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《空間結(jié)構(gòu)雜志》2014年第二期

1施工數(shù)值模擬

天津大劇院屋蓋鋼桁架臨時(shí)支撐數(shù)量多，拆除難度較大．屋蓋鋼桁架施工共設(shè)200個臨時(shí)支撐，臨時(shí)支撐高度大，如圖3所示．當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)全部安裝完成后，需要拆除臨時(shí)支撐，使結(jié)構(gòu)自身承受全部荷載．因此，需要確定合理的卸載順序，包括卸載方式、卸載順序和各臨時(shí)支撐點(diǎn)下降的位移步長，對施工過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行研究．國內(nèi)既有大型鋼結(jié)構(gòu)施工過程的分析表明，施工模擬能夠較好地模擬、預(yù)測建造過程中結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力，與施工監(jiān)測結(jié)合，能夠?yàn)楹侠硎┕ぬ峁﹨⒖肌?/p>

1．1施工卸載方案天津大劇院鋼屋蓋是雙向正交桁架，其四周都有大懸挑桁架．整個鋼屋蓋桁架重達(dá)5600t，通過109只抗震球型滑動支座傳力給20個核心筒，傳力途徑為雙向傳力，類似于井字梁結(jié)構(gòu)．根據(jù)天津大劇院鋼屋蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及現(xiàn)場施工條件，將鋼屋蓋劃分為6個大區(qū)域，若干個小分區(qū)．按照分區(qū)先后順序逐級進(jìn)行卸載，總體卸載順序?yàn)椋海?）A、B區(qū)，（2）C區(qū)，（3）D區(qū)，（4）E區(qū)，（5）F區(qū)（屋蓋前端大懸挑大跨度區(qū)域），如圖4所示．屋蓋卸載難度較大部分集中于前端大懸挑大跨度區(qū)域，因此本次施工模擬與監(jiān)測工作是在A區(qū)～E區(qū)卸載完成的前提下，針對最后卸載的F區(qū)（屋蓋前端大懸挑大跨度桁架區(qū)域）進(jìn)行，如圖3～圖5所示．

1．2卸載數(shù)值模擬施工卸載過程采用有限元軟件MIDAS進(jìn)行模擬分析．桁架上下弦采用梁單元模擬，腹桿采用桁架單元模擬，臨時(shí)支撐處設(shè)置豎向約束，模擬屋蓋前端大懸挑和大跨度桁架部分的拆承卸載，如圖6、圖7所示．本部分著重分析關(guān)鍵受力部位關(guān)鍵點(diǎn)（位置見圖18、圖19）的應(yīng)力狀態(tài)．根據(jù)施工分區(qū)卸載方案，先對大跨度桁架進(jìn)行拆承卸載，最后對大懸挑桁架進(jìn)行卸載，共分12個卸載步．圖圖8、圖9給出了10軸、11軸大跨度桁架應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)在卸載過程中的理論應(yīng)力值．可以看到，在初始階段部分桿件中已產(chǎn)生較小的應(yīng)力，這是由A區(qū)～E區(qū)的屋蓋卸載所引起的；第7步卸載拆除了大跨度桁架下方的臨時(shí)支承，所以桿件應(yīng)力突然增大；第12步卸載拆除了N～X軸與大跨度桁架連接的懸挑桁架下方的臨時(shí)支承，桿件應(yīng)力增大，增幅不太明顯，說明波紋蒙皮鋼板的設(shè)置對大跨度桁架抗扭起到了一定的效果；大跨度桁架支座處桿件應(yīng)力大于跨中桿件應(yīng)力，最大應(yīng)力值均小于60MPa，卸載階段結(jié)構(gòu)有較高的安全儲備．圖10～圖13給出了T軸、X軸、B1軸、F1軸大懸挑桁架端部應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)在卸載過程中的理論應(yīng)力值．可以看到，在初始階段桿件中已產(chǎn)生應(yīng)力，并且初始應(yīng)力值大于大跨度桁架桿件，說明懸挑桁架A區(qū)～E區(qū)卸載影響較大，這是由于大跨度桁架處于大開洞口處，未與其他分區(qū)桁架直接連接，且兩端部有下部混凝土核心筒的支撐；T軸、X軸懸挑桁架端部監(jiān)測點(diǎn)處桿件應(yīng)力在第7步卸載后發(fā)生較明顯變化，說明大跨度桁架的卸載對與其連接的懸挑桁架產(chǎn)生了一定影響；此外，T軸、X軸桁架只在第12步卸載過程中應(yīng)力變化非常顯著，B1軸、F1軸桁架只在第9步卸載過程中應(yīng)力變化較大，這是由于第9步卸載拆除B1軸、F1軸下方的臨時(shí)支撐，第12步卸載拆除T軸、X軸下方的臨時(shí)支撐，由此可知懸挑桁架卸載過程中臨時(shí)支撐的拆除對相鄰桁架的影響不大。

2現(xiàn)場監(jiān)測

天津大劇院工程鋼屋蓋為大跨度、四周懸挑結(jié)構(gòu)，且屋蓋的跨度最大達(dá)66．7m，最大懸挑長度33．6m，對施工技術(shù)提出了很高的要求，而施工階段的風(fēng)險(xiǎn)率很高，施工階段的受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)最終受力狀態(tài)完全不一致，因此施工階段成為結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵階段．對施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，特別是重要部位和關(guān)鍵工序，可以及時(shí)了解施工過程中結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件受力狀態(tài)，給施工過程提供決策性技術(shù)依據(jù)，從而正確輔助施工，采取有效措施排除安全隱患，是保障施工安全的有效手段，施工監(jiān)測現(xiàn)場工作照片見圖3、圖14．

2．1監(jiān)測設(shè)備測試設(shè)備：振弦式表面應(yīng)變計(jì)、便攜式振弦采集儀、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)［9，10］，如圖15、圖16所示．根據(jù)施工特點(diǎn)以及現(xiàn)場情況確定相關(guān)測點(diǎn)的位置，在施工卸載前將桿件表面灰塵及油漆處理干凈后，將振弦式表面應(yīng)變計(jì)通過粘接或者焊接固定在桿件表面，并對儀器采取保護(hù)措施．監(jiān)測工作開始之前，對監(jiān)測中應(yīng)用的量測儀器進(jìn)行檢查、調(diào)整和率定，以保證達(dá)到監(jiān)測使用要求．

2．2測點(diǎn)布置本次施工監(jiān)測主要監(jiān)測屋蓋前端大懸挑和大跨度桁架的桿件應(yīng)力，根據(jù)受力特點(diǎn)及對稱性，取T軸、X軸、B1、F1軸上的四榀大懸挑桁架以及10軸、11軸上N～X軸間共計(jì)兩榀大跨度桁架進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，如圖17所示．大懸挑桁架測點(diǎn)布置于懸挑端部，在桁架上下弦各布設(shè)一個測點(diǎn)．大跨度桁架測點(diǎn)布置于跨中及支座處位置，在跨中處上下弦各布設(shè)一個測點(diǎn)，在支座處上弦布設(shè)一個測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖18、圖19所示．

2．3監(jiān)測結(jié)果及對比分析表1為10軸、11軸大跨度桁架在特定卸載工況下的應(yīng)力實(shí)測值．可以看到，在臨時(shí)支撐逐漸拆除的過程中，隨著荷載的轉(zhuǎn)移，桁架應(yīng)力呈增大趨勢；在大跨度桁架卸載完畢后，桿件最大應(yīng)力為43．2MPa，出現(xiàn)在10軸支座處上弦桿；最終卸載完成后，桿件最大應(yīng)力為72．2MPa，出現(xiàn)在11軸桁架跨中位置，這是由于11軸桁架缺少向內(nèi)延伸的桁架連接，桁架受扭作用明顯而引起的．如表2所示，在大懸挑部分卸載完成后，懸挑端部的桿件最大應(yīng)力為31．3MPa，出現(xiàn)在F1軸上弦桿，各榀大懸挑桁架端部桿件應(yīng)力變化趨勢比較一致．圖20給出了大懸挑桁架的卸載完成引起大跨度桁架桿件應(yīng)力變化，最大應(yīng)力增量38．3MPa，出現(xiàn)在11軸桁架跨中位置，應(yīng)力增量整體上比較均勻，說明波紋蒙皮鋼板的設(shè)置對大跨度桁架抗扭起到了較為理想的效果．圖21給出了卸載完成后各監(jiān)測點(diǎn)桿件應(yīng)力理論值與實(shí)測值的對比圖，可以看出現(xiàn)場監(jiān)測值與理論計(jì)算值在總體上還是較一致的，部分測點(diǎn)的實(shí)測值與理論值差別較大，一方面可能是受到監(jiān)測儀器本身的精度及可靠性等因素的影響，導(dǎo)致實(shí)測值偏差較大，在以后的工程實(shí)踐中可以通過采用可靠性及測試精度更高的采集傳感器加以完善；另一方面，由于受到現(xiàn)場施工條件的限制，結(jié)構(gòu)的實(shí)際卸載過程無法準(zhǔn)確按照設(shè)計(jì)卸載方案進(jìn)行，也會引起桿件應(yīng)力的偏差．總體來說，大跨度桁架和大懸挑部分的桿件應(yīng)力變化均在允許范圍內(nèi)，實(shí)測結(jié)果與計(jì)算分析基本一致．卸載完成后的桁架能滿足設(shè)計(jì)要求．

3結(jié)論

對天津大劇院屋蓋鋼桁架進(jìn)行了施工過程的有限元模擬分析與施工監(jiān)測，得到以下主要結(jié)論．（1）理論計(jì)算表明，天津大劇院屋蓋鋼結(jié)構(gòu)前期各分區(qū)卸載過程對屋蓋前端未卸載區(qū)大跨度及大懸挑桁架部分影響不大，引起的桿件應(yīng)力較小；屋蓋前端大跨度及大懸挑部分卸載完成后最大桿件應(yīng)力基本保持在60MPa以下，桿件處于彈性狀態(tài)，施工過程中結(jié)構(gòu)是安全的；卸載完成后大跨度桁架中桿件應(yīng)力沒有劇烈變化，說明波紋蒙皮鋼板的設(shè)置對大跨度桁架抗扭起到了較為理想的作用．（2）實(shí)測數(shù)據(jù)表明，卸載完成后，懸挑端部的桿件最大應(yīng)力為31．3MPa，各榀大懸挑桁架端部桿件應(yīng)力變化趨勢比較一致．大跨度桁架部分的桿件大應(yīng)力為72．2MPa，大懸挑部分的支承卸載對大跨度桁架產(chǎn)生了一定的影響，應(yīng)力增幅比較均勻，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了波紋蒙皮桁架的抗扭性能，同時(shí)，有必要對波紋鋼板蒙皮桁架抗扭性能的數(shù)值模擬方法做進(jìn)一步研究．（3）模擬分析與實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合，驗(yàn)證了屋蓋結(jié)構(gòu)施工過程有限元分析采用的計(jì)算模型和方法的可行性．

作者：牛犇陳志華孔翠妍單位：天津大學(xué)建筑工程學(xué)院