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阅读 729 次 大跨空间钢结构施工监测监控研究

摘要:依据某钢结构项目的结构特点,利用Midas GEN程序建立了三维空间有限元分析模型,进行了该结构施工过程应力、位移及温度场分析,以静力分析为主并结合结构动力特性,提出基于自动化传感测试在线监测系统的施工监测实施方案,对大跨空间结构在荷载影响下的安全性进行实时评估,对潜在风险做出及时预警。...

 大跨空间钢结构施工监测监控研究

石韵    刘军生   王龙海   张航

(陕西省建筑科学研究院  陕西西安)

    一、概述

    大跨空间结构的施工是一个动态系统,并且由于施工过程复杂,导致实际的施工过程中构件的约束条件及力学模型与计算模型存在差别,为了确保施工的安全性以及外形与受力状态达到预期标准,需要对施工全过程进行监控监测 。

    作为施工控制(被动控制)的一部分,结构施工监控监测越来越受到工程界有关人士的重视。通过对结构在施工及运营过程中静力、动力参数(应力应变、挠度、频率、加速度等)的监控监测,一方面,对结构的受力状态进行控制,保证结构在施工过程中的安全,为施工服务;另一方面,根据所采集的数据进行分析,并对结构服役性能及剩余寿命进行评估。

二、工程概况

    该体育馆平面形状为鹅蛋形状,屋盖外轮廓平面尺寸为149×176m。总建筑面积为29 950m2。体育馆地上二层,局部三层,层高分别为6.0m、6.0m、3.6m。在屋盖一侧有一个上部直径约30m下部直径2m的漏斗状构型“太极心”直达地面,屋盖南高北低,东、西对称,屋顶最高点标高29.284m,屋顶周边柱顶标高20.494~21.348m。

    体育馆钢结构部分主要由劲性柱、北侧太极文化展览、交流区域内部太极筒结构、内部大跨度屋面梁结构、外部外挑梁结构、南侧8000座池看台太极拳比赛、演示区域内部大跨度屋面梁结构、外部外挑梁结构组成。

    三、结构空间有限元模型分析

    根据体育馆结构特点,采用Midas有限元软件建立结构分析模型进行结构静力及动力特性的分析,模型中梁柱均采用三维线性梁单元,屋面系统采用膜单元进行模拟,结构分析模型如图1所示。

    结构的自振频率和振型如表1所示。表1反映出结构振型复杂,侧向刚度较强,而结构屋面外刚度相对较弱。框架柱的合理设置提高了结构整体抗扭刚度。图2给出了结构的应力分布规律,其中屋面梁结构应力相对较大,最大应力处为107MPa,是受力比较集中的部分,相对于主体结构,太极桶部分的应力分布梯度较大。从变形情况来看,钢结构屋盖顶部中心部位竖向变形最大,相对位移约为120mm,竖向位移角为1/1050,太极筒部分竖向变形最大位移约为65mm,竖向位移角为1/1160。对柱底反力分析结果表明,柱底反力较大,甚至部分杆件出现拉力,对结构抗震不利。以上部分为传感器重点布设区域。

图1结构分析模型            图2结构应力分布 

表1结构自振周期

模态

结构自振周期

振型

1

0.607

扭转

2

0.556

主体屋盖振动

3

0.521

X向平动

4

0.521

Y向平动

5

0.521

屋盖振动

6

0.518

太极筒部分振动

四、传感器测点布置

    经结构模型分析,最终确定体育馆屋面钢结构应力应变监测杆件共计38个,每个杆件上布置2个传感器,共计76测点。钢结构施工过程应力应变采用BGK4200振弦式表面应变计进行监测。

    南侧8000座池看台太极拳比赛、演示区域内部大跨度屋面梁结构为监测重点,共计监测18个主受力杆件,每个梁上部布置2个传感器,共计布置36个监测点;北侧太极文化展览、交流区域内部太极筒结构、内部大跨度屋面梁结构监测14个主受力杆件,每个杆件布置两个传感器,共计布置28个监测点;为了掌握结构受力的整体性和规律性,在其余屋面钢结构部分选择了6个关键杆件布置传感器,每个杆件布置2个,共计12个监测点,监测点布置图如图6所示。 

图3 钢结构单元监测点布置图

    五、监测结果分析

    本课题组对体育馆全过程进行了实时监测,对结构的应力、变形及温度场进行了实时数据采集。

    1、应力监测

    图4是整个施工过程中,21个监测点上,三个部位关键杆件在仿真分析和实时监测两种情况下的对比变化曲线。从整体变化趋势来看,Midas分析结果与实时监测得到的结果吻合度较高,在一定程度上能够反映整个施工过程中构件应力变化情况。

    但是二者仍然存在一定差异性,三个部位实测结果均大于有限元分析结果,说明结构在施工全过程受力较为复杂,不确定因素较多,与模型仍存在一定差异,但受力情况分析仍在可控范围内,差值约为10%。随着施工阶段的开展,外荷载的逐级增加,结构应力呈现整体上升趋势,实际监测结果较大,但未超过钢结构的弹性范围,不会造成事故。

    通过图4(a)(b)(c)对比可以看出,与分析结果一致,该结构受力并不均匀,结构南部内测大跨度屋面梁的应力最大,这是因为此处结构跨度较大,结构受力较大的原因。

图4 钢结构单元监测应力对比

    2、温度及变形监测

    温度监测的主要内容包括三部分:

    钢结构拼装及合拢过程(设计合拢温度在10~15℃)的温度;钢结构安装于塔架上卸载前的温度;钢结构卸载后成型的温度。

表2结构温度及挠度实测值

时间

温度

测试截面挠度

1号截面(mm)

2号截面(mm)

8:00

14.3

7.5

6.4

10:00

16.4

8.6

6.7

12:00

18.0

8.9

7.1

14:00

22.3

9.1

7.9

16:00

21.7

8.8

6.5

18:00

18.0

8.7

6.3

    对结构每日进行6次监测,每隔两小时一次,并记录测量温度和结构构件挠度,选择两个典型截面进行分析,见表2。

    从实测结果可以看出:

   (1)结构的整体变形分析值与实测值基本吻合。有限元模型能够反映结构变形真实情况。

   (2)上午由于环境温度的提高,钢结构屋面温度迅速升高, 14:00时屋面上表面平均温度达到22.3℃, 16:00后温度明显下降,18:00后温度下降变缓,钢结构各部分的平均温度趋向一致。

   (3)温度升高,结构梁产生了下挠,相比气温变化存在滞后性,结构施工监测应在气温基本一致的原则上进行,考虑以上原因,结构的施工监控选择在每天早晨8:00进行监测,消除气温影响。

    六、结论

    通过对焦作国际太极拳文化交流中心体育馆钢结构项目的Midas施工模拟及监控分析,得到以下结论:

    1、有限元计算结果与施工监测结果吻合较好,但与模型仍存在一定差异,受力情况分析仍在可控范围内,差值约为10%。实际监测结果较大,但未超过钢结构的弹性范围,不会造成事故。

    2、温度升高,结构梁产生了下挠,相比气温变化存在滞后性,结构施工监测应在气温基本一致的原则上进行,考虑以上原因,结构的施工监控选择在每天早晨8:00进行监测,消除气温影响。

(本文来源:陕西省土木建筑学会    文径网络工程项目投资中心:刘红娟 尹维维 编辑   刘真 文径 审核)