大跨空間鋼結構施工監測監控研究

石韻    劉軍生   王龍海   張航

(陜西省建筑科學研究院  陜西西安)

    一、概述

    大跨空間結構的施工是一個動態系統，并且由于施工過程復雜，導致實際的施工過程中構件的約束條件及力學模型與計算模型存在差別，為了確保施工的安全性以及外形與受力狀態達到預期標準，需要對施工全過程進行監控監測 。

    作為施工控制（被動控制）的一部分，結構施工監控監測越來越受到工程界有關人士的重視。通過對結構在施工及運營過程中靜力、動力參數（應力應變、撓度、頻率、加速度等）的監控監測，一方面，對結構的受力狀態進行控制，保證結構在施工過程中的安全，為施工服務；另一方面，根據所采集的數據進行分析，并對結構服役性能及剩余壽命進行評估。

二、工程概況

    該體育館平面形狀為鵝蛋形狀，屋蓋外輪廓平面尺寸為149×176m。總建筑面積為29 950m2。體育館地上二層，局部三層，層高分別為6.0m、6.0m、3.6m。在屋蓋一側有一個上部直徑約30m下部直徑2m的漏斗狀構型“太極心”直達地面，屋蓋南高北低，東、西對稱，屋頂最高點標高29.284m，屋頂周邊柱頂標高20.494～21.348m。

    體育館鋼結構部分主要由勁性柱、北側太極文化展覽、交流區域內部太極筒結構、內部大跨度屋面梁結構、外部外挑梁結構、南側8000座池看臺太極拳比賽、演示區域內部大跨度屋面梁結構、外部外挑梁結構組成。

    三、結構空間有限元模型分析

    根據體育館結構特點，采用Midas有限元軟件建立結構分析模型進行結構靜力及動力特性的分析，模型中梁柱均采用三維線性梁單元，屋面系統采用膜單元進行模擬，結構分析模型如圖1所示。

    結構的自振頻率和振型如表1所示。表1反映出結構振型復雜，側向剛度較強，而結構屋面外剛度相對較弱。框架柱的合理設置提高了結構整體抗扭剛度。圖2給出了結構的應力分布規律，其中屋面梁結構應力相對較大，最大應力處為107MPa，是受力比較集中的部分，相對于主體結構，太極桶部分的應力分布梯度較大。從變形情況來看，鋼結構屋蓋頂部中心部位豎向變形最大，相對位移約為120mm，豎向位移角為1/1050，太極筒部分豎向變形最大位移約為65mm，豎向位移角為1/1160。對柱底反力分析結果表明，柱底反力較大，甚至部分桿件出現拉力，對結構抗震不利。以上部分為傳感器重點布設區域。

圖1結構分析模型            圖2結構應力分布 

表1結構自振周期

四、傳感器測點布置

    經結構模型分析，最終確定體育館屋面鋼結構應力應變監測桿件共計38個，每個桿件上布置2個傳感器，共計76測點。鋼結構施工過程應力應變采用BGK4200振弦式表面應變計進行監測。

    南側8000座池看臺太極拳比賽、演示區域內部大跨度屋面梁結構為監測重點，共計監測18個主受力桿件，每個梁上部布置2個傳感器，共計布置36個監測點；北側太極文化展覽、交流區域內部太極筒結構、內部大跨度屋面梁結構監測14個主受力桿件，每個桿件布置兩個傳感器，共計布置28個監測點；為了掌握結構受力的整體性和規律性，在其余屋面鋼結構部分選擇了6個關鍵桿件布置傳感器，每個桿件布置2個，共計12個監測點，監測點布置圖如圖6所示。 

圖3 鋼結構單元監測點布置圖

    五、監測結果分析

    本課題組對體育館全過程進行了實時監測，對結構的應力、變形及溫度場進行了實時數據采集。

    1、應力監測

    圖4是整個施工過程中，21個監測點上，三個部位關鍵桿件在仿真分析和實時監測兩種情況下的對比變化曲線。從整體變化趨勢來看，Midas分析結果與實時監測得到的結果吻合度較高，在一定程度上能夠反映整個施工過程中構件應力變化情況。

    但是二者仍然存在一定差異性，三個部位實測結果均大于有限元分析結果，說明結構在施工全過程受力較為復雜，不確定因素較多，與模型仍存在一定差異，但受力情況分析仍在可控范圍內，差值約為10%。隨著施工階段的開展，外荷載的逐級增加，結構應力呈現整體上升趨勢，實際監測結果較大，但未超過鋼結構的彈性范圍，不會造成事故。

    通過圖4（a）（b）（c）對比可以看出，與分析結果一致，該結構受力并不均勻，結構南部內測大跨度屋面梁的應力最大，這是因為此處結構跨度較大，結構受力較大的原因。

圖4 鋼結構單元監測應力對比

    2、溫度及變形監測

    溫度監測的主要內容包括三部分：

    鋼結構拼裝及合攏過程（設計合攏溫度在10～15℃）的溫度；鋼結構安裝于塔架上卸載前的溫度；鋼結構卸載后成型的溫度。

表2結構溫度及撓度實測值

    對結構每日進行6次監測，每隔兩小時一次，并記錄測量溫度和結構構件撓度，選擇兩個典型截面進行分析，見表2。

    從實測結果可以看出：

   （1）結構的整體變形分析值與實測值基本吻合。有限元模型能夠反映結構變形真實情況。

   （2）上午由于環境溫度的提高，鋼結構屋面溫度迅速升高， 14：00時屋面上表面平均溫度達到22.3℃， 16：00后溫度明顯下降，18：00后溫度下降變緩，鋼結構各部分的平均溫度趨向一致。

   （3）溫度升高，結構梁產生了下撓，相比氣溫變化存在滯后性，結構施工監測應在氣溫基本一致的原則上進行，考慮以上原因，結構的施工監控選擇在每天早晨8：00進行監測，消除氣溫影響。

    六、結論

    通過對焦作國際太極拳文化交流中心體育館鋼結構項目的Midas施工模擬及監控分析，得到以下結論：

    1、有限元計算結果與施工監測結果吻合較好，但與模型仍存在一定差異，受力情況分析仍在可控范圍內，差值約為10%。實際監測結果較大，但未超過鋼結構的彈性范圍，不會造成事故。

    2、溫度升高，結構梁產生了下撓，相比氣溫變化存在滯后性，結構施工監測應在氣溫基本一致的原則上進行，考慮以上原因，結構的施工監控選擇在每天早晨8：00進行監測，消除氣溫影響。

(本文來源：陜西省土木建筑學會    文徑網絡工程項目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯   劉真 文徑 審核)