太原機(jī)場(chǎng)新航站樓網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力與變形監(jiān)測(cè)

胡宏青

1 工程概況

太原機(jī)場(chǎng)新航站樓屋面鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)共分七個(gè)區(qū)，水平投影面積為32199 m2，總重近2000 t，結(jié)構(gòu)形式為正放四角錐螺栓球節(jié)點(diǎn)和焊接球節(jié)點(diǎn)相結(jié)合網(wǎng)架，周邊管桁架收邊，下弦周邊柱與中間柱混合支承，支承柱為鋼管混凝土柱或柱帽。桿件為鋼管，節(jié)點(diǎn)類型螺栓球和管桁架混用，個(gè)別采用焊接空心球。標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格尺寸為2 m×2 m，共有10889個(gè)單元，2856個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)架桿件選用Q345B無縫鋼管，螺栓選用GB 3077中的40Cr，螺栓球選用GB 699中的45號(hào)鋼鍛造，封板錐頭和套筒選用Q345B鋼，焊條選用E50XX系列。屋頂呈雙弧線，下弦高差大，是本工程施工的難點(diǎn)和重點(diǎn)。網(wǎng)架一模型見圖1。

圖1 網(wǎng)架一模型

2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

1)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工過程中的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究;2)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工過程中的力學(xué)分析;3)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一區(qū)及七區(qū)施工過程中的應(yīng)力測(cè)控技術(shù)應(yīng)用研究。主要包括:拼裝階段、吊裝階段、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)就位、屋面板安裝過程、屋面板安裝完畢、室內(nèi)各種吊重安裝完畢共六個(gè)階段的桿件、節(jié)點(diǎn)及支座的應(yīng)力測(cè)控;4)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體變形分析及測(cè)控;5)考慮各種初始缺陷對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)承載力的影響分析。

3 技術(shù)手段

通過借助ANSYS大型有限元軟件對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析和仿真技術(shù)研究;采用應(yīng)變片、導(dǎo)線及7V08數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工過程各階段的應(yīng)力及應(yīng)變實(shí)施監(jiān)控，確保網(wǎng)架施工安全，研究較好的施工方法。

4 研究特點(diǎn)

首次應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)該類型復(fù)雜網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的施工全過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，根據(jù)仿真結(jié)果指導(dǎo)施工工序，改變以往網(wǎng)架施工完全依靠經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)做法。將施工力學(xué)與現(xiàn)代應(yīng)力應(yīng)變測(cè)控技術(shù)引入網(wǎng)架施工之中，通過現(xiàn)場(chǎng)大量應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集，定量描述網(wǎng)架桿件及節(jié)點(diǎn)的真實(shí)受力狀態(tài)，定量描述各類初始缺陷對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力影響程度，為今后類似工程提供寶貴的資料、借鑒和指導(dǎo)。

5 監(jiān)測(cè)實(shí)施

網(wǎng)架一選取了8個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)分別選取兩根上弦、三根腹桿和四根下弦作為檢測(cè)對(duì)象，每根桿件上布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置位置為桿件的中部，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)稱布置。網(wǎng)架七布設(shè)3個(gè)主要測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)分別選取兩根上弦、兩根腹桿和兩根下弦作為檢測(cè)對(duì)象，每根桿件上布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置于桿件的中部，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)稱布置。所有的信號(hào)線均綁扎于網(wǎng)架的下弦，匯總于一處?，F(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)了臨時(shí)房屋，為采集數(shù)據(jù)提供良好的工作環(huán)境。數(shù)據(jù)采集從網(wǎng)架吊裝開始至屋面板安裝就位結(jié)束，歷時(shí)200多天，獲得了大量珍貴的數(shù)據(jù)。

經(jīng)過近200 d的測(cè)量，最后選取有代表性的11個(gè)測(cè)點(diǎn)。篩選數(shù)據(jù)，運(yùn)用最小二乘法將吊升階段、安裝就位階段和屋面板安裝階段三個(gè)階段分段擬合。

6 監(jiān)測(cè)結(jié)論

通過將計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與大量實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，得出以下主要結(jié)論:

1)網(wǎng)架一的施工組織設(shè)計(jì)科學(xué)合理。采用的“液壓同步提升施工技術(shù)”有一定的先進(jìn)性。吊點(diǎn)位置設(shè)置合理，吊點(diǎn)分布較均勻，對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生不利影響;“先安裝網(wǎng)架中部的樹狀支撐后安裝周邊支座”是較為合理的施工方案;“先安裝網(wǎng)架中部的屋面板后由中間向兩邊安裝”的方案優(yōu)于“從一邊單方向安裝屋面板”方案。

2)網(wǎng)架七的施工組織設(shè)計(jì)科學(xué)合理。采用的“拔桿法施工技術(shù)”具有簡(jiǎn)潔、高效的特點(diǎn)。各片的吊點(diǎn)位置合理，吊點(diǎn)分布比較均勻，對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生不利影響;由于每片網(wǎng)架較為規(guī)則，南、北部支座的安裝誰先誰后均可行;“先安裝網(wǎng)架交匯處的屋面板后向兩個(gè)分支方向延伸”方案優(yōu)于“先安裝兩個(gè)分支方向后安裝交匯處的屋面板”方案。

3)開展網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工過程中的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究意義深遠(yuǎn)。不僅可以事先模擬出網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在各種工況下的受力狀態(tài)，而且可以優(yōu)化出最佳的施工方案。更重要的是可以事先發(fā)現(xiàn)問題，提前采取措施，防患于未然。

4)本次的仿真結(jié)果經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證:a.ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析軟件是進(jìn)行大型復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)施工過程仿真的理想手段;b.計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果規(guī)律基本吻合;c.計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果略小于實(shí)測(cè)結(jié)果。

5)實(shí)測(cè)結(jié)果表明:網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的上弦、下弦及腹桿并非理想的軸心受力桿件。尤其在施工過程中應(yīng)力水平較低的情況下，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較大的離散性，大部分桿件不同程度地出現(xiàn)較大的附加彎曲應(yīng)力。究其原因，是由于桿件存在初偏心和初彎曲，這主要是制作和安裝的問題。

6)在上述研究成果的基礎(chǔ)上，提三點(diǎn)建議:a.制作單位應(yīng)采取有效的措施，最大程度地將制作誤差控制在國家規(guī)范的允許偏差范圍之內(nèi)，以減小初始缺陷對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不利影響。b.施工單位應(yīng)高度重視施工方案的合理性與先進(jìn)性，在保證拼裝質(zhì)量的前提下，最大程度地降低安裝初始缺陷對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不利影響。c.設(shè)計(jì)單位應(yīng)在思想上加強(qiáng)對(duì)初始缺陷不利后果的認(rèn)識(shí)，從中國工程質(zhì)量的實(shí)際出發(fā)，在今后的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入先天性初始缺陷的考慮，處理好設(shè)計(jì)中安全與經(jīng)濟(jì)的矛盾。

[1]謝 東，張樹勛.某網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)與評(píng)價(jià)[J].山西建筑，2010，36(17):46-47.