某大型会展中心钢结构卸载与施工监测分析

2021-09-14严再春况中华

建筑施工 2021年12期

严再春况中华

上海建工集团股份有限公司上海 200080

1 工程概况

某大型会展中心为整体向外倾倒的二层大空间钢框架结构，底部平面呈椭圆形，长轴54.6 m，短轴30 m；屋顶为不规则多边形，长边105 m，短边57 m；顶部采光顶跨度21 m，长50 m。

结构主体采用空间桁架结构体系，中庭采光顶采用张弦拱梁结构体系。结构外侧由48榀平面悬挑桁架组成，其中24榀与下部Y形支撑柱相连。Y形支撑柱主要截面形式为变截面钢管，主桁架截面主要为箱形管和圆管。桁架之间采用平面环向桁架、次桁架连接成结构整体，桁架最大悬挑长度30 m。张弦梁最大跨度21 m，最大高度2.3 m，各榀张弦梁底部另有2条纵向拉索拉结，顶面次梁连系，并满布交叉拉索支撑。钢结构如图1所示。

图1 钢结构整体立面示意

2 施工方案

内部张弦梁结构施工过程中，采用满堂脚手架进行顶部安装。空间桁架采用“单榀地面拼装，整体吊装”的安装方案。在外侧悬挑桁架结构施工过程中，依据悬挑段长度分别设置1～2个临时支撑，共计86个临时支撑，其中Y形柱桁架设临时支撑38个，无钢柱桁架设临时支撑48个。

结构整体施工顺序是由内向外进行的，主要工序如下：地面张弦梁拼装→满堂脚手架搭设→张弦梁吊装→顶部环梁安装→临时支撑搭设→桁架安装→张弦梁下部临时支撑卸载→无Y形钢柱桁架临时支撑卸载→有Y形支柱桁架临时支撑卸载。

3 卸载过程数值模拟

利用有限元计算软件Midas/Gen进行卸载施工全过程模拟，分析钢结构和临时支撑应力、位移的变化趋势。

钢结构杆件采用梁单元模拟，拉索采用只受拉单元模拟。Y形支撑柱底部采用铰接模拟，结构有限元模型边界如图2所示。

图2 模型边界示意

4 施工过程监测

4.1监测关键要素分析

屋顶张弦梁以拉索作为核心构件，属于柔性结构，在张弦梁施工过程中，两侧支座均采用临时支撑进行限位约束。在张弦梁张拉和结构卸载过程中，为确保张弦梁索力、弧度与设计相符，需要对张弦梁索力进行监测。

在整个结构施工过程中，临时支撑和Y形支撑柱共同承担结构自重和施工活荷载，待结构完成拼装后需拆除临时支撑完成卸载，结构进入自承重状态。结构卸载过程是结构受力逐渐转移和内力重分布的复杂过程[1-6]。

为确保卸载过程钢结构安全可靠，需全面跟踪钢结构在卸载过程中重要构件的重要参数，主要包括结构卸载过程中应力较大及应力变化较大的构件、临时支撑的应力。根据监测结果给出卸载过程参数监测记录及变化趋势，给现场施工提供指导性建议，并监督施工过程的合理性，以确保工程安全进行。

4.2测点布置

根据项目结构特点和有限元数值模拟结果，本次钢结构卸载过程监测主要针对钢结构主体结构，监测内容和测点布置如下。

4.2.1 张弦梁索力监测

在每榀张弦梁拉索靠近锚固端处布置1个测点，共计10个索力测点，索力监测采用磁通量传感器，张弦梁位置如图3所示。

图3 张弦梁位置示意

4.2.2 Y形柱应力监测

取13#主桁架和22#主桁架Y形柱铸钢件变截面处为监测断面，测点沿截面布置，每个截面布置6个应力测点，共计12个应力测点。应力监测采用振弦式应变计，通过计算将应变转化为应力进行监测。测点布置如图4所示。

图4 Y形柱应力监测点示意

4.2.3 主桁架应力监测

22#主桁架上弦杆XG11上布置1个测点；23#主桁架腹杆FG33、FG14及下弦杆XG9各布置1个测点，共计4个测点，测点布置如图5所示。

图5 主桁架应力监测点示意

5 监测结果与对比分析

背景工程自开始临时支撑卸载施工，至全部临时支撑卸载完毕，历时34 h。在钢结构临时支撑卸载过程中，主要针对结构主体拉索拉力和应力状态进行实时监测。

鉴于拉索和钢结构对温度效应相对敏感，为了分析卸载前、后的拉索拉力和结构应力实际增量，选取卸载前后同一时间点的数据进行分析，即以开始卸载的9月3日8点作为测试初始值，以全部卸载完毕的9月5日8点作为测试终值，判断拉索拉力和钢结构各应力测点在卸载过程中的变化情况。

5.1 拉索

卸载过程中，张弦梁索力变化曲线如图6所示。

图6 索力变化曲线

由图6可知，9月3日8点，随着临时支撑卸载施工的开始，索力测点拉力大部分呈递增趋势，SL-7测点拉力先减小随后递增，截至当天20点（当日施工结束），各测点拉力变化趋于平稳。至9月4日8点（第2天施工开始），索力各测点拉力均呈递增趋势，截至当日19点（卸载施工结束），各测点拉力趋于平稳。

在临时支撑卸载过程中，监测点SL-2最大索拉力变化值18 kN，索拉力增量在－2～18 kN范围内变化，在施工期间受卸载效应影响，各测点拉力不同程度地呈现增大/减小趋势。

索拉力模拟增量和实测增量对比见表1，通过分析得出，卸载过程中实测拉力增量均小于或接近数值模拟的拉力增量。

表1 索力增量对比

5.2Y形柱

5.2.1 13#主桁架Y形柱

图7给出了卸载期间13#主桁架柱应力变化曲线。9月3日8点，随着临时支撑卸载施工的开始，Y形柱的各测点应力均呈逐步增大趋势，随后逐步减小，截至当日20点（当日施工结束），各测点应力变化趋于平稳；至9月4日7点（第2天施工开始），13#主桁架Y形柱的各测点应力均呈逐步增大趋势，截至当日19点（卸载施工结束），各测点应力趋于平稳。

图7 13#主桁架Y形柱应力变化曲线

在临时支撑卸载过程中，13#主桁架柱应力增量在－15～12 MPa范围内变化，主要在施工期间受卸载效应影响，各测点应力不同程度地呈现增大/减小趋势。13#主桁架柱应力数值模拟增量与实测增量对比见表2，通过对比分析，实测应力增量均小于数值模拟应力增量。

表2 13#主桁架Y形柱应力增量对比

5.2.2 22#主桁架Y形柱

图8给出了卸载期间22#主桁架柱应力变化曲线。9月3日8点，随着临时支架卸载施工的开始，Y形柱的各测点应力均呈逐步增大趋势，截至当日20点（当日施工结束），各测点应力变化趋于平稳；至9月4日7点（第2天施工开始），柱测点应力先呈递减趋势（受压），在10点左右开始呈逐步增大趋势，截至当日19点（卸载施工结束），各测点应力趋于平稳。

图8 22#主桁架Y形柱应力变化曲线

在临时支撑卸载过程中，22#主桁架柱应力增量在－25～20 MPa范围内变化，主要在施工期间受卸载效应影响，各测点应力不同程度地呈现增大/减小趋势。22#主桁架柱应力数值模拟增量与实测增量对比见表3，经对比分析得出，实测应力增量均小于理论应力增量。

表3 Y形柱应力增量对比

5.3主桁架

图9给出了卸载期间主桁架应力变化曲线。9月3日8点，随着临时支撑卸载施工的开始，桁架各测点应力均呈逐步增大趋势，截至当日20点（当日施工结束），各测点应力变化趋于平稳；至9月4日7点（第2天施工开始），桁架各测点应力先呈递减趋势（受压），在10点左右开始呈逐步增大趋势，截至当日19点（卸载施工结束），各测点应力趋于平稳。