卸載過程是結構受力逐漸轉移和內力重分布的復雜過程[1-6]。

為確保卸載過程鋼結構安全可靠，需全面跟蹤鋼結構在卸載過程中重要構件的重要參數，主要包括結構卸載過程中應力較大及應力變化較大的構件、臨時支撐的應力。根據監測結果給出卸載過程參數監測記錄及變化趨勢，給現場施工提供指導性建議，并監督施工過程的合理性，以確保工程安全進行。

4.2測點布置

根據項目結構特點和有限元數值模擬結果，本次鋼結構卸載過程監測主要針對鋼結構主體結構，監測內容和測點布置如下。

4.2.1 張弦梁索力監測

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形柱應力監測

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

圖4 Y形柱應力監測點示意

4.2.3 主桁架應力監測

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 主桁架應力監測點示意

5 監測結果與對比分析

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。在鋼結構臨時支撐卸載過程中，主要針對結構主體拉索拉力和應力狀態進行實時監測。

鑒于拉索和鋼結構對溫度效應相對敏感，為了分析卸載前、后的拉索拉力和結構應力實際增量，選取卸載前后同一時間點的數據進行分析，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構各應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，截至當天20點（當日施工結束），各測點拉力變化趨于平穩。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，截至當日19點（卸載施工結束），各測點拉力趨于平穩。

在臨時支撐卸載過程中，監測點SL-2最大索拉力變化值18 kN，索拉力增量在－2～18 kN范圍內變化，在施工期間受卸載效應影響，各測點拉力不同程度地呈現增大/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形柱的各測點應力均呈逐步增大趨勢，隨后逐步減小，截至當日20點（當日施工結束），各測點應力變化趨于平穩；至9月4日7點（第2天施工開始），13#主桁架Y形柱的各測點應力均呈逐步增大趨勢，截至當日19點（卸載施工結束），各測點應力趨于平穩。

圖7 13#主桁架Y形柱應力變化曲線

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

表2 13#主桁架Y形柱應力增量對比

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形柱的各測點應力均呈逐步增大趨勢，截至當日20點（當日施工結束），各測點應力變化趨于平穩；至9月4日7點（第2天施工開始），柱測點應力先呈遞減趨勢（受壓），在10點左右開始呈逐步增大趨勢，截至當日19點（卸載施工結束），各測點應力趨于平穩。

圖8 22#主桁架Y形柱應力變化曲線

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

表3 Y形柱應力增量對比

5.3主桁架

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

圖9 桁架應力變化曲線

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

表4 桁架應力增量對比

5.4 小結

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

2）個別點實測數據與模擬數據相差較大，主要有以下幾方面原因：受監測傳感器自身精度和可靠性等因素的影響；受現場施工條件限制，結構實際卸載過程不能完全按照預定卸載方案進行；數值模擬增量取桿件截面最大值，而實測應力數值與傳感器布置位置相關，實測應力不能完全反映構件截面最大應力。

6 結語

對背景工程卸載施工全過程進行數值仿真模擬和實時監測，通過拉索拉力和結構應力的實測數據與數值仿真模擬數據對比可知，兩者數據比較接近，數值仿真模擬能有效反映結構卸載過程。同時，監測數據反映了結構真實狀態，對結構進行實時監測能確保卸載過程安全可靠。