深坑大跨屋盖重型钢桁架结构吊装施工过程监测研究.pdf
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1、第 卷第期 年月建筑科学与工程学报J o u r n a l o fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n gV o l N o J u l y 引用本文:周云,胡锦楠,朱正荣,等深坑大跨屋盖重型钢桁架结构吊装施工过程监测研究J建筑科学与工程学报,():Z HOUY u n,HUJ i n n a n,Z HUZ h e n g r o n g,e t a l R e s e a r c ho nc o n s t r u c t i o np r o c e s sm o n i t o r i n go nh e a
2、 v ys t e e l t r u s s l i f t i n gp r o c e s so fd e e pp i tl a r g e s p a nr o o fJ J o u r n a l o fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g,():D O I:/j j a c e 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();湖南省重点研发计划项目(S K );河南省交通科技项目(G );湖南省交通厅科技进步与创新项目()作者简介:周云(),男,工学博士,教授,博士生导师,E m a i l:z h o
3、 u y u n c o m.通信作者:胡锦楠(),男,工学硕士研究生,E m a i l:h u h n u e d u c n.深坑大跨屋盖重型钢桁架结构吊装施工过程监测研究周云,胡锦楠,朱正荣,罗先明(湖南大学 土木工程学院,湖南 长沙 ;湖南大学 工程结构损伤诊断湖南省重点实验室,湖南 长沙 ;长沙市建设工程质量安全监督站,湖南 长沙 )摘要:为探究大跨度钢结构屋盖在施工过程中的荷载转换机理并保证大跨桁架结构吊装过程安全,针对某深坑大跨屋盖结构中单榀重型主桁架的吊装及安装全过程进行了结构应变监测.通过在结构关键截面位置处布设应变传感器,对施工过程中结构关键位置的真实应变分布情况进行分析
4、,从而评估施工过程中结构的安全性.基于大型有限元软件A B AQU S建立精细化有限元模型,将吊装完成后结构测点处的应变响应与有限元计算得到的应变进行了对比.结果表明:结构在吊装过程中的整体应变响应水平较低,该桁架结构被吊装到位后,受焊接固定工作的影响,结构的应变发展情况较为复杂,但总体仍处于安全范围之内;安装完成后,整体结构的应变水平随外部环境气温升降呈现周期性变化规律;环状加劲板与底部混凝土间钢板受力最大,格构柱内侧中部受力偏大,格构柱外侧两端受力偏大,桁架部位受力集中在跨中范围内,两侧受力偏小,且结构内部加劲板和格构柱间底部混凝土明显降低了结构关键节点的受力.关键词:大跨度钢结构屋盖;重
5、型桁架;吊装提升;施工安全;施工过程监测中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()R e s e a r c ho nc o n s t r u c t i o np r o c e s sm o n i t o r i n go nh e a v ys t e e l t r u s s l i f t i n gp r o c e s so fd e e pp i t l a r g e s p a nr o o fZ HOU Y u n,HUJ i n n a n,Z HUZ h e n g r o n g,L UOX i a n m i n g(C o l l e g eo fC
6、i v i lE n g i n e e r i n g,H u n a nU n i v e r s i t y,C h a n g s h a ,H u n a n,C h i n a;H u n a nP r o v i n c i a lK e yL a b o r a t o r yo fD a m a g eD i a g n o s i s f o rE n g i n e e r i n gS t r u c t u r e s,H u n a nU n i v e r s i t y,C h a n g s h a ,H u n a n,C h i n a;C h a n g
7、 s h aC o n s t r u c t i o nP r o j e c tQ u a l i t ya n dS a f e t yS u p e r v i s i o nS t a t i o n,C h a n g s h a ,H u n a n,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt oe x p l o r et h el o a dc o n v e r s i o n m e c h a n i s mo fl a r g e s p a ns t e e ls t r u c t u r er o o fd u r i n g
8、c o n s t r u c t i o na n de n s u r et h es a f e t yo fl a r g e s p a nt r u s ss t r u c t u r el i f t i n gp r o c e s s,t h es t r u c t u r a l s t r a i nm o n i t o r i n gw a sc a r r i e do u tf o rt h ew h o l ep r o c e s so fl i f t i n ga n di n s t a l l a t i o no fs i n g l eh e
9、a v ym a i nt r u s s i nad e e pp i t l a r g e s p a nr o o f s t r u c t u r e B ya r r a n g i n gs t r a i ns e n s o r s a t t h ek e ys e c t i o n so ft h es t r u c t u r e,t h er e a ls t r a i nd i s t r i b u t i o na tt h ek e yp o s i t i o n so ft h es t r u c t u r ed u r i n gt h ec
10、 o n s t r u c t i o np r o c e s sw a sa n a l y z e dt oe v a l u a t et h es a f e t yo ft h es t r u c t u r ed u r i n gt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s B a s e do nt h e l a r g e s c a l e f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eA B AQU S,ar e f i n e df i n i t ee l e m e n tm o d e
11、lw a se s t a b l i s h e d,a n dt h es t r a i nr e s p o n s ea tt h es t r u c t u r a lm e a s u r i n gp o i n ta f t e rl i f t i n gw a sc o m p a r e dw i t ht h es t r a i nc a l c u l a t e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d T h er e s u l t ss h o wt h a t t h eo v e r a l l s t
12、 r a i nr e s p o n s e l e v e l o f t h es t r u c t u r ed u r i n gt h e l i f t i n gp r o c e s s i s l o wA f t e r t h et r u s ss t r u c t u r e i sh o i s t e d i np l a c e,t h es t r a i nd e v e l o p m e n to f t h es t r u c t u r e i sc o m p l i c a t e dd u et ot h ei n f l u e n
13、c eo f w e l d i n ga n df i x i n g w o r k,b u ti ti ss t i l l w i t h i nt h es a f er a n g e A f t e rt h ei n s t a l l a t i o n i sc o m p l e t e d,t h es t r a i nl e v e lo ft h ew h o l es t r u c t u r ec h a n g e sp e r i o d i c a l l yw i t ht h et e m p e r a t u r er i s ea n df
14、a l lo f t h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t T h es t r e s so f t h es t e e lp l a t eb e t w e e nt h ea n n u l a rs t i f f e n i n gp l a t e a n d t h eb o t t o mc o n c r e t e i s t h e l a r g e s t,t h e s t r e s so f t h em i d d l ep a r t o f t h ei n n e rs i d eo f t h e l a
15、t t i c ec o l u m ni st o ol a r g e,t h es t r e s so ft h et w oe n d so ft h eo u t e rs i d eo ft h el a t t i c ec o l u m n i s t o o l a r g e,t h e s t r e s so f t h e t r u s sp a r t i s c o n c e n t r a t e d i n t h em i d d l e s p a n,a n d t h es t r e s so ft h et w os i d e si st
16、 o os m a l l,a n dt h ei n t e r n a ls t i f f e n i n gp l a t ea n dt h eb o t t o mc o n c r e t eb e t w e e nt h e l a t t i c ec o l u m ns i g n i f i c a n t l yr e d u c e t h es t r e s so f t h ek e yn o d e so f t h es t r u c t u r e K e yw o r d s:l a r g e s p a ns t e e l r o o f;h
17、 e a v yt r u s s;l i f t i n gp r o c e s s;c o n s t r u c t i o ns a f e t y;c o n s t r u c t i o np r o c e s sm o n i t o r i n g引言随着社会经济及生产力水平的提高,大型空间结构体系得到广泛应用,并逐渐成为衡量一个国家建筑科技水平发展的重要标志之一.由于相应结构体系及形式复杂多样化,结构性能评估及安全监测存在不确定性,且传统的施工方案和计算方法无法对施工全过程建筑结构的应力状态进行准确预测.若未对建筑施工过程进行准确地跟踪评估并未能对可能发生的破坏现象及时
18、做出预警,则容易造成严重的工程事故.利用实时监测数据可以揭示施工过程中多种荷载作用下结构的力学行为和响应等,并对结构安全性进行评判.因此,为保证建筑结构施工过程的安全性,建立施工全过程的结构性能监测具有重要意义.结构健康监测技术(S t r u c t u r a lH e a l t hM o n i t o r i n g,S HM)最早兴起于 世纪末,是指利用现场的无损传感技术对结构整体行为进行实时监测,通过分析特征响应等方式实现对结构损伤程度及定位的判断识别,从而有效反演结构实际承载力及可靠性,并最终为建筑结构的养护维修、损伤预警提供依据和指导.目前,结构健康监测技术已被国内外众多学者
19、应用于大跨房屋的性能评估当中.李惠等通过在国家游泳中心“水立方”上建立应变监测系统,实现了对结构施工卸载阶段关键杆件应变波动规律的研究分析.罗尧治等通过对国家体育场“鸟巢”各部位钢结构的温度与应力情况进行长期监测,研究了均匀与非均匀温度场作用下的结构应力.罗永峰等提出了适用于大型钢结构建筑施工过程中关键性能监测参数的选取方法及相应测点布置原则,并以抚顺市地标性建筑“生命之环”项目为例进行了验证分析.X i a等提出一种利用实时应变监测结果反演高层结构变形情况的计算方法,并以 m高的广州电视塔为例进行了现场实测验证.宋彪等利用光纤光栅传感器对某钢梁在高温下的切割全过程进行了应变监测与分析.孙若含
20、等基于儒乐湖大桥的长期温度监测结果,对多室混凝土箱梁的实测温差分布情况进行了统计分析.C a t b a s等对国家体育场“鸟巢”结构中所建立的应力、风速、变形及振动等实时监测体系进行了系统描述.L i等 基于某大型斜拉桥加速度响应监测结果计算了时变模态参数,提出了一种适用于外部环境作用下 桥 墩 冲 刷 侵 蚀 量 的 确 定 方 法.S h a h s a v a r i等 以在三跨垂直升降桁架桥上进行的受控货车荷载试验所收集的S HM数据校准的有限元模型为基准,利用加速度信号的能量速率指数来评估桥梁的整体响应与损伤程度的关系,评估受损桥梁的承载能力,确定受损构件是否符合桥梁分析和设计规范
21、关于轴向和弯曲组合效应的规定.常乐等 结合大同美术馆钢结构项目施工滑移阶段监测,提出了一种适用于大跨复杂钢结构轨道滑移施工的监测方法,并采用有限元模型对滑移过程进行了数值分析.在工程建造方面,随着项目施工水平的迅速发展,液压提升技术被逐渐应用到大跨空间结构的施工建造及既有老化结构的改造整修过程当中.通过对大型结构吊装及安装等过程开展必要的施工阶段监测,可实时掌握并评估结构的真实受力状态及性能水平,对 于保障现场 施工安全具 有重要意义.建筑科学与工程学报 年Z h a o等 对某大型混凝土拱桥的桥面抬升改造过程进行了应变响应监测,建立了主跨承台梁和支撑梁的三维有限元模型,分析了主梁和支撑梁之间
22、的接触行为和应力分布特征,并对上部结构和支撑结构的诱导应力进行了监测和分析.S t i t h等 对某工字型钢梁吊装过程中的应变响应及位移转动情况进行了监测,并建立了三维非线性有限元模型,该模型能够准确地捕捉曲线钢工字梁在吊装过程中的应力和转动行为,并将模型外推到包括台起重机和个升降点的系统中.Y i n等 通过应变响应监测方式,对某大跨度V形结构体系拱桥在施工过程中的线性行为进行了评估.H o l d e n等 对长度为 m、宽度为 m的G F R P混凝土板的吊装过程进行了监测,测试所得结构的应变响应均小于其极限开裂荷载,并对不同吊装布置方式下的板应变进行了研究.D e n g等 基于有限
23、元数值模拟结果,对某大型轮辐式预应力索桁空间结构在施工过程中关键杆件的位移情况进行了现场监测,通过实测值与计算值的对比分析,指导张拉施工.年,M u r p h y等 通过安装无线应变传感器,对某大跨桁架桥施工吊装过程进行监测,通过与有限元模型的对比研究,定量地说明在役钢桁梁桥恒载分布的不确定性.大型结构构件在施工吊装过程中由于受各种不确定因素的影响,容易对构件产生损伤并引发工程安全事故.因此,本文将结构健康监测技术应用到长沙市某深坑世界级大跨钢结构项目,针对其上部大跨度钢屋盖施工过程中单榀重型桁架的吊装安装环节进行了实时监测.通过在结构关键截面位置处布设应变传感器,对施工过程中结构关键位置的
24、真实应变分布情况进行分析,从而评估施工过程中结构的安全性.基于大型有限元软件A B AQU S建立精细化有限元模型,将吊装完成后结构测点处的应变响应与有限元计算得到的应变进行了对比,有限元模拟结果与监测结果基本吻合,进而对吊装完成后结构的各关键受力部位进行了应力分析,由此揭示大跨度钢屋盖施工过程中单榀重型桁架吊装完成后的受力特点和结构的整体安全状态.项目背景 工程概况长沙市某深坑项目占地面积约 m,总投资约 亿元,是世界上惟一悬浮于深坑之上的冰雪游乐项目.该项目以废弃采石矿坑为地基进行建造,其主体建筑为大跨度重型钢混组合结构体系,主要由下部竖向支撑、中部混凝土平台和上部钢结构屋盖三部分组成(图
25、),其中下部竖向支撑为混凝土结构体系,由 根高度为 m的大体积钢筋混凝土柱(最大直径约m)和 道混凝土剪力墙(最大跨度约 m)组成,共同支撑起中部长度约 m、宽度约 m、面积约 m的巨型混凝土平台;上部钢结构屋盖建于该平台之上,其长度约 m,宽度约 m,面积约 m,总用钢量约 t.图某深坑工程主体结构F i g M a i ns t r u c t u r eo fd e e pp i tp r o j e c t 屋盖结构体系该项目工程中上部重型钢结构屋盖整体结构主要由主桁架、次桁架和环桁架三部分组成,如图所示,其中主桁架为箱型截面组合桁架体系,次桁架为箱型截面单面桁架体系,环桁架为由圆管及
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