钢屋盖卸载施工模拟与监测范文

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《空间结构杂志》2014年第二期

1施工数值模拟

天津大剧院屋盖钢桁架临时支撑数量多，拆除难度较大．屋盖钢桁架施工共设200个临时支撑，临时支撑高度大，如图3所示．当钢结构全部安装完成后，需要拆除临时支撑，使结构自身承受全部荷载．因此，需要确定合理的卸载顺序，包括卸载方式、卸载顺序和各临时支撑点下降的位移步长，对施工过程中可能出现的问题进行研究．国内既有大型钢结构施工过程的分析表明，施工模拟能够较好地模拟、预测建造过程中结构的变形和内力，与施工监测结合，能够为合理施工提供参考。

1．1施工卸载方案天津大剧院钢屋盖是双向正交桁架，其四周都有大悬挑桁架．整个钢屋盖桁架重达5600t，通过109只抗震球型滑动支座传力给20个核心筒，传力途径为双向传力，类似于井字梁结构．根据天津大剧院钢屋盖的结构特点以及现场施工条件，将钢屋盖划分为6个大区域，若干个小分区．按照分区先后顺序逐级进行卸载，总体卸载顺序为：（1）A、B区，（2）C区，（3）D区，（4）E区，（5）F区（屋盖前端大悬挑大跨度区域），如图4所示．屋盖卸载难度较大部分集中于前端大悬挑大跨度区域，因此本次施工模拟与监测工作是在A区～E区卸载完成的前提下，针对最后卸载的F区（屋盖前端大悬挑大跨度桁架区域）进行，如图3～图5所示．

1．2卸载数值模拟施工卸载过程采用有限元软件MIDAS进行模拟分析．桁架上下弦采用梁单元模拟，腹杆采用桁架单元模拟，临时支撑处设置竖向约束，模拟屋盖前端大悬挑和大跨度桁架部分的拆承卸载，如图6、图7所示．本部分着重分析关键受力部位关键点（位置见图18、图19）的应力状态．根据施工分区卸载方案，先对大跨度桁架进行拆承卸载，最后对大悬挑桁架进行卸载，共分12个卸载步．图图8、图9给出了10轴、11轴大跨度桁架应力监测点在卸载过程中的理论应力值．可以看到，在初始阶段部分杆件中已产生较小的应力，这是由A区～E区的屋盖卸载所引起的；第7步卸载拆除了大跨度桁架下方的临时支承，所以杆件应力突然增大；第12步卸载拆除了N～X轴与大跨度桁架连接的悬挑桁架下方的临时支承，杆件应力增大，增幅不太明显，说明波纹蒙皮钢板的设置对大跨度桁架抗扭起到了一定的效果；大跨度桁架支座处杆件应力大于跨中杆件应力，最大应力值均小于60MPa，卸载阶段结构有较高的安全储备．图10～图13给出了T轴、X轴、B1轴、F1轴大悬挑桁架端部应力监测点在卸载过程中的理论应力值．可以看到，在初始阶段杆件中已产生应力，并且初始应力值大于大跨度桁架杆件，说明悬挑桁架A区～E区卸载影响较大，这是由于大跨度桁架处于大开洞口处，未与其他分区桁架直接连接，且两端部有下部混凝土核心筒的支撑；T轴、X轴悬挑桁架端部监测点处杆件应力在第7步卸载后发生较明显变化，说明大跨度桁架的卸载对与其连接的悬挑桁架产生了一定影响；此外，T轴、X轴桁架只在第12步卸载过程中应力变化非常显著，B1轴、F1轴桁架只在第9步卸载过程中应力变化较大，这是由于第9步卸载拆除B1轴、F1轴下方的临时支撑，第12步卸载拆除T轴、X轴下方的临时支撑，由此可知悬挑桁架卸载过程中临时支撑的拆除对相邻桁架的影响不大。

2现场监测

天津大剧院工程钢屋盖为大跨度、四周悬挑结构，且屋盖的跨度最大达66．7m，最大悬挑长度33．6m，对施工技术提出了很高的要求，而施工阶段的风险率很高，施工阶段的受力状态与结构最终受力状态完全不一致，因此施工阶段成为结构安全的关键阶段．对施工过程进行实时监测，特别是重要部位和关键工序，可以及时了解施工过程中结构重要构件受力状态，给施工过程提供决策性技术依据，从而正确辅助施工，采取有效措施排除安全隐患，是保障施工安全的有效手段，施工监测现场工作照片见图3、图14．

2．1监测设备测试设备：振弦式表面应变计、便携式振弦采集仪、计算机系统［9，10］，如图15、图16所示．根据施工特点以及现场情况确定相关测点的位置，在施工卸载前将杆件表面灰尘及油漆处理干净后，将振弦式表面应变计通过粘接或者焊接固定在杆件表面，并对仪器采取保护措施．监测工作开始之前，对监测中应用的量测仪器进行检查、调整和率定，以保证达到监测使用要求．

2．2测点布置本次施工监测主要监测屋盖前端大悬挑和大跨度桁架的杆件应力，根据受力特点及对称性，取T轴、X轴、B1、F1轴上的四榀大悬挑桁架以及10轴、11轴上N～X轴间共计两榀大跨度桁架进行应力监测，如图17所示．大悬挑桁架测点布置于悬挑端部，在桁架上下弦各布设一个测点．大跨度桁架测点布置于跨中及支座处位置，在跨中处上下弦各布设一个测点，在支座处上弦布设一个测点，测点布置如图18、图19所示．

2．3监测结果及对比分析表1为10轴、11轴大跨度桁架在特定卸载工况下的应力实测值．可以看到，在临时支撑逐渐拆除的过程中，随着荷载的转移，桁架应力呈增大趋势；在大跨度桁架卸载完毕后，杆件最大应力为43．2MPa，出现在10轴支座处上弦杆；最终卸载完成后，杆件最大应力为72．2MPa，出现在11轴桁架跨中位置，这是由于11轴桁架缺少向内延伸的桁架连接，桁架受扭作用明显而引起的．如表2所示，在大悬挑部分卸载完成后，悬挑端部的杆件最大应力为31．3MPa，出现在F1轴上弦杆，各榀大悬挑桁架端部杆件应力变化趋势比较一致．图20给出了大悬挑桁架的卸载完成引起大跨度桁架杆件应力变化，最大应力增量38．3MPa，出现在11轴桁架跨中位置，应力增量整体上比较均匀，说明波纹蒙皮钢板的设置对大跨度桁架抗扭起到了较为理想的效果．图21给出了卸载完成后各监测点杆件应力理论值与实测值的对比图，可以看出现场监测值与理论计算值在总体上还是较一致的，部分测点的实测值与理论值差别较大，一方面可能是受到监测仪器本身的精度及可靠性等因素的影响，导致实测值偏差较大，在以后的工程实践中可以通过采用可靠性及测试精度更高的采集传感器加以完善；另一方面，由于受到现场施工条件的限制，结构的实际卸载过程无法准确按照设计卸载方案进行，也会引起杆件应力的偏差．总体来说，大跨度桁架和大悬挑部分的杆件应力变化均在允许范围内，实测结果与计算分析基本一致．卸载完成后的桁架能满足设计要求．

3结论

对天津大剧院屋盖钢桁架进行了施工过程的有限元模拟分析与施工监测，得到以下主要结论．（1）理论计算表明，天津大剧院屋盖钢结构前期各分区卸载过程对屋盖前端未卸载区大跨度及大悬挑桁架部分影响不大，引起的杆件应力较小；屋盖前端大跨度及大悬挑部分卸载完成后最大杆件应力基本保持在60MPa以下，杆件处于弹性状态，施工过程中结构是安全的；卸载完成后大跨度桁架中杆件应力没有剧烈变化，说明波纹蒙皮钢板的设置对大跨度桁架抗扭起到了较为理想的作用．（2）实测数据表明，卸载完成后，悬挑端部的杆件最大应力为31．3MPa，各榀大悬挑桁架端部杆件应力变化趋势比较一致．大跨度桁架部分的杆件大应力为72．2MPa，大悬挑部分的支承卸载对大跨度桁架产生了一定的影响，应力增幅比较均匀，在设计允许范围内，验证了波纹蒙皮桁架的抗扭性能，同时，有必要对波纹钢板蒙皮桁架抗扭性能的数值模拟方法做进一步研究．（3）模拟分析与实测数据基本吻合，验证了屋盖结构施工过程有限元分析采用的计算模型和方法的可行性．

作者：牛犇陈志华孔翠妍单位：天津大学建筑工程学院