膠合木張弦梁結構施工階段監測研究

潘 鴻 黃俊杰 劉得龍 孫 赫 張 晉

(1.中億豐建設集團股份有限公司 江蘇蘇州 215131;2.東南大學 混凝土及預應力混凝土結構教育部重點實驗室 江蘇南京 211189)

0 引言

預應力張弦結構，是齋藤公男于1979年提出的一種現代張弦結構。由于造型優美、施工簡便、受力性能良好等優點，如今已在體育、會展、交通設施等大型公共建筑中得到廣泛的應用[1]。以往建造的張弦結構多是鋼結構體系，例如廣州國際會展中心、上海虹橋機場[2]，以木材為主體的張弦結構較少。隨著人們對建筑美觀、節能方面的要求越來越高，而木結構以美觀、節能著稱，所以木結構為主體的張弦結構將會越來越流行。

根據以往張弦鋼結構的建造經驗可知：張弦結構在施工過程中會產生較大變形、材料的材性受環境因素影響大、構件往往存在初始缺陷。因此，結構實際狀態與分析模型存在差異。為保障結構在施工階段的位移、應變和索力符合設計預期，對使用階段出現的危險情況能及時預警、評估，確保結構的安全運營[3]，往往會對結構進行健康監測。木材的材性相對鋼材更為復雜，同時由于張弦結構興起較晚，國內在張弦鋼結構的健康監測方面的文獻相對較少[4]，張弦木結構健康監測的相關文獻更是寥寥無幾。所以，對膠合木張弦梁結構進行健康監測，探索實際結構與計算模型存在的差異，是亟待解決的問題。

本文以蘇州第二工人文化宮游泳館膠合木張弦梁結構施工階段的監測為例，提供了張弦梁結構位移、應力、索力在施工階段監測的結果，并對監測結果進行簡要分析；將數值模型的計算結果與實際監測結果對比，論證了模型的有效性，為以后相關的工程實踐提供參考。

1 工程概況

蘇州第二工人文化宮位于蘇州市相城區，由9個建筑結構單體組成，其中的游泳館縱向跨度67.2 m，橫向跨度36.6 m，占地面積2460 m2，內設游泳池、戲水池和看臺。游泳館屋面采用坡屋面形式，屋蓋采用張弦梁結構，如圖1所示。主次梁采用TCT21膠合木，主梁截面為210 mm×800 mm，次梁截面為170 mm×400 mm、130 mm×300 mm和210 mm×500 mm，預應力索采用鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼索。

圖1 膠合木張弦梁結構

2 監測準備

2.1 結構施工階段劃分

張弦結構在施工過程中受力狀態是變化的，是一個極其復雜的狀態，因此劃分施工階段十分必要。根據以往的經驗，施工階段大致可以分為安裝階段、張拉階段、附屬體系施工階段，對應結構的3種受力狀態：零狀態、初始態和荷載態[5]。

本文中膠合木張弦梁結構3個施工階段的任務如下：

(1)滿堂腳手高空拼裝，木梁安裝就位，拉索安裝與預緊。此時木梁擱置在滿堂腳手架上，結構處于零狀態——無任何預應力與外荷載作用。

(2)按順序對張弦木梁進行張拉。為保證結構在張拉過程中的可控性，本工程的拉索采用分階段張拉，每一階段張拉時，由15軸向23軸(圖2)依次逐榀張拉，交叉兩根拉索同時張拉。

(●為應力測點，▲為位移測點，△為索力測點)圖2 結構平面及測點布置圖

張拉第一階段：按順序張拉到90%設計工況對應索力。一根拉索有兩個張拉調節端，對于同時實施張拉的兩根拉索，共4個張拉調節端。考慮到4個張拉端同時張拉，對本階段的90%設計工況對應索力進行分級張拉：預緊→27%→54%→81%→90%。

張拉第二階段：按順序張拉到100%設計工況對應索力。張拉完成的張弦木結構處于初始態-預應力和自重共同作用。

(3)進行屋面、幕墻等其他附屬體系的施工，施工完成后結構投入使用。此時為結構的荷載態——結構受到預應力、自重和其他外荷載的作用。

2.2 結構監測階段劃分

本工程中，監測階段的劃分主要依據《建筑施工測量標準》(JGJ/T 408-2017)[6]13.5.5小節相關要求、《建筑與橋梁結構監測技術規范》(GB50982-2014)[7]中相關要求和木結構施工階段劃分，擬定以下施工監測階段，如表1所示。

表1 施工監測階段劃分

2.3 測點布置

查閱相關文獻可知，木結構建筑往往以最大位移作為結構安全的控制指標，索力是以往張弦鋼結構監測的重要參數[8]。因此，本工程的健康監測以位移為主控參數，索力為第二控制參數，并綜合考慮構件的應力，來判斷結構的安全性。所以，本工程的監測內容為撐桿的豎向位移、拉索的索力和木梁控制截面的應力。

位移監測依照《建筑變形測量規范》(JGJ8-2016)[9]中4.5節相關要求，采用電子全站儀對測點的豎向位移定期進行測量。該工程通過在撐桿上粘貼反射片的方式，共設8個測點，編號依次為W-1～8，安裝位置如圖2所示。

索力監測采用在拉索上安裝EM磁通量索力傳感器的方式，進行長期觀測，共設8個測點，編號依次為S-1～8，測點位置如圖2所示。

應力監測采用在木梁上安裝BGK-4000振弦式應變計的方式，對應力進行長期觀測，選取8處木梁截面為測點，編號依次為YL-1～8，測點位置；每處測點安裝3個振弦式應變傳感器，3個傳感器分別用螺釘固定在木梁側面距頂部5 cm、木梁側面中間和木梁底面中間。

2.4 MIDAS計算模型

(1)計算模型

該工程采用有限元分析軟件Midas Gen進行分析，木梁采用梁單元進行模擬，撐桿采用桁架單元模擬，拉索采用只受拉索單元進行模擬。TCT21膠合木材：彈性模量為8000 MPa，泊松比為0.37，線膨脹系數為1.2×10-6，重量密度為5.00×10-6N/mm3；預應力鋼絲的彈性模量取1.6×105MPa，泊松比為0.3，溫度膨脹系數為1.2×10-5，重量密度為7.698×10-5N/mm3。使用Midas Gen軟件所建立的模型如圖3所示。

圖3 結構計算模型

(2)荷載及邊界條件

木結構屋蓋恒載根據建筑屋面常規做法取1.5 kN/m2；活載按不上人屋面荷載取0.7 kN/m2；按《建筑結構荷載規范》(GB50009-2012)[10]基本雪壓取0.40 kN/m2。考慮到木結構建筑對風荷載的敏感性，基本風壓取0.40 kN/m2。

圖2中標注了各種節點的類型，其中主次梁節點S1、S2所用連接多、剛度大，如圖4所示，在模型中按半剛性節點考慮。因此，將節點S1、S2的X、Y、Z向位移和沿X、Z軸的轉動固定，將Y軸的轉動剛度設為6210 kN·m/rad。節點S3、S4和S5按鉸接節點建模。

圖4 S1(左)、S2(右)節點詳圖

3 監測結果分析

本工程中，測點位移數據為測點。相對于零狀態下初始標高的變化值，測點上移為“+”，反之為“-”，單位取mm；應力為應變與TCT21膠合木彈性模量的乘積，單位取MPa；索力單位取kN。

3.1 溫度對監測結果的影響

圖5給出測點YL-1的應力、溫度變化圖，圖6為測點S-2的索力、溫度變化圖。

圖5 測點YL-1應力、室內溫度變化圖

圖6 測點S-2索力、室內溫度變化圖

從圖5可以看出，測點的應力值和溫度的變化趨勢一致，都以一天為周期變化。正午溫度最高，應力值最小；夜間溫度最低，相應的應力值最大。從圖6可以看出，測點的索力值和溫度亦存在相關性，索力隨溫度近似以一天為周期變化，溫度升高，拉索松弛索力減小，溫度降低，拉索收緊索力增加。

環境溫度的變化會影響結構的響應，從而使監測數據發生波動。由圖5和圖6可知，應力和索力都與溫度存在較強的相關性。因此在選取監測值時，以天為單位，取每天監測的應力、索力、溫度平均值作為監測值，同時在計算模型中，也將考慮環境溫度變化帶來的影響。

3.2 計算值與監測值比較

由圖7～圖10可知，屋蓋結構張拉第二階段完成后的測點位移，附屬體系施工完成后測點的位移、索力和應力計算值與實測值均相差較大。理論模型不能對現場實際結構進行很好的模擬，需要對模型進行修改。

圖7 張拉第二階段完成后W-1～8位移

圖8 附屬體系施工完成后W-1～8位移

圖9 附屬體系施工完成后S-1～8索力

圖10 附屬體系施工完成后YL-1～8應力

3.3 模型修正

由3.2節可知，計算模型不能很好地模擬現場實際情況，建立的模型可能和實際結構存在差異。因此，需要對模型的參數進行修改。

結構剛度修正：從圖7中可以看出，在張拉第二階段完成后，測點的反拱位移實測值均大于計算值。由此可看出，實際屋蓋結構沿豎向剛度偏小，結構偏柔。因此，需減小模型沿豎向的轉動剛度，使模型與實際結構相符。由于本模型中半剛性節點S1、S2沿Y軸的轉動剛度(SRy)設置不合理，故在控制恒載下拉索索力值基本不變的情況下，將原計算模型中拼接節點的轉動剛度減小(由6210kN·m/rad減小至500kN·m/rad)。

屋面荷載修正：附屬體系施工階段完成后的計算模型的位移、索力和應力，均和實際結構存在較大差異。經梳理對比，查明造成上述偏差的原因為：計算模型中的屋面恒載是根據屋面建筑常規做法，取值為1.5kN/m2；而本工程在詳圖設計階段對屋面結構進行了設計優化，優化后的屋面恒載約為0.7kN/m2。

3.4 修正后計算值與監測值比較

將計算模型修正后，重新計算結構的位移、拉索索力和梁截面應力，并將計算結果與實測值進行比較。

3.4.1 位移對比

模型修正后的位移實測值與計算值對比如圖11～圖12所示。由圖11可知，張拉第二階段完成后，測點位移計算值對實測值的模擬效果有了明顯改善，計算值與實測值更加接近。但由圖12可知，附屬體系施工階段完成后的位移計算值與實測值依然存在較大誤差，原因可能是第二和第三施工階段的累計誤差和模型與實際存在系統誤差。為此，在圖13中分析了附屬體系施工階段內的位移(“附屬體系施工階段完成的位移”-“張拉第二階段完成的位移”)以驗證模型的有效性。

圖11 (模型修正后)張拉第二階段完成后W1～8位移

圖12 (模型修正后)附屬體系施工完成后W1～8位移

圖13 (模型修正后)附屬體系施工階段內W-1～8位移

由圖13給出的位移結果可以看出，附屬體系施工階段內的位移實測值和計算值兩者吻合很好、誤差很小，說明使用該計算模型進行屋面結構位移分析是可靠的。

3.4.2 索力對比

模型修正后的索力實測值與計算值對比，如圖14所示。

圖14 (模型修正后)附屬體系施工完成后S-1～8索力

對比索力計算值曲線與實測值曲線可知，索力的計算值曲線與實測值曲線近似平行。除了測點S-4外，其余測點的索力計算值與實測值相差都在30 kN～60 kN之間。因此，計算模型和實際測量結果可能存在系統誤差。但是計算模型也可以用來反映實際工程結果。

3.4.3 應力對比

圖15給出了附屬體系施工完成后的應力實測值與計算值對比。由圖15可看出，在模型修正后，各測點的應力計算值對實測值的模擬效果較好，計算模型可以較好地反映現場實際結構。

圖15 (模型修正后)附屬體系施工完成后YB-1～8應力

4 結論

本文對蘇州第二文化宮游泳館施工階段進行了系統的監測。通過對結構施工過程中位移、應力及索力監測，對有限元模型的數值模擬，結合監測數據、計算數據的采集匯總分析，得到以下結論：

(1)基于相關規范與拉索的施工階段劃分的施工監測階段，可以較好反映膠合木張弦梁結構的位移、索力和應力在整個施工過程中動態變化，監測方案合理可行。

(2)膠合木張弦梁結構的監測結果均受環境溫度的影響。其中木梁應變、拉索索力隨環境溫度變化而發生一致的變化，以天為周期，波動范圍較大，受環境溫度影響較明顯。

(3)建立張弦木結構建筑模型時，應合理設置節點剛度(必要時可進行相關節點試驗)，嚴格把控節點的施工質量，以使計算模型與實際工程更加契合，使模擬更真實有效。

(4)張弦梁木屋蓋在施工過程中，采集到的數據與修正后的計算模型的結果基本相符，偏差在較合理的范圍內，驗證了計算模型的合理性和正確性，計算結果可以為結構提供預警、評估。