钢网壳结构工程安装监测技术应用与应力分析

2024-01-18陈尚文赵增超蔡吴和曾强强

智能建筑与智慧城市 2024年1期

陈尚文，赵增超，蔡吴和，曾强强

（1. 中能建建筑集团有限公司；2. 中电投工程研究检测评定中心有限公司）

1 引言

结构健康监测是一项涉及工程、科学和技术领域的重要实践，旨在实时、无损地评估和监测各种结构的状态和性能。对于确保建筑和基础设施的可靠性、安全性和可持续性至关重要。结构健康监测通常包括数据采集和传感器技术，数据分析和处理，结构健康评估，实时监测和警报，维护和维修决策等关键方面。这一领域的不断进步将持续改善我们周围建筑和基础设施的质量和可靠性[1]。

2 项目概况

南浔国际会展中心位于浙江省湖州市南浔新区，其中5#国际会议中心为幕墙钢网壳工程，该建筑主要分为内外两部分，内部为钢骨混凝土框架结构，外部为单层球形网壳结构，网壳结构除入口处梁柱构件截面为矩形管外，其余杆件为H 型钢，如图1所示。

由于一些特殊原因，本项目施工过程存在诸多不确定性。在设计方面：单层网壳结构用于大悬挑，在国内为数较少，设计及施工经验少；在受力方面：结构的传力较曲折复杂，节点构造复杂。在加工制作方面：杆件，节点精度控制难度大，单片网壳制作精度要求高。在施工安装方面：现场测量定位难度大，单片吊装控制难度大，制作安装工期紧、焊接质量等因素的存在。

基于本项目上述特点，施工过程中对结构施工过程的监测尤为重要。根据施工方案总体部署，本钢网壳结构分四段标高进行拼接与安装，最后进行胎架拆卸，自下而上分为一区～三区。单层网架结构施工阶段的监测重点应分布在每段网架结构上，安装阶段主要监测项目为应力应变。

3 监测方案

3.1 主体方案

安装与拼接阶段应力应变监测主要采用应变传感器，关键流程为应力应变测点的选取与应变传感器的安装。传感器选用振弦式应变计。

根据对多种应力应变传感器的性能比较，考虑要适合长期观测并能保证足够的精度，南浔国际会展中心宴会厅钢结构项目选用表贴式振弦应力应变传感器测量外层球形网壳结构表面应力应变，该种传感器具有很高的精度和灵敏度、卓越的防水性能、耐腐蚀性和长期稳定性。

3.2 作业方法

3.2.1 测点布置

根据会展中心钢结构施工部署、理论计算分析以及相关要求，确定需要监测应力的杆件。网壳结构吊装阶段，选取1a-3、1b-4、1b-11、1b-15、1b-17、2a-18、2a-36 等共14 块网架结构进行监测，每块网架安装2 个应变传感器，共安装28 个应变传感器，如图2所示（一区为例）。

图2 应力监测点分布

结构应力应变测点布置原则：

①应力变化显著或应力水平较高的构件，如合龙缝2b-31、2#塔吊洞口位置2a-41、42等位置；

②承受较大施工荷载的构件或节点，如重量较大的网架结构1b-11、支座与胎架等位置；

③遵循“整体布置、局部对称”原则，同时利用结构对称性，减少测点布置数量，反映结构受力状态，又考虑经济性；

④能反映网壳结构的实际状态及变化趋势，且布置在构件应力应变值最大的位置。

3.2.2 传感器安装

将钢结构表面用粗纱布做打平处理，采用结构胶粘贴。待胶完全固化3小时后，测量应变值，应能稳定，否则要重新安装。同一块网架设置横向（1）和纵向（2）两个传感器，分别垂直和平行于翼缘，如图3所示。

图3 振弦式应变计安装示意图

4 监测数据分析

钢网架安装与拼接阶段，每日分早、中、晚三次测量已安装传感器的应变值，进而求出应力值。

4.1 应力-时间曲线分析

由于监测数据样本量过大，从一、三区各取一处网架的日均应力值绘制应力-时间曲线，如图4所示，可见安装阶段各网架杆件应力基本在0～25MPa 之间上下浮动，整体较为稳定，当周围有网架开始安装时，可能出现个别应力突变点。

图4 各区网架杆件应力-时间曲线

4.2 应力峰值分析

实际施工过程中，网架所受应力最大值往往对工程施工安全起到了决定性作用，取安装阶段所有监测网架的应力峰值进行对比，如图5所示。

图5 各网架应力峰值对比

根据项目建设单位提供的设计分析结果，计算出设计验算值（305MPa），分别取设计验算值的70%（213.5MPa）和50%（152.5MPa）作为红色预警与黄色预警阈值，当应力值达到预警阈值的70%时，发出预警，即黄色预警应力值为122MPa，红色预警应力值为170.8MPa。可见，钢网架施工期间，一区～三区网架应力峰值分别41.38MPa，62.98MPa，85.27MPa，均远远小于设计预警值。在实际施工过程中也并未出现因应力过大导致的诸如结构失稳，杆件破坏等恶性结果，间接验证了监测数据的有效性。

4.3 各网架应力横向对比

4.3.1 实测值对比

将钢网架全部拼装完成后同一日内各网架监测应力日均值进行横向对比，如图6所示。

图6 各网架应力横向对比

据图7可得，拼装完成稳定后至卸载前，整体应力水平按大小依次为二区＞一区＞三区，峰值应力为44.25MPa，因此在今后类似的施工监测中，应加强对结构中部网架结构的应力监测。

图7 网架模型及应力分布

4.3.2 理论值分析

采用有限元软件Midas/Gen 对本工程钢网架进行建模计算，屋盖单层网壳杆件均为梁单元，屋盖结构柱下部和斜撑考虑为铰接，材料为Q355钢。安装稳定后应力分布如图7所示，经计算，安装稳定后应力峰值为56.1MPa，出现在二区与三区交界处，与实测值峰值出现区域相近。造成理论计算结果与实测结果不符的原因主要为：实际结构与理论抽象模型有所不同，在结构连接、边界条件、温度等方面，实际情况远比理论计算复杂，且理论计算在结构自重等方面均考虑最不利工况，但理论计算仍具有一定的指导意义[2-3]。