張弦梁體系安裝數(shù)值仿真及監(jiān)控施工工法(附圖)

1、張弦梁體系安裝數(shù)值仿真及監(jiān)控施工工法 二零一四年二月張弦梁體系安裝數(shù)值仿真及監(jiān)控施工工法1 前言目前各地正在興建眾多的大跨度建筑，如體育場館、展覽會堂等。這些建筑往往成為當?shù)氐貥诵越ㄖ?。大跨度建筑屋面系統(tǒng)經(jīng)常采用張弦梁體系。張弦梁體系的特點在于引入了預應力高強鋼索。鋼索索體強度通?？蛇_到1670兆帕。高強材料引入意味著構件截面更小，實現(xiàn)了更為輕盈的建筑效果。對鋼索施加預應力，一方面可以為結構提供反拱，有效改善了大跨度結構撓度過大的問題；另一方面可以改善結構的應力分布，降低了結構造價。因此張弦梁體系是一種大有可為的新型結構體系。但是張弦梁體系對于安裝施工有著特殊要求。設計單位給出的是安裝施工完成

2、時的索力和形狀（施工完成態(tài)）。施工單位需進行數(shù)值仿真計算，預測施工開始時的結構形態(tài)（施工初始態(tài)），經(jīng)過鋼結構安裝施工和索張拉后是否能達到施工完成態(tài)的要求。同時，在安裝施工過程中也需要對索力及結構形狀進行實時監(jiān)控，并與數(shù)值仿真計算結果對比，及時進行糾偏，保證施工完成態(tài)符合設計要求。嘉定體育中心（一期）新建工程位于上海市嘉定區(qū)，競賽館屋面采用了空腹式張弦桁架體系，平面尺寸為66.0x73.8米?？崭故綇埾诣旒荏w系作為一種新型的大跨度張弦梁結構，具有無桁架斜腹桿，建筑造型簡潔通透的優(yōu)點。本公司在該項目施工中，研究了安裝過程動態(tài)仿真，以及索力監(jiān)控等施工關鍵技術，結合PDCA項目管理方法，形成了本工法。

3、2 工法特點本工法的兩大核心內(nèi)容為施工過程動態(tài)仿真以及施工過程信息化監(jiān)控。施工過程動態(tài)仿真的主要內(nèi)容為通過建立基于時間軸的三維動態(tài)模型，模擬整個施工周期內(nèi)的張弦梁體系成型過程。通過計算可以得到結構關鍵點的應力及變形時程，從而選擇合理施工方案，指導鋼結構深化設計，從預案上使得施工完成時的張弦梁屋蓋形狀符合建筑要求，并確保張弦梁體系施工過程的結構安全。施工過程信息化監(jiān)控的主要內(nèi)容為通過無損數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對整個施工周期內(nèi)關鍵點的應力、位移進行監(jiān)控，及時進行糾偏，從實測上保證結構安全，并保證施工完成時的形狀符合建筑要求。對于張弦梁中的索力監(jiān)控，本工法采用了專門研制的數(shù)顯式電子索力監(jiān)測儀，對拉索進行無損

4、監(jiān)控。本工法所研發(fā)的數(shù)顯式電子索力監(jiān)測儀已申請國家專利。本工法實現(xiàn)了張弦梁體系施工過程的可預見性、可控性，保證了施工過程的結構安全，以及施工完成后索力和結構變形符合設計要求。經(jīng)實踐驗證，提高了施工質量，節(jié)約了施工工期，降低了工程造價，取得了顯著效益。3 適用范圍本工法適用于各類張弦梁體系的施工，如空腹式張弦桁架、弓式張弦梁、輪輻式張弦梁等。4 工法原理4.1 施工過程動態(tài)仿真原理建立結構三維動態(tài)模型，考慮索的大變形特點，采用非線性有限元法進行施工過程時程分析。結構單元（比如邊跨張弦梁和中間跨張弦梁）出現(xiàn)的時刻依據(jù)施工方案，同時有部分結構單元會在后期消失（如臨時支撐）。結構上的荷載出現(xiàn)的時刻也依

5、據(jù)施工方案（比如主索張拉的力度和階次）。因為索結構的幾何非線性，采用不同的施工方案，其仿真運算的結果不同，體現(xiàn)了非線性結構的路徑相關性。應用計算結果指導鋼結構制作及安裝，選擇合理的施工方案，確定預應力的梯度和施加順序。施工過程動態(tài)仿真符合了PDCA項目管理方法中對于預先計劃的要求。4.2 施工過程信息化監(jiān)控原理施工過程信息化監(jiān)控原理為對施工全過程的結構關鍵點進行監(jiān)測，并與施工動態(tài)仿真結果進行對比，及時進行糾偏。施工過程信息化監(jiān)控符合了PDCA項目管理方法中對于過程監(jiān)測及糾偏的要求。施工過程監(jiān)控的信息化主要體現(xiàn)在采用電子設備進行監(jiān)測和記錄。整個施工過程歷時長，觀測位置不易接近，為節(jié)約人力及保障人

6、員安全，宜用電子設備進行數(shù)據(jù)的采集和記錄。監(jiān)控設備不能影響各結構構件的受力性能，因此宜采用無損方法進行應力監(jiān)測。針對張弦梁體系索的無損監(jiān)控難題，研發(fā)了數(shù)顯式電子索力監(jiān)測儀。電子索力監(jiān)測儀原理如下： 測桿十字頭支座鎖母固定端抱箍測量端抱箍測量裝置測量裝置原理圖數(shù)顯式電子索力監(jiān)測儀由測量裝置,數(shù)顯表及電控箱組成，可實現(xiàn)對索力的持續(xù)測量監(jiān)控。5 施工工藝流程及操作要點5.1 工藝流程建立三維動態(tài)模型依據(jù)備選施工方案進行非線性時程分析得到各方案結構關鍵點位移及索力的仿真時程曲線與設計方提供的結構形狀及索預應力對比，確定最優(yōu)施工方案依據(jù)最優(yōu)施工方案，確定結構起拱量，指導鋼結構深化設計依據(jù)深化設計圖，進行

7、構件制作實時監(jiān)控結構關鍵點位移及索力，并與仿真時程曲線對比依據(jù)對比結果，調整索張拉的力度和順序，及時進行糾偏達到預定結構形狀及索預應力鋼結構安裝完成依據(jù)最優(yōu)施工方案，進行鋼結構安裝圖5.1.1 施工流程圖5.2 建立三維動態(tài)模型5.2.1建立三維整體模型因為鋼結構為空間體系，整體受力，所以仿真計算模型必須采用三維整體模型?？刹捎肅AD軟件建立空間線框模型。建模型時應注意尺寸需精確到毫米。CAD軟件具有數(shù)據(jù)精確，空間造型能力強的優(yōu)點?？臻g線框模型建好后，可保存為DXF格式，并導入有限元軟件。有限元軟件可采用SAP2000或MIDAS等通用有限元程序。DXF格式可被大多數(shù)的有限元軟件讀取，是數(shù)據(jù)交

8、換的中間站。在有限元軟件中賦予線框單元屬性。桁架采用空間梁單元。索應采用索單元。考慮索的大變形因素，同時需打開索單元的幾何非線性開關，這樣可以充分模型張拉時索的伸長。以嘉定體育中心競賽館張弦桁架為例，拉索采用高釩索，拉索索體公稱抗拉強度為1670MPa,，鋼索公稱直徑為90mm。張弦桁架總計8榀，高釩索總計8根。張弦桁架立面圖見下圖：結構平面布置見下圖：根據(jù)設計圖建立整體計算模型。圖5.2.1 整體計算模型（骨架效果圖）圖5.2.2 整體計算模型（線框圖）5.2.2 賦予各結構單元時間特性賦予各結構單元時間特性，就是確定各結構單元何時出現(xiàn)。這樣就把整體模型轉化為了三維動態(tài)模型?？梢栽谟嬎丬浖?/p>

9、把構件分組，并制定各組出現(xiàn)的時間。這是建立動態(tài)仿真模型的關鍵。將整個施工過程劃分為數(shù)個時間步（階段），每個時間步上的模型因各組的組合不同，因此各不相同，形成了動態(tài)模型。以嘉定體育中心工程為例，各組出現(xiàn)的順序為：第一階段，第一組出現(xiàn)（第一榀）第二階段，第二組出現(xiàn)（第二榀）第三階段，第三組出現(xiàn)（第三榀）第四階段，第四組出現(xiàn)（第四榀）第五階段，第五組出現(xiàn)（第五榀）第六階段，第六組出現(xiàn)（第六榀）第七階段，第七組出現(xiàn)（第七榀）第八階段，第八組出現(xiàn)（第八榀）第九階段，第九組出現(xiàn)（端跨構件）第十階段，檁條及屋面板自重荷載出現(xiàn)5.3非線性時程分析及仿真時程曲線索為高柔性單元，需要考慮大變形因素帶來的幾何非線性

10、。進行分析時需打開有限元軟件的時程分析功能，得到對應各階段的結構關鍵點應力和位移。為防止索受力超載，影響結構安全，應重點關注索力的時程曲線。同時，施工完成態(tài)的位型也直接影響建筑造型，因此關鍵點的位移也需要加以監(jiān)控。以嘉定體育中心工程為例，選取四處索力時程曲線及兩處位移時程曲線加以說明。C點F點E點B點A點D點圖5.3.1 索力關鍵點布置圖此四個點的時程曲線計算結果為：A點索力時程曲線（單位KN）B點索力時程曲線（單位KN）C點索力時程曲線（單位KN）D點索力時程曲線（單位KN）E點豎向位移曲線及F點水平位移曲線為：E點豎向位移曲線（單位mm，向上為正）F點水平位移時程曲線（單位mm，向外為正）

11、5.4 確定最優(yōu)施工方案及深化設計根據(jù)各備選施工方案的仿真計算結果，可以選擇施工完成態(tài)最為接近設計給定的，糾偏工作量最小的施工方案，這就是最優(yōu)的施工方案。根據(jù)仿真計算結果，可以指導鋼結構深化設計，合理確定結構反拱值，以降低工程造價。以嘉定體育中心工程為例，通過數(shù)值仿真，考慮糾偏工作量最小，確定了最優(yōu)施工方案為：步驟一：第一榀桁架拼裝到位。步驟二：第二榀桁架拼裝到位。步驟三：安裝兩榀桁架之間的構件，并隨之安裝吊桿、拉索并張拉第一榀桁架。步驟四：將第二榀桁架滑移至第一榀桁架位置為止，安裝第二榀桁架拉索并張拉。步驟五：安裝第三榀桁架及與第二榀桁架之間的構件：步驟六：進行桁架滑移，將第三榀桁架滑移至第

12、二榀的位置，并隨之安裝第三榀拉索并張拉。步驟七：重復以上操作，直至8榀桁架張拉完畢。通過數(shù)值仿真，根據(jù)計算結果，采用最優(yōu)施工方案的話結構可不用預先起拱，施工完成態(tài)結構各控制點形狀與設計給定值偏差均小于20mm，滿足設計要求，保證了建筑效果。并且按此施工順序，施工完成時索的內(nèi)力與設計給定值偏差均小于5%，滿足設計要求，避免了索的補張拉，節(jié)省了糾偏的工作量和時間。據(jù)此確定深化設計全模型為：深化設計整體模型因為深化設計可不起拱，所以減小了構架加工長度，節(jié)約了材料用量。同時數(shù)值仿真計算顯示張拉過程中桁架節(jié)點出現(xiàn)較大應力，采用加腋的方法對空腹桁架弦桿與腹桿連接節(jié)點區(qū)域進行了加強，保證了結構安全。深化設計

13、單元模型5.5 鋼結構安裝，索力、位移監(jiān)控及糾偏確定最優(yōu)施工方案后，按最優(yōu)施工方案進行鋼結構安裝及索力、位移監(jiān)控。鋼結構安裝應嚴格依據(jù)數(shù)值仿真的各時間步（階段）。索力的監(jiān)控應采用無損檢測方式，并進行全過程的記錄。采用數(shù)顯式電子索力檢測儀，較之常用的應變片的方法，對索的影響更小，而且便于拆裝，可重復利用。位移監(jiān)控可采用全站儀進行監(jiān)控記錄。也可采用電子位移計，將測量結果直接引入計算機。當監(jiān)控結果與數(shù)值仿真相差較大時，應及時進行糾偏。糾偏可采用補張拉的方法，對索進行二次張拉。補張拉宜分階進行，每階補張拉后應檢測各控制點的數(shù)據(jù)。以嘉定體育中心為例，鋼結構安裝完全依據(jù)數(shù)值仿真選擇的最優(yōu)施工方案：首先拼裝

14、第一榀桁架，然后對第一榀拉索進行張拉；然后拼裝第二榀桁架，對第二榀拉索進行張拉；依次循環(huán)，直至八榀主桁架拼裝及張拉完成。然后散件拼裝法安裝南北兩側端跨構件。最后安裝屋面檁條及屋面板。安裝第一榀和第二榀安裝第三榀和第四榀安裝第五榀和第六榀安裝第七榀和第八榀安裝端跨及馬道、檁條安裝屋面板以下為索力監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場照片：安裝數(shù)顯式電子索力監(jiān)測儀測量讀數(shù)索力監(jiān)控采用的是數(shù)顯式電子索力監(jiān)測儀，關鍵點變形采用的是全站儀。經(jīng)全程監(jiān)控，A、B、C、D四點的實測索力時程曲線（實線為實測時程曲線，虛線為仿真計算曲線）為：A點實測索力時程曲線（單位KN）B點實測索力時程曲線（單位KN）C點實測索力時程曲線（單位KN）D

15、點實測索力時程曲線（單位KN）E點豎向位移實測曲線及F點水平位移實測曲線（實線為實測時程曲線，虛線為仿真計算曲線）為：E點豎向位移曲線（單位mm，向上為正）F點水平位移曲線（單位mm，向外為正）從時程曲線對比可以看出，采用數(shù)值仿真與實際監(jiān)控較為吻合，較好的指導了實際施工，在無需進行糾偏的情況下，保證了索力偏差不超過設定值的5%，關鍵點變形偏差不超過20mm，滿足了設計要求，保證了結構安全，降低了施工成本。6 材料與設備本工法的主要機具設備為位移、應力監(jiān)測儀器。位移可采用全站儀或電子位移計。應力監(jiān)測儀器可采用應變片、數(shù)顯式電子索力監(jiān)測儀等。索力無損監(jiān)控的關鍵設備可采用數(shù)顯式電子索力監(jiān)測儀，系統(tǒng)包

16、含測量裝置及數(shù)顯儀表：數(shù)顯式電子索力檢測儀系統(tǒng)構成數(shù)顯儀表參數(shù)如下：項目參數(shù)輸入電壓(V)85230功率(W)15重量(kg)1.28外形尺寸(mm)長寬高 295×195×66輸入信號TTL方波分辨率(um)1測量裝置參數(shù)如下：安裝完成后需要保證圖示中抱箍距離L=2000mm，調節(jié)固定端抱箍十字頭，使測桿可以順暢前后移動。調整測桿露出長度L1使側桿可以在L1位置前后能移動50mm，然后鎖緊十字頭上鎖母。實物照片見附圖。現(xiàn)場安裝位置安裝示意讀數(shù)示意7 質量控制7.1、質量控制依據(jù)的規(guī)范為：質量管理和質量保證 GB/T19000工程測量規(guī)范 GB 50026建筑工程施工質量驗

17、收統(tǒng)一標準 GB 50300鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范 GB502057.2數(shù)值仿真應采用兩種以上的計算軟件相互驗證，以保證仿真結果可靠。各控制點計算結果偏差應在10%以內(nèi)。7.3各測點應每天早、中、晚各記錄一次。7.4 當結構上新增荷載時，如安置馬道、安置檁條、安置屋面板等，應在變形及應力穩(wěn)定后及時記錄。當結構體系發(fā)生轉換時，如拆除臨時支撐、落于支座時，應在變形及應力穩(wěn)定后及時記錄。7.5 記錄數(shù)據(jù)時需同時記錄測量時刻的溫度，并對測量結果做溫度修正。7.6 同一點應間隔一分鐘讀取三次，取其平均值作為觀測結果。防止意外沖擊導致數(shù)據(jù)漂移。7.7 測量前需對數(shù)顯式索力監(jiān)測儀進行清零。并確認零值無漂

18、移后方可進行監(jiān)控。7.8 連接數(shù)據(jù)線時應保證接頭防潮防雨，避免雨水侵入。否則會造成數(shù)據(jù)失真。7.9現(xiàn)場安裝測量裝置時測桿不得相對抱箍旋轉，否則會損壞內(nèi)部元件，造成數(shù)據(jù)失真。8 安全措施8.1 對施工過程中所需的安全設施、設備及防護用品進行驗證和檢查，嚴禁劣質防護用品進入施工現(xiàn)場。8.2 現(xiàn)場臨時用電執(zhí)行JGJ462005施工現(xiàn)場臨時用電安全技術規(guī)范，做好檢查、驗收。8.3 施工過程中的洞口、臨邊、高處作業(yè)必須采取安全防護措施；底層的通道口要合理布置，其它地方必須封閉；工程高度超過30m的要設雙層防護棚，且間隔60cm。8.4 現(xiàn)場足額配置有效的消防器材，設專人負責管理。臨時用電設施等危險部位，

19、應設置明顯的安全警示標志。安全標志的設置必須符合國家標準的要求。8.5 測量裝置現(xiàn)場電源電氣連接必須由具有資質的電工進行操作。在雷雨天，應注意電氣線路的安全可靠。8.6 測量裝置及線纜應遠離明火及熱源。8.7 不得在測量裝置帶電的情況下拔插連接到測量裝置的數(shù)據(jù)線。測量裝置在監(jiān)控全過程應保證常電。9 環(huán)保措施9.1 施工現(xiàn)場將遵照中華人民共和國建筑施工場界噪聲限值（GB1252390）制定降噪的相應制度和措施。9.2對噪聲超標造成環(huán)境污染的機械施工，其作業(yè)時間限制在7：00至12：00和14：00至22：00之內(nèi)。9.3各項施工均選用低噪聲的機械設備和施工工藝。施工場地布局要合理，盡量減少施工對

20、居民生活的影響，減少噪聲強度和敏感點受噪聲干擾時間。9.4 施工現(xiàn)場設立專門的廢棄物臨時貯存場地，廢棄物應分類存放，對有可能造成二次污染的廢棄物必須單獨貯存、設置安全防范措施且有醒目標識。9.5 測量裝置所用元器件需經(jīng)環(huán)保認證，制作及使用過程不對環(huán)境產(chǎn)生污染。測量裝置表面油漆采用環(huán)保型水性漆。9.6 夜間作業(yè)時應防止光污染，夜間照明只照射施工區(qū)域，不影響周圍辦公區(qū)、居民區(qū)辦公及休息。9.7 選用的測量裝置應綠色節(jié)能。數(shù)據(jù)記錄及分析裝置盡量選用能耗低的節(jié)能產(chǎn)品。10 效益分析預應力施工工況為預應力鋼結構施工的一個重要環(huán)節(jié)。對于空腹式張弦桁架結構，需根據(jù)構件安裝情況及預應力施加方案，計算結構在此施

21、工工況下的應力和變形，并以仿真計算結果指導實際施工。為更好地監(jiān)控空腹式張弦桁架的初始應力和位型，宜對張拉施工過程作原位實時監(jiān)測。采用本工法體現(xiàn)了以下效益：10.1 優(yōu)選了施工方案，節(jié)約了過程中糾偏的時間和支出如果不進行仿真計算和索力監(jiān)控，就不能確定施工方案能夠達到預期的結構形狀和索力。這樣會造成施工盲目性，以及施工完成態(tài)的不可預見性。施工過程中如果出現(xiàn)了較大偏差，就會導致增加糾偏工作量，以致增加成本和拖延工期。采用數(shù)值仿真，可以精確模擬施工過程，從預案上保證張弦梁體系施工過程的結構安全，從預案上保證施工完成時的張弦梁屋蓋形狀符合建筑要求。從而避免了時間和費用增加，取得了可觀的效益。10.2 指

22、導了鋼結構深化設計，避免材料浪費及保證建筑效果進行仿真計算，避免了不合理起拱值造成材料的浪費，節(jié)約了造價。通過數(shù)值仿真及監(jiān)控，保證了建筑外形符合設計要求，也確保了建筑功能，創(chuàng)造了精品工程，增加了社會效益。10.3保證了施工過程中索力不超過限定值，保證了結構安全 進行索力實時監(jiān)控，確保索力不超過安全值。索結構的特點是一旦索超載被拉斷，將引進連鎖反應，造成結構的破壞。因此索力不超過設計范圍是保證結構安全的關鍵。10.4 實現(xiàn)了索力的無損監(jiān)測。數(shù)顯式電子索力監(jiān)測儀優(yōu)點在于不破壞索體，索體內(nèi)只要有一股鋼絲受損，就會造成整個索體的損壞。10.5 數(shù)顯式電子索力監(jiān)測儀可以重復使用，節(jié)約了設備成本。數(shù)顯式電子索力監(jiān)測儀拆裝方便，記錄數(shù)據(jù)簡單直觀，節(jié)約了大量的人力成本。并