大型鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工安全分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究*

邢天峰，王秀麗，陶志山，張藝凡，茍寶龍

(1. 天水市政府投資項(xiàng)目代建服務(wù)中心，甘肅 天水 730070； 2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；3.西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

隨著人類物質(zhì)文明和精神文明的發(fā)展與提高，需要有最大自由空間及最小內(nèi)支撐相互干擾的結(jié)構(gòu)，如大型集會(huì)場(chǎng)所、體育館、飛機(jī)場(chǎng)、會(huì)展中心、候車廳、工業(yè)廠房等[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)我國(guó)約60%的工程事故都發(fā)生在建筑物施工過(guò)程中，因此大型鋼結(jié)構(gòu)工程施工過(guò)程中的安全性尤為重要，需要準(zhǔn)確分析與監(jiān)測(cè)施工過(guò)程，確保結(jié)構(gòu)安全。

大多數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以結(jié)構(gòu)成型后的狀態(tài)為研究對(duì)象，在不同荷載工況組合效應(yīng)下設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)和正常使用狀態(tài)，以滿足結(jié)構(gòu)安全性和適用性[2]。結(jié)構(gòu)向高、大、奇的特點(diǎn)發(fā)展，施工過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)安全性能產(chǎn)生重大影響[3]。施工過(guò)程是分階段的復(fù)雜過(guò)程，隨著施工的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)桿件不斷增多，質(zhì)量和剛度分布不斷發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)體系所承受的荷載也發(fā)生變化。前一個(gè)施工工序?qū)笠粋€(gè)工序受力性能產(chǎn)生較大影響，同時(shí)不同的施工工法和施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)體系成型后的受力狀態(tài)也有重大影響。因此，有必要研究結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的受力性能，即施工力學(xué)。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)性能分析做了大量的研究工作。曹志遠(yuǎn)[4]結(jié)合力學(xué)基礎(chǔ)，綜合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出土木工程施工力學(xué)及時(shí)變力學(xué)基礎(chǔ)的研究方向，并指出該方向研究的重要性。趙啟林等[5]利用神經(jīng)算法研究矩陣運(yùn)算的基本原理，探討神經(jīng)算法在施工力學(xué)中應(yīng)用的可行性。引入虛、實(shí)單元概念，在整個(gè)施工力學(xué)分析過(guò)程中保持有限元網(wǎng)格不變，通過(guò)物理參數(shù)變化反映求解區(qū)域的變化，提高施工力學(xué)中多次重分析的計(jì)算效率。多位學(xué)者將生死單元技術(shù)逐步運(yùn)用在施工力學(xué)中，研究空間鋼結(jié)構(gòu)的施工理論基礎(chǔ)，并分析生死單元技術(shù)在施工階段增加及減少構(gòu)件過(guò)程中的可行性，提出有限元生死單元及理論分析計(jì)算的改進(jìn)方法[6-11]。Tian等[12]對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)分析方法和施工方案進(jìn)行探討，為安全施工提供合理依據(jù)。

1 工程概況

天水體育中心項(xiàng)目位于天水商貿(mào)城東南面，北臨天北高速公路，南臨羲皇大道，東至羅家溝，西至秦東經(jīng)十路，與羲通公交麥積總站相鄰。建設(shè)用地18.6萬(wàn)m2，包括1個(gè)20 000座的體育場(chǎng)、1個(gè)5 000座的體育館(固定座位3 500座、活動(dòng)座位1 500座)、1個(gè)1 500座的體育館、1個(gè)500名學(xué)生規(guī)模的體育運(yùn)動(dòng)學(xué)校及全民健身主題公園。體育館位于南側(cè)主入口附近，天水體育中心效果如圖1所示。

圖1 天水體育中心效果

天水體育中心體育館屬乙類體育建筑場(chǎng)地，地下1層，地上單層(含局部3層)，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋頂為空間鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系，抗震設(shè)防烈度為8度，分為比賽區(qū)和訓(xùn)練區(qū)。體育館屋蓋為球面狀，上弦中心線最高點(diǎn)標(biāo)高約29.400m，采用鋼屋殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼為焊接球節(jié)點(diǎn)斜放四角錐結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)下弦多點(diǎn)支承，網(wǎng)殼平面呈橢圓形，長(zhǎng)短軸分別為124.39，103.5m，覆蓋面積約10 438m2。屋蓋鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)懸挑部位采用分塊吊裝法，其余大部分采用整體頂升法進(jìn)行安裝。整體頂升時(shí)分2個(gè)區(qū)域：一區(qū)是訓(xùn)練館上空屋面區(qū)域，分2次頂升；二區(qū)是比賽館上空屋面區(qū)域，分4次頂升，如圖2所示。

圖2 整體頂升區(qū)域劃分和吊裝分塊

整體頂升點(diǎn)平面布置如圖3所示，其中頂點(diǎn)D1～D5為訓(xùn)練館上空屋面區(qū)域的5個(gè)頂升點(diǎn)，頂點(diǎn)A1～A8，B1～B9和C1～C2為比賽館上空屋面區(qū)域的19個(gè)頂升點(diǎn)。網(wǎng)殼整體頂升時(shí)，首先在±0.000m標(biāo)高地面拼裝網(wǎng)殼，拼裝完成并驗(yàn)收后，在計(jì)算機(jī)控制下，所有頂升架同步向上頂升。當(dāng)頂升至離地8.61m時(shí)，暫停頂升，搭設(shè)操作架補(bǔ)裝網(wǎng)殼。完成后繼續(xù)頂升網(wǎng)殼，當(dāng)頂升至離地10.30m、離地12.90m、支座標(biāo)高時(shí)，分別進(jìn)行上述相同步驟。之后分塊吊裝周邊懸挑網(wǎng)殼。當(dāng)所有網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)安裝完成后，卸載拆除頂升支架。

圖3 頂升點(diǎn)平面布置

2 整體頂升過(guò)程模擬分析

2.1 有限元模型建立

為模擬結(jié)構(gòu)成型過(guò)程，依據(jù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工工序及方法，采用ANSYS建立施工階段網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)有限元模型。上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和下部混凝土柱通過(guò)38個(gè)支座相連，模型周邊支承僅約束x，y，z向平動(dòng)，釋放轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。鋼管采用Beam188單元，基于Timoshenko梁理論，適用于分析細(xì)長(zhǎng)梁，是具有2個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維線性梁，每個(gè)節(jié)點(diǎn)默認(rèn)6個(gè)自由度，分別是x，y，z向位移及其轉(zhuǎn)動(dòng)，還有節(jié)點(diǎn)的第7個(gè)自由度(翹曲量)可供選擇，此單元能很好地應(yīng)用于大偏轉(zhuǎn)、線性分析和大變形非線性分析。球節(jié)點(diǎn)采用Mass21單元，可很好地模擬結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)，是具有6個(gè)自由度的點(diǎn)元素，即x，y，z向平動(dòng)及其轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)方向有不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)量。模型采用理想線彈性本構(gòu)關(guān)系，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3。網(wǎng)殼有限元模型如圖4所示。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由無(wú)縫鋼管和空心球高頻焊接而成，材質(zhì)均為Q235B，鋼管有12種規(guī)格參數(shù)，如表1所示。

圖4 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)有限元模型

表1 鋼管規(guī)格參數(shù)

為避免屋蓋鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)頂升過(guò)程中桿件應(yīng)力或變形超限，對(duì)結(jié)構(gòu)頂升過(guò)程進(jìn)行模擬，以保證桿件在頂升反力作用下不發(fā)生破壞。若桿件超過(guò)規(guī)定強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)值，需替換不合格構(gòu)件，重新計(jì)算。

網(wǎng)殼頂升過(guò)程中，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式隨工程進(jìn)度發(fā)生變化，構(gòu)件最大應(yīng)力可能發(fā)生在施工期間。因此，為保證施工階段安全，利用有限元軟件ANSYS中的生死單元功能，按照施工順序依次對(duì)屋蓋網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，SG1～SG9施工步如下：①SG1 第1次拼裝頂升比賽館上方網(wǎng)殼單元，頂點(diǎn)為A1～A8，共8個(gè)頂點(diǎn)；②SG2 第1次擴(kuò)展頂升比賽館上方網(wǎng)殼單元，頂點(diǎn)為A1～A8，共8個(gè)頂點(diǎn)；③SG3 第2次擴(kuò)展頂升比賽館上方網(wǎng)殼單元，頂點(diǎn)為A1～A8，B1～B9，共17個(gè)頂點(diǎn)；④SG4 第3次擴(kuò)展頂升比賽館上方網(wǎng)殼單元，頂點(diǎn)為A1～A8，B1～B9，共17個(gè)頂點(diǎn)；⑤SG5 第4次擴(kuò)展頂升比賽館上方網(wǎng)殼單元，頂點(diǎn)為A1～A8，B1～B9，C1～C2，共19個(gè)頂點(diǎn)；⑥SG6 第1次頂升訓(xùn)練區(qū)上方網(wǎng)殼單元，頂點(diǎn)為D1～D5，共5個(gè)頂點(diǎn)；⑦SG7 第2次頂升訓(xùn)練區(qū)上方網(wǎng)殼單元，頂點(diǎn)為D1～D5，共5個(gè)頂點(diǎn)；⑧SG8 在比賽區(qū)和訓(xùn)練區(qū)單元進(jìn)行對(duì)接，安裝外側(cè)懸挑網(wǎng)架；⑨SG9 卸除支撐，網(wǎng)架進(jìn)入自由承重狀態(tài)。結(jié)構(gòu)施工過(guò)程是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，將整個(gè)施工過(guò)程離散為9個(gè)施工步，即在每個(gè)施工步時(shí)“凍結(jié)”結(jié)構(gòu)，進(jìn)行靜力計(jì)算，從而跟蹤結(jié)構(gòu)在每個(gè)施工步中的力學(xué)性能狀態(tài)。

2.2 施工過(guò)程應(yīng)力分析

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)按照施工步逐步成型時(shí)，由于各施工步不完整結(jié)構(gòu)的荷載和邊界條件不一樣，造成桿件應(yīng)力值具有差異性。各施工步對(duì)應(yīng)桿件最大應(yīng)力如表2所示。

表2 施工階段桿件最大應(yīng)力 MPa

從以上各施工步的最大應(yīng)力值可以看出，臨時(shí)支撐頂點(diǎn)附近的桿件應(yīng)力值都較大，最大拉、壓應(yīng)力出現(xiàn)在頂點(diǎn)附近的上、下弦桿和腹桿處，說(shuō)明頂點(diǎn)處的桿件由于應(yīng)力集中效應(yīng)，應(yīng)力值均較高。除SG1，SG2，SG3外，SG4～SG9階段的最大壓應(yīng)力值均高于最大拉應(yīng)力值，所以要防止受壓桿件發(fā)生失穩(wěn)破壞。SG5，SG6，SG7階段的最大拉、壓應(yīng)力值相等，且最大應(yīng)力出現(xiàn)在比賽區(qū)上方的網(wǎng)殼區(qū)域，訓(xùn)練區(qū)上方網(wǎng)殼最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于比賽區(qū)的網(wǎng)殼最大應(yīng)力值，說(shuō)明比賽區(qū)上方網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)體量大、施工過(guò)程受力復(fù)雜。

完善實(shí)訓(xùn)課程的知識(shí)體系，疏理其所涉及到的理論知識(shí)點(diǎn)，既能讓學(xué)生理解實(shí)訓(xùn)課程需要理論知識(shí)的支撐，又能讓學(xué)生明確理論學(xué)習(xí)的方向。這樣，容易讓學(xué)生感受到學(xué)習(xí)收獲上的體驗(yàn)及樂(lè)趣，擁有成就感。同時(shí)，作為經(jīng)營(yíng)團(tuán)隊(duì)中的一份子，在學(xué)習(xí)上的收獲感及自我認(rèn)可提高，會(huì)直接影響團(tuán)隊(duì)的經(jīng)營(yíng)熱情，為整個(gè)團(tuán)隊(duì)和諧的氣氛創(chuàng)造條件。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受力較均衡，各桿件傳力穩(wěn)定，體現(xiàn)出良好的承載狀態(tài)，構(gòu)件應(yīng)力也無(wú)超限情況，很多桿件應(yīng)力值都較低，具備良好的安全儲(chǔ)備，可確保施工安全。

2.3 施工過(guò)程頂點(diǎn)支反力分析

模擬施工過(guò)程時(shí)，頂點(diǎn)支反力隨施工步的變化如圖5所示，可以看出，A1～A4處的頂點(diǎn)支反力值較接近，A5～A8處的頂點(diǎn)支反力也較接近，且A5～A8處的值高于A1～A4處的值，表現(xiàn)出支反力區(qū)域相近的特點(diǎn)。B6，B7處的頂點(diǎn)反力值最大。C1，C2處的值基本一樣。訓(xùn)練區(qū)的所有頂點(diǎn)中，D2處的反力值最高，D1，D3變化趨勢(shì)一致，D4，D5變化趨勢(shì)一致。整個(gè)頂升過(guò)程中，A1～A8處的頂點(diǎn)支反力值總體高于B1～B9，C1～C2，D1～D5，除施工步SG1時(shí)A5處的頂點(diǎn)達(dá)到最大值266.6kN外，其余施工步時(shí)A7處的頂點(diǎn)支反力一直處于最高值，分別為556.3，556.1，529.4，496.2，496.2，496.2，498.2kN。

圖5 不同區(qū)域頂點(diǎn)支反力

隨著施工過(guò)程的進(jìn)行，各頂點(diǎn)處的反力值變化較平穩(wěn)，并未出現(xiàn)較大的數(shù)值突變，所以上部結(jié)構(gòu)傳至下部臨時(shí)支撐的荷載處于可控范圍，滿足下部支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

2.4 施工過(guò)程結(jié)構(gòu)位移分析

結(jié)構(gòu)位移大小是反映剛度性能的重要指標(biāo)，而且合理的節(jié)點(diǎn)位移可保證結(jié)構(gòu)安全。施工過(guò)程中需嚴(yán)格控制撓度，否則撓度過(guò)大將會(huì)給結(jié)構(gòu)使用階段留下安全隱患，產(chǎn)生不良影響。因此，需計(jì)算整個(gè)頂升過(guò)程中，荷載組合Ⅰ(自重+活荷載)的結(jié)構(gòu)豎向位移，為分析結(jié)構(gòu)剛度分布提供方便，從而給施工階段的結(jié)構(gòu)提供安全理論支持。

SG1～SG9最大豎向位移分別為2.8,8.6,12.8,14.8,14.9,14.9,14.9,16.8,18.5mm。SG5，SG6，SG7施工步的位移最大值出現(xiàn)在右側(cè)比賽區(qū)上方的屋蓋網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)處。SG9時(shí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)拆除所有下部支撐，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)處于自由工作狀態(tài)，此時(shí)單元最大豎向位移為18.5mm。根據(jù)規(guī)范要求，布置起重懸掛設(shè)備的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大允許撓度值不宜大于整體結(jié)構(gòu)跨度的1/400，即124 390×1/400=311mm，結(jié)果遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的撓度值18.5mm。荷載Ⅰ作用下，網(wǎng)架最大撓度值僅為公式計(jì)算值的6%，說(shuō)明此網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屬于剛性結(jié)構(gòu)，因?yàn)榫W(wǎng)架大部分區(qū)域?qū)儆?層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，僅從位移值來(lái)看，結(jié)構(gòu)并無(wú)危險(xiǎn)狀況。

3 現(xiàn)場(chǎng)健康監(jiān)測(cè)

根據(jù)對(duì)施工過(guò)程的模擬計(jì)算可知，在施工步SG1～SG8時(shí)，下部支撐結(jié)構(gòu)作用于網(wǎng)殼上，結(jié)構(gòu)受支撐反力作用，受力較大的桿件位于支撐點(diǎn)附近，可選取支撐點(diǎn)附近的結(jié)構(gòu)桿件作為關(guān)鍵桿件。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件眾多，不能在每根桿上都布置傳感器，考慮經(jīng)濟(jì)因素及監(jiān)測(cè)便利性，結(jié)合體育館網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果及施工工序，在頂升SG1～SG8階段選取55根應(yīng)力水平較大的桿件作為關(guān)鍵桿件，布置電阻應(yīng)變片。具體布置方案如圖6所示，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為Y-1～Y-55，其中測(cè)點(diǎn)Y-1～Y-21位于上弦桿，測(cè)點(diǎn)Y-22～Y-34位于下弦桿，測(cè)點(diǎn)Y-35～Y-55位于腹桿。

圖6 應(yīng)變片布置

選取整個(gè)施工過(guò)程中壓應(yīng)力和拉應(yīng)力較大的12個(gè)測(cè)點(diǎn)，即Y-23，Y-29，Y-30，Y-31，Y-32，Y-35，Y-36，Y-41，Y-42，Y-43，Y-48，Y-49。通過(guò)折線圖對(duì)比模擬值和實(shí)測(cè)值，如圖7所示。

圖7 模擬分析值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)力值對(duì)比

1)測(cè)點(diǎn)Y-23，Y-29，Y-35，Y-36，Y-41，Y-42從SG1時(shí)開(kāi)始工作，實(shí)測(cè)值在SG2階段突然增大直至后續(xù)各階段到SG8階段應(yīng)力值比較平穩(wěn)，然后到SG9時(shí)突然降低。測(cè)點(diǎn)Y-30從SG3開(kāi)始到SG5，應(yīng)力值呈線性增長(zhǎng)，SG5～SG9時(shí)應(yīng)力值較平穩(wěn)。測(cè)點(diǎn)Y-31，Y-32在SG2～SG4階段應(yīng)力值快速增長(zhǎng)，SG4～SG8時(shí)應(yīng)力發(fā)展平穩(wěn)。測(cè)點(diǎn)Y-43從SG2開(kāi)始到SG5，應(yīng)力呈線性增長(zhǎng)，SG5～SG8時(shí)應(yīng)力較平穩(wěn)，到SG9時(shí)應(yīng)力急劇下降。以上變形規(guī)律基本符合網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)各區(qū)塊按施工順序擴(kuò)展安裝時(shí)，支撐點(diǎn)桿件的應(yīng)力發(fā)展規(guī)律。

2)應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的最大受壓應(yīng)力值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)Y-32，為76MPa，出現(xiàn)在SG6階段。最大受拉應(yīng)力值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)Y-35，為68.8MPa，出現(xiàn)在SG3階段。最大受拉、受壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼材屈服強(qiáng)度，桿件處于彈性變形階段，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在頂升階段較安全。

3)所有測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值均大于理論值，說(shuō)明施工時(shí)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化的外部因素很多，造成結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)應(yīng)力隨機(jī)性較強(qiáng)，雖然部分階段桿件應(yīng)力值發(fā)生突變，但實(shí)測(cè)值和理論值反映的應(yīng)力變化規(guī)律趨勢(shì)基本一致。

4 結(jié)語(yǔ)

1)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)支撐周圍桿件應(yīng)力值較高，總體上體現(xiàn)良好的承載狀態(tài)，構(gòu)件應(yīng)力也無(wú)超限情況，很多桿件應(yīng)力值較低，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度值，具備良好的安全儲(chǔ)備，符合施工安全要求。隨著施工過(guò)程的進(jìn)行，各頂點(diǎn)處的反力值變化較平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大的數(shù)值突變，結(jié)構(gòu)頂升施工傳至下部臨時(shí)支撐的荷載處于可控范圍，滿足下部支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

2)通過(guò)對(duì)比施工過(guò)程應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果和模擬數(shù)值可知，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)值反映的規(guī)律基本吻合，桿件應(yīng)力水平均處于彈性范圍，結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中有較大的安全儲(chǔ)備。

3)大跨度空間結(jié)構(gòu)從施工到完成是結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)移和內(nèi)力重分布的過(guò)程，通過(guò)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，施工過(guò)程中進(jìn)行合理的數(shù)值模擬和實(shí)際監(jiān)測(cè)對(duì)結(jié)構(gòu)施工安全具有重大意義。