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復(fù)雜鋼筋結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)與過程仿真分析報(bào)告-在線瀏覽

2024-09-13 02:34本頁(yè)面
  

【正文】 國(guó)內(nèi)外一些院校和研究部門也做出了一些有效的探索工作:國(guó)外的研究開展于1982年,劉西拉、WaiFa [8~11],利用有限元方法分析了施工荷載在彈性支撐桿件條件下的傳遞情況,并重點(diǎn)考慮了支撐和混凝土樓板因?yàn)榛炷恋挠不饔枚斐傻膭偠茸兓?guó)內(nèi)的研究開展于1996年,李耀良基于虛擬施工平臺(tái),以鋼結(jié)構(gòu)施工為對(duì)象構(gòu)建了虛擬建造理論體系[12],并在上海正大商業(yè)廣場(chǎng)項(xiàng)目及廣州體育館等項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)施工中得到運(yùn)用,順利解決了諸如構(gòu)件節(jié)點(diǎn)多、安裝空間狹窄等問題,為該研究領(lǐng)域作了非常有成效的探索。之后國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者分別針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)類型展開了研究,2007年,張慎偉、張其林等人針對(duì)北京奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館的雙向張弦網(wǎng)格結(jié)構(gòu),分別進(jìn)行了施工過程的仿真分析計(jì)算和施工過程監(jiān)測(cè)[14],結(jié)果顯示該分析軟件和技術(shù)方法可以有效的對(duì)大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。他們的這些有益的探索,表明了有限元仿真分析在不同結(jié)構(gòu)類型的復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)工程施工中的普遍應(yīng)用性。范重等人[18]基于生死單元技術(shù),對(duì) “鳥巢”施工階段的臨時(shí)支撐體系的反力進(jìn)行了計(jì)算,并估算了臨時(shí)支撐卸載階段鋼結(jié)構(gòu)的變形量。趙長(zhǎng)軍、范重等人以蘇州火車站鋼結(jié)構(gòu)施工過程為實(shí)例[19,20],基于SAP2000對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)分期施工和桁架分片滑移施工進(jìn)行了仿真分析,而且進(jìn)一步分析了結(jié)構(gòu)的分步卸載施工。田黎敏、郝際平[22]等人以深圳世界大學(xué)生運(yùn)動(dòng)會(huì)主體育場(chǎng)工程為例,采用MIDAS根據(jù)實(shí)際施工情況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全過程模擬分析,確定了實(shí)際施工順并驗(yàn)證了施工方法的正確性。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究范圍中,針對(duì)懸挑區(qū)的結(jié)構(gòu)仿真分析及施工監(jiān)測(cè)的研究尚不多見。 復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀由于復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)體系龐大復(fù)雜,多樣化的結(jié)構(gòu)施工方式、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)施工工藝都會(huì)對(duì)施工過程中結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生影響。除此之外,在施工過程中更存在著許多未知的因素,都會(huì)造成結(jié)構(gòu)在施工期間的安全性能降低,嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)在施工中發(fā)生塌陷、失穩(wěn)破壞等事件。上世紀(jì)80年代初,日本在建造Yokohama橋和Chichby橋時(shí),以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)為平臺(tái),研發(fā)了一套自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用此項(xiàng)技術(shù),可以大幅度提升工程施工進(jìn)度,并提高工程施工過程的安全性和構(gòu)件安裝精度,為施工監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了良好的借鑒[23]。在1995年,美國(guó)政府更是在90座大壩上安置了監(jiān)測(cè)設(shè)備,取得了良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。香港首先在新建成的汲水門等橋上安裝了 “結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”,通過監(jiān)測(cè)外來荷載(如車輛荷載、風(fēng)荷載等)對(duì)橋梁受力的影響以確保橋梁在運(yùn)營(yíng)階段的安全性能。歐進(jìn)萍院士等人針對(duì)渤海的海洋平臺(tái)研究開發(fā)了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)海洋平臺(tái)的運(yùn)行情況,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益[26]。在大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,業(yè)界都還缺少系統(tǒng)的理論體系研究和較大規(guī)模的應(yīng)用實(shí)例,目前已應(yīng)用的技術(shù)絕大多數(shù)都是直接監(jiān)測(cè)工程中特定構(gòu)件的靜態(tài)工作狀態(tài)??傮w來說,施工人員針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況,選定出最合適的監(jiān)測(cè)技術(shù)及方法。 復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工方法復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多變也決定了其施工方法的多樣。因此,對(duì)于每個(gè)不同的建筑,都會(huì)存在著一個(gè)不同的結(jié)構(gòu)體系,合理制定施工方法將直接關(guān)系到工程的施工安全性、進(jìn)度、竣工質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)成本。 高空散裝法高空散裝法[38,39] 指的是將建筑結(jié)構(gòu)的散拼構(gòu)件運(yùn)送至設(shè)計(jì)位置,并總拼成一個(gè)整體的施工方法。其中全支架法最為常用,適用于一般的散件拼裝過程;而懸挑法則將部分結(jié)構(gòu)懸挑并將小構(gòu)件運(yùn)送至高空進(jìn)行總拼的情況,從而起到了節(jié)省支架的目的。高空散裝法的優(yōu)點(diǎn)是可以用簡(jiǎn)單的起重運(yùn)輸設(shè)備對(duì)構(gòu)件進(jìn)行垂直運(yùn)輸,如果單個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量輕,不使用起重設(shè)備亦可完成拼裝,該施工方法適用范圍廣泛、受場(chǎng)地限制少。在北京奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館“鳥巢”即采用散裝法施工。因此,在結(jié)構(gòu)施工之前,需要依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地條件制定多種施工安裝方案,并對(duì)臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定及變形驗(yàn)算,使其均能滿足規(guī)范要求。 分條安裝法分條安裝法[40]是指按照結(jié)構(gòu)的組成特點(diǎn)將其整體劃分成直線型條狀或平面型塊狀單元,使用起重設(shè)備按照順序依次吊裝至設(shè)計(jì)位置進(jìn)行總體拼裝,從而完成結(jié)構(gòu)整體的安裝方法。在分條安裝法施工過程中,影響結(jié)構(gòu)體系及施工系統(tǒng)受力性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括:①劃分桁架或網(wǎng)架單元;②需要對(duì)網(wǎng)架或桁架的撓度進(jìn)行調(diào)整,這要求施工人員在施工中采取預(yù)起拱措施,用來保證施工完成后結(jié)構(gòu)標(biāo)高滿足預(yù)期要求;③嚴(yán)格控制網(wǎng)架尺寸。福建省漳州市后石電廠圓形煤場(chǎng)網(wǎng)殼工程的施工中就采用該方法。高空滑移法的操作大部分是在高空中移動(dòng)安裝構(gòu)件,且諸多設(shè)備布置于建筑結(jié)構(gòu)的四周,施工階段受建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)部作業(yè)的影響非常小。由于構(gòu)件通過滑軌緩慢地運(yùn)送至安裝位置,不需要大型起重機(jī)或牽引設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn),有利于控制施工成本。在滑移法施工過程中,影響施工過程中結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括:①頂錐點(diǎn)數(shù)量和布置位置的確定;②滑移軌道數(shù)量及位置的確定;③滑移過程中會(huì)存在著軌道卡住構(gòu)件的情況,這就要求在施工中要緩慢平穩(wěn)地滑移,且每隔一段時(shí)間監(jiān)測(cè)待裝構(gòu)件與滑軌的相對(duì)位置,以保障滑移過程的同步協(xié)調(diào)性;④結(jié)構(gòu)梯形邊界條件的變化。常采用的方法包括:整體吊裝法、整體提升法、整體頂升法。,深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院游泳館的屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工就是先在地面上將桿件焊接成屋蓋梁,再采用整體吊裝法將其吊裝到設(shè)計(jì)位置處進(jìn)行連接安裝。將網(wǎng)殼在地面上折疊起來,可以盡可能的降低結(jié)構(gòu)安裝的高度。 (a)地面安裝,準(zhǔn)備提升(b)提升過程(c)提升就位 折疊展開施工法施工示意圖 本文的主要研究?jī)?nèi)容復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)的施工的過程中通常會(huì)伴隨著受力特性和結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化,各個(gè)施工階段的邊界及荷載條件也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。采用施工過程仿真分析與施工監(jiān)控就具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。本文針對(duì)這部分A1地塊項(xiàng)目懸挑區(qū)域,進(jìn)行施工全過程仿真分析與施工監(jiān)測(cè),有如下的研究?jī)?nèi)容:(1)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的安裝方法分析復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的施工方法很多,對(duì)于不同形式、類別的結(jié)構(gòu),所選用的安裝方法也是不同的。在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)期間,依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的人、料、機(jī)配置情況,對(duì)商業(yè)區(qū)斜鋼柱安裝選擇制定合理的施工方法。此外,在A1地塊懸挑區(qū)域施工階段對(duì)構(gòu)件撓度進(jìn)行監(jiān)測(cè),工程共擬定4個(gè)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn),共計(jì)布置21個(gè)撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)施工階段獲取可靠的監(jiān)測(cè)結(jié)果,方便判別結(jié)構(gòu)不同施工階段的受力狀態(tài)和性能,為下一階段施工方案的制定提供依據(jù)。仿真分析階段要仔細(xì)考慮結(jié)構(gòu)自重及施工荷載的影響。期間對(duì)懸挑區(qū)域臨時(shí)支撐卸除進(jìn)行模擬仿真。大跨梁下支撐點(diǎn)在L04安裝完后即可拆除。(4)理論模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析工程采用振弦式應(yīng)變儀對(duì)指定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)。 2 北辰三角洲A1地塊懸挑結(jié)構(gòu)施工仿真本章節(jié)是以長(zhǎng)沙北辰三角洲A1地塊項(xiàng)目懸挑區(qū)鋼結(jié)構(gòu)施工為例,采用MIDAS/Gen軟件對(duì)其鋼結(jié)構(gòu)施工全過程進(jìn)行仿真分析,為工程施工方案的制定以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供可靠依據(jù)。北辰三角洲的西北區(qū)(命名A1地塊)包括酒店、商業(yè)、寫字樓等綜合公共建筑共計(jì)32萬(wàn)m2。采用多跨鋼結(jié)構(gòu),平面呈小鳥形狀,輪廓尺寸約為240m170m。懸挑區(qū)域結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、施工面積大、工程整體工作量大、單體構(gòu)件較重、空間定位困難,施工難度很大。現(xiàn)將北辰三角洲A1地塊懸挑區(qū)域施工控制技術(shù)路線敘述如下:首先,依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)規(guī)范確定施工控制的總體控制目標(biāo)。其次,根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工方案確定結(jié)構(gòu)施工過程的不同階段,不同施工階段的劃分必須保證結(jié)構(gòu)施工過程的分析進(jìn)度,然后適當(dāng)控制階段數(shù)量,減少結(jié)構(gòu)施工工程分析的工作量。第四,在施工過程分析成果的基礎(chǔ)上,初步確定施工控制的階段控制目標(biāo),作為施工控制可操作性的依據(jù)。第六,根據(jù)階段控制目標(biāo),通過預(yù)變形,預(yù)起拱等技術(shù)對(duì)施工過程中結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)、內(nèi)力與穩(wěn)定等進(jìn)行控制。第八,從結(jié)構(gòu)已完成的狀態(tài)開始,重新推演結(jié)構(gòu)變形過程,確定下一階段的控制目標(biāo),采取合適的技術(shù)進(jìn)行施工控制,如此循環(huán)直至施工結(jié)束。懸挑區(qū)域同時(shí)存在部分超重鋼梁截面尺寸大,安裝困難。施工階段對(duì)較重鋼柱、鋼梁采取分段運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng),再在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼接后整體吊裝。在進(jìn)行大跨梁安裝時(shí),應(yīng)合理布置臨時(shí)支撐點(diǎn),以保證整個(gè)施工過程的安全。在施工中使用支撐,可以有效地提高結(jié)構(gòu)體系在成型之前的受力性能;降低大跨梁、大懸挑結(jié)構(gòu)的撓度,便于施工階段的安裝。采用計(jì)算機(jī)仿真分析整個(gè)懸挑區(qū)的安裝過程,包括位移分析、支撐及卸除過程分析。 臨時(shí)支撐的布置及構(gòu)造措施臨時(shí)支撐在大跨度、大桁架結(jié)構(gòu)施工中有諸多優(yōu)點(diǎn),但臨時(shí)支撐會(huì)改變結(jié)構(gòu)體系的受力狀態(tài),會(huì)增加支承體系及其臨近區(qū)域的應(yīng)力?,F(xiàn)對(duì)北辰三角洲A1地塊臨時(shí)支撐的布置進(jìn)行介紹:(1)臨時(shí)支撐布置位置 斜柱支撐位置示意圖,斜柱支撐布置于斜鋼柱接口處,共布置7處支撐,方便斜鋼柱的對(duì)接安裝,增加施工過程中的安全性。為確保施工安全,梁上起柱處大跨梁下方需設(shè)置臨時(shí)支撐,圖中圓圈位置即表示梁下支撐位置。大跨梁下支撐點(diǎn)1113號(hào)點(diǎn)在L04安裝完后即可拆除,剩余支撐待懸挑區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)全部完工,并形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系后開始卸除。第一道措施采用攬風(fēng)繩加固,從頂部向下拉在鋼支撐約1/3處,且調(diào)整攬風(fēng)繩角度不大于60186。第三道措施用[10的槽鋼將支撐與鋼柱進(jìn)行連接,拉條高度設(shè)置在支撐高度的2/3以上。綜合考慮機(jī)械、人員配置以及各方面因素,決定將斜柱分段運(yùn)送,并在現(xiàn)場(chǎng)拼裝完畢后,再利用起重機(jī)進(jìn)行吊裝。所用馬凳現(xiàn)場(chǎng)用槽鋼直接制作。 (a)馬凳 (b)馬凳沿直線擺放 (c)焊接三角形鐵板 (d)馬凳拼接鋼柱 馬凳拼接鋼柱流程圖,現(xiàn)場(chǎng)制作馬凳,馬凳由槽鋼制作,為方便鋼柱拼裝及焊接等操作,馬凳高度大約為900mm。標(biāo)高固定后,將兩節(jié)對(duì)接的鋼柱分別放置在馬凳上。②鋼柱的吊裝鋼柱拼接完成后,先仔細(xì)統(tǒng)計(jì)各鋼柱質(zhì)量以確定選用何種類型的機(jī)械,使用履帶吊進(jìn)行跨外吊裝。需要對(duì)吊點(diǎn)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì),在吊裝之前應(yīng)根據(jù)斜柱子的角度,計(jì)算出最合適的吊點(diǎn),以方便現(xiàn)場(chǎng)的安裝。 斜柱安裝圖 懸挑區(qū)剩余構(gòu)件安裝整個(gè)懸挑區(qū)域的安裝,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地情況、構(gòu)件重量、安裝位置等各方面因素綜合考慮,總體為由內(nèi)往外逐步安裝。可以采用履帶吊跨外吊裝,履帶吊雙機(jī)抬吊等措施。在每個(gè)不同的施工階段,都會(huì)伴隨著結(jié)構(gòu)形式的變化。當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入下一個(gè)施工階段時(shí),新加入的構(gòu)件或荷載會(huì)使結(jié)構(gòu)處于一個(gè)不同的平衡狀態(tài)。因此,結(jié)構(gòu)施工階段的受力特點(diǎn)與設(shè)計(jì)狀態(tài)是存在著很大的區(qū)別。目前常用是有限元仿真分析法,主要包括生死單元法和逐步建模分析法。生死單元法[46,47]通過控制結(jié)構(gòu)單元的“生”和“死”來模擬實(shí)際施工階段構(gòu)件的狀態(tài)變化,通常用“活單元”和“死單元”來表示。生死單元法可以理解為通過修改單元的剛度矩陣來模擬施工過程中構(gòu)件的安拆。當(dāng)施工到了階段1,率先“激活”施工階段1的單元,并計(jì)算該施工階段1對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)荷載。如此反復(fù)操作直至結(jié)構(gòu)達(dá)到竣工狀態(tài),可實(shí)現(xiàn)分析施工全過程變目的。此時(shí)“死單元”的質(zhì)量、荷載及其他相關(guān)特性都將接近于零,雖然它仍出現(xiàn)在單元列表上,但它在力學(xué)性質(zhì)上是處于一種“死”狀態(tài),這種“死單元”對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響非常的小。整個(gè)施工過程中,雖然“死”單元的物理、力學(xué)特性為零,但它仍會(huì)跟隨“活”單元發(fā)生應(yīng)變。根據(jù)生死單元法的基本原理和基本流程可以知道,采用生死單元法對(duì)不同施工方法進(jìn)行過程模擬分析是十分便利的。但對(duì)于大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)類型,采用生死單元技術(shù)進(jìn)行仿真模擬結(jié)構(gòu)的施工全過程會(huì)存在一定的問題?!八馈眴卧摹捌啤弊饔貌灰卓刂疲幚聿缓脮?huì)導(dǎo)致單元“激活”時(shí)的剛度矩陣發(fā)生錯(cuò)誤,使結(jié)構(gòu)處于一種“畸變”的形態(tài),這將與現(xiàn)實(shí)情況存在較大的差距,最終往往求解失敗。這樣依照施工順序一邊建立模型一邊求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變,可以有效地模擬仿真施工全過程。逐階段建模法是最為常規(guī)的施工過程分析方法,應(yīng)用也最為廣泛。每個(gè)施工階段的有限元方程為:施工第一階段 () ()施工第二階段 () ()…… ……施工第n階段 () ()式中: 為到施工階段時(shí),結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣; 為到施工階段時(shí),結(jié)構(gòu)的總位移向量;為到施工階段時(shí),結(jié)構(gòu)的總節(jié)點(diǎn)荷載向量;為到施工階段時(shí),結(jié)構(gòu)桿單元的剛度矩陣;為到施工階段時(shí),結(jié)構(gòu)的幾何矩陣;為到施工階段時(shí),結(jié)構(gòu)的內(nèi)力向量。再針對(duì)每個(gè)施工階段建立獨(dú)立的有限元模型,然后施加每個(gè)階段對(duì)應(yīng)的荷載及邊界條件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解,由施工階段1直到施工階段n,即工程達(dá)到竣工狀態(tài)。 有限元模型建立要點(diǎn)北辰三角洲A1地塊懸挑區(qū)結(jié)構(gòu)的不同的施工階段受力明確,需要對(duì)每個(gè)施工階段完成后的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行分析。影響MIDAS/Gen模型的有限元分析主要有三個(gè)要點(diǎn):節(jié)點(diǎn)、單元和邊界條件。軟件基于有限元理論對(duì)結(jié)構(gòu)的整體或局部構(gòu)件進(jìn)行理論分析及設(shè)計(jì),可以定性定量分析結(jié)構(gòu)體系的受力及變形狀態(tài)。根據(jù)建筑、結(jié)構(gòu)圖,選擇結(jié)構(gòu)的材料、截面,再布置節(jié)點(diǎn)、單元。③根據(jù)工程
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