大跨度空间钢结构施工卸载过程模拟分析与监测.pdf
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1、大跨度空间钢结构施工卸载过程模拟分析与监测刘戈,杨凯丞(天津城建大学 土木工程学院,天津 300384)摘要:以国航股份飞行模拟训练基地二期建设项目中的单体建筑星空大讲堂为例,提出了一种根据结构的受力特点依次拆除临时支撑的施工卸载方案.通过采用有限元软件对施工卸载过程进行数值模拟分析,并对其在施工卸载过程中关键杆件的内力及变形进行实时监测,将获得的实时监测数据与有限元数值模拟结果进行对比分析.结果显示,实时监测数据与有限元数值模拟结果吻合度较好,表明该结构施工卸载过程使用有限元法模拟和监控实施的正确性与合理性.关键词:大跨度空间钢结构;支撑卸载;施工监测;施工模拟中图分类号:TU393.3文献
2、标志码:A文章编号:2095-719X(2023)04-0241-07Simulation Analysis and Monitoring Of Unloading Process in ConstructionOf Large Span Space Steel StructureLIU Ge,YANG Kaicheng(School of Civil Engineering,TCU,Tianjin 300384,China)Abstract:Based on the example of the monomer building院the star lecture hall of Air Ch
3、ina Stock Flight simulation trainingbase phase II construction project,this paper proposes an unloading plan of the temporary support construction according tothe loading features of the structure.Through numerical simulation analysis of the unloading process by adopting finiteelement software,and t
4、he real-time monitoring of the internal force and deformation of the key links in the unloading processof the construction,the real-time monitoring data were compared with the finite element numerical simulation results.Theresults show that the real-time monitoring data is in good agreement with the
5、 finite element numerical simulation results,which indicates that the finite element method is correct and reasonable to simulate and monitor the unloading process of thestructure.Key words:large-span spatial steel structure;support unloading;construction monitoring;construction simulation收稿日期:2021-
6、11-25;修订日期:2021-12-14作者简介:刘戈(1977),男,天津人,天津城建大学教授,博士.DOI:10.19479/j.2095-719x.2304241天津城建大学学报允燥怎则灶葬造 o枣 栽蚤葬灶躁蚤灶 Chengjian 哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠第 29 卷第 4 期圆园23 年 8 月Vol.29No.4Aug.2023近年来,大跨度空间钢结构在我国的建筑领域得到了长远的发展,全国各地陆陆续续涌现了诸如国家体育场、国家大剧院和天津大剧院等大型公共建筑.这些大跨度空间钢结构造型新颖、富有艺术美感、科技含量高,因而深受人们的欢迎和关注;同时大跨度空间钢结构的建造技术及在施工过程
7、中的安全性和可靠性也成为了重要的研究方向1.本文以国航股份飞行模拟训练基地二期建设项目中的单体建筑星空大讲堂为例,对其钢结构屋盖进行研究.星空大讲堂钢结构屋盖施工采用搭设临时支撑结构,通过地面拼装成分块网架后,利用吊车进行高空分块吊装.当网架整体吊装焊接完成后,对临时支撑结构进行依次拆除,此过程又称为卸载过程2.卸载过程是指结构受力逐渐由临时支撑柱转移到主体结构,并且结构体系会随着临时支撑的拆除发生一定的变化,是主体结构和临时支撑相互作用的一个复杂过程3.本文通过利用有限元软件MIDAS GEN 对星空大讲堂钢结构屋盖进行施工卸载过程的数值模拟分析,为其施工卸载的顺利进行提供了重要的理论依据;
8、并对施工卸载过程中结构关键构件的内力及变形进行实时监测,监测构件在施工卸载过程中的实际受力及变形情况与有限元数值模拟结果是否相符,这也对保证大跨度空间钢结构的安全性及稳定性具有重要的参考意义4.天津城建大学学报第 29 卷第 4 期1工程概况国航股份飞行模拟训练基地二期建设项目包含星空大讲堂等建筑与结构风格各异的四个单体建筑.其中星空大讲堂屋面呈贝雷帽形,长度为 65.84 m,宽度为 41.80 m,地上 2 层,建筑高度 18.92 m;下部为圆柱与弧形梁钢筋混凝土框架结构支撑,上部屋盖为焊接空心球节点正交正放四角椎体钢网架;屋面采用直立锁边金属铝板幕墙系统,部分外墙采用网架挂装饰铝板幕墙
9、,如图 1 所示.星空大讲堂屋盖钢网架结构呈多曲面布置,造型独特.底部通过钢筋混凝土圆柱与弧形梁支承,周边下弦通过不同标高柱顶(柱侧)支承,平面投影最大尺寸约 63.7 m伊39.8 m,共设网架焊接球 1 360 个,安装杆件 5 373 根,整个网架重约 100 t.其钢结构屋盖为双曲异形复杂网架,屋面跨度 40 m,长度 63.7 m,最大高度 17 m,形式为正交正放四角锥焊接空心球网架.网架杆件采用焊接或无缝钢管,材质为 Q345B,钢管截面规格主要有 准60 伊 5、准75.5 伊 3.75、准89 伊 4、准108 伊4、准114 伊 4、准140 伊 5、准168 伊 6、准1
10、80 伊 8、准180 伊 10、准219 伊 12,共十种.焊接球材质为 Q345B,规格有WS2006、WS2808、WSR3010、WSR4012、WSR5016 五种.屋盖网架通过支座安装于周边混凝土柱上,如图 2所示.图 1星空大讲堂效果(a)星空大讲堂结构三维模型中部大厅屋面网架周边支撑柱(b)星空大讲堂结构平面示意73 m图 2星空大讲堂结构三维模型与平面示意2施工卸载方案拆除临时支撑的过程对于主体结构而言是一个复杂的力学过程,也是大跨度空间钢结构施工过程中非常关键的环节5.本工程的施工卸载主要是指网架整体吊装焊接完成,并且与柱顶和柱侧连接支座全部完成后,随着对单元临时支撑进行逐
11、一拆除,钢结构屋盖会将内力传递给主体结构.首先,当所有构件合拢焊接完毕,并且经过质量检验验收合格,随着钢结构屋盖网架的整体稳定,开始逐一对临时支撑柱进行拆除6.卸载方法采用火焰热变形法,对临时支撑柱顶下方 100 mm 位置烘烤至700800 益,临时支撑杆件受热后逐渐失去强度,对屋面荷载缓慢卸载.本工程共设有 14 根临时支撑.对大跨度空间钢网架结构进行施工卸载过程的整体计算,得出自重情况下网架中部最大挠度为 8.9 mm,如图 3 所示.当拆除中部两根临时支撑杆件后,网架整体的挠度最大,而当拆除网架靠近外部四周的临时支撑杆件后,网架图 3网架整体挠度计算结果最大:-8.92422023 年
12、 8 月整体的挠度相对较小.因此,本次施工卸载方案按照由中间向周边,即由数值模拟变形最大位置向变形最小位置的顺序卸载.根据临时支撑拆除的顺序依次对其进行标号,如图 4 所示,按照图中的单元临时支撑标号顺序从 1 号临时支撑开始依次向周边卸载.3施工监测方案由于国航星空大讲堂造型独特且结构相对复杂,在施工技术方面的要求会较普通建筑物的难度有所升高,并且在施工阶段结构的受力状态会与结构最终的受力状态不完全一致,因此有必要对其在施工过程中进行结构健康监测,以实时了解结构关键构件的受力状态,从而保证施工的顺利进行.本监测方案以国航星空大讲堂大跨度钢结构屋盖作为重点监测对象,主要监测的内容包括大跨度钢结
13、构屋盖杆件的应力应变及关键节点的竖向位移,通过结合有限元软件MIDAS GEN 对其进行数值模拟分析,并设定数据的影响阈值7.监测点的布置根据结构的受力特点及对称性,主要布置在结构受力相对危险的位置,结合国航星空大讲堂钢结构屋盖的特点和现场施工条件等,分别对位移监测点和应力应变监测点进行了布设,施工现场工作照片如图 5 所示.3.1仪器设备应力应变监测采用 HC-BM150 型振弦式应变计,这种传感器结构简单,便于操作,测量精度较高,并且具有较强的抗干扰性、抗高温性及耐久性.适用于各种结构物的长期和短期的应变监测.位移监测采用 XTY 型线性高精位移计,这种位移计测量精度高,测量速度快,灵活性
14、较好,并且操作较为简单,常用于大量程高精度变化速率不高的长期监测应用.应力应变监测和位移监测统一采用 MCU2-36 数据采集模块来收集数据,此数据采集模块可以同时兼容采集振弦、位移、电压、电流、电阻、开关量、脉冲量、数字量等信号量,并通过无线网络传输至计算机上,系统稳定可靠,具有较强的抗环境电磁干扰和抗工频干扰的能力.3.2结构监测点布置传感器的数目和位置对于获得结构的准确信息至关重要.大跨度空间钢结构网架具有形式复杂、体量巨大的特点,但是由于施工现场情况较为复杂,现场施工条件及高空布置传感器难度较大等方面的限制,想要在结构上大量布置传感器的可能性较小,只能采取小部分的结构响应信息.本工程遵
15、循经济性、合理性及可实施性的原则对结构进行监测点布置8.在不同的卸载阶段,结构的整体受力不一样,受力的形式也不一样,针对不同卸载阶段,可采用集中受力监测的办法,对结构的关键杆件和关键受力节点监测9.根据对大跨度空间钢结构网架进行初步的施工模拟分析可知,针对应力变形较大处加强受力监测,并根据结构的受力特点及对称性,布置应力应变测点 12 个,位移监测点 4 个,结构监测点平面布置如图 6 所示.4监测结果及对比分析本工程钢结构屋盖施工监测重点为研究网架下图 4临时支撑分布图 5传感器布设及监测工作台(a)传感器布设(b)监测工作台刘戈等:大跨度空间钢结构施工卸载过程模拟分析与监测243天津城建大
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