太原机场新航站楼网架结构受力与变形监测
2011-06-13胡宏青
胡宏青
1 工程概况
太原机场新航站楼屋面钢网架结构共分七个区，水平投影面积为32199 m2，总重近2000 t，结构形式为正放四角锥螺栓球节点和焊接球节点相结合网架，周边管桁架收边，下弦周边柱与中间柱混合支承，支承柱为钢管混凝土柱或柱帽。杆件为钢管，节点类型螺栓球和管桁架混用，个别采用焊接空心球。标准网格尺寸为2 m×2 m，共有10889个单元，2856个节点。网架杆件选用Q345B无缝钢管，螺栓选用GB 3077中的40Cr，螺栓球选用GB 699中的45号钢锻造，封板锥头和套筒选用Q345B钢，焊条选用E50XX系列。屋顶呈双弧线，下弦高差大，是本工程施工的难点和重点。网架一模型见图1。
图1 网架一模型
2 监测内容
1)网架结构施工过程中的计算机仿真技术研究;2)网架结构施工过程中的力学分析;3)网架结构一区及七区施工过程中的应力测控技术应用研究。主要包括:拼装阶段、吊装阶段、网架结构就位、屋面板安装过程、屋面板安装完毕、室内各种吊重安装完毕共六个阶段的杆件、节点及支座的应力测控;4)网架结构的整体变形分析及测控;5)考虑各种初始缺陷对网架结构承载力的影响分析。
3 技术手段
通过借助ANSYS大型有限元软件对网架结构进行理论分析和仿真技术研究;采用应变片、导线及7V08数据采集系统，对网架结构施工过程各阶段的应力及应变实施监控，确保网架施工安全，研究较好的施工方法。
4 研究特点
首次应用ANSYS软件对该类型复杂网架结构的施工全过程进行计算机仿真，根据仿真结果指导施工工序，改变以往网架施工完全依靠经验的传统做法。将施工力学与现代应力应变测控技术引入网架施工之中，通过现场大量应变数据的采集，定量描述网架杆件及节点的真实受力状态，定量描述各类初始缺陷对网架结构的受力影响程度，为今后类似工程提供宝贵的资料、借鉴和指导。
5 监测实施
网架一选取了8个测区，每个测区分别选取两根上弦、三根腹杆和四根下弦作为检测对象，每根杆件上布置两个测点，测点布置位置为杆件的中部，两个测点对称布置。网架七布设3个主要测区，每个测区分别选取两根上弦、两根腹杆和两根下弦作为检测对象，每根杆件上布置两个测点，测点布置于杆件的中部，两个测点对称布置。所有的信号线均绑扎于网架的下弦，汇总于一处。现场搭设了临时房屋，为采集数据提供良好的工作环境。数据采集从网架吊装开始至屋面板安装就位结束，历时200多天，获得了大量珍贵的数据。
经过近200 d的测量，最后选取有代表性的11个测点。筛选数据，运用最小二乘法将吊升阶段、安装就位阶段和屋面板安装阶段三个阶段分段拟合。
6 监测结论
通过将计算机仿真结果与大量实测结果的对比分析，得出以下主要结论:
1)网架一的施工组织设计科学合理。采用的“液压同步提升施工技术”有一定的先进性。吊点位置设置合理，吊点分布较均匀，对网架结构未产生不利影响;“先安装网架中部的树状支撑后安装周边支座”是较为合理的施工方案;“先安装网架中部的屋面板后由中间向两边安装”的方案优于“从一边单方向安装屋面板”方案。
2)网架七的施工组织设计科学合理。采用的“拔杆法施工技术”具有简洁、高效的特点。各片的吊点位置合理，吊点分布比较均匀，对网架结构未产生不利影响;由于每片网架较为规则，南、北部支座的安装谁先谁后均可行;“先安装网架交汇处的屋面板后向两个分支方向延伸”方案优于“先安装两个分支方向后安装交汇处的屋面板”方案。
3)开展网架结构施工过程中的计算机仿真技术研究意义深远。不仅可以事先模拟出网架结构在各种工况下的受力状态，而且可以优化出最佳的施工方案。更重要的是可以事先发现问题，提前采取措施，防患于未然。
4)本次的仿真结果经实测数据验证:a.ANSYS有限元结构分析软件是进行大型复杂空间结构施工过程仿真的理想手段;b.计算机仿真结果与实测结果规律基本吻合;c.计算机仿真结果略小于实测结果。
5)实测结果表明:网架结构的上弦、下弦及腹杆并非理想的轴心受力杆件。尤其在施工过程中应力水平较低的情况下，实测数据较大的离散性，大部分杆件不同程度地出现较大的附加弯曲应力。究其原因，是由于杆件存在初偏心和初弯曲，这主要是制作和安装的问题。
6)在上述研究成果的基础上，提三点建议:a.制作单位应采取有效的措施，最大程度地将制作误差控制在国家规范的允许偏差范围之内，以减小初始缺陷对网架结构的不利影响。b.施工单位应高度重视施工方案的合理性与先进性，在保证拼装质量的前提下，最大程度地降低安装初始缺陷对网架结构的不利影响。c.设计单位应在思想上加强对初始缺陷不利后果的认识，从中国工程质量的实际出发，在今后的网架结构设计中引入先天性初始缺陷的考虑，处理好设计中安全与经济的矛盾。
[1]谢 东，张树勋.某网架结构安全性检测与评价[J].山西建筑，2010，36(17):46-47.
