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1、东航武汉分公司综合用房钢结构监测与分析 刘晓旭 蔡洁 湖北工业大学 摘 要： 东航武汉分公司综合用房的空间钢桁架, 在拆除临时支撑和浇筑混凝土过程中, 结构内力将会发生较大变化。为确定该过程中关键构件的安全性, 采用 ANSYS有限元软件进行初步结构内力分析, 并通过在施工过程中的现场实时监测, 将实测内力值与钢材屈服强度对比, 最终确定钢桁架在施工过程中处于安全状态。为类似的钢结构监测项目提供参考。关键词： 钢桁架; 内力; ANSYS; 监测; 1 工程概况本次监测项目的主体为东航武汉公司天河机场基地建设一期运行及信息服务综合用房 (简称:综合用房) 的 A 区与 B 区连体部分。该部分采
2、用空间钢桁架结构, 分为上下两层, 层间距为 8.9m, 跨度为 32.4m。在 V 轴和 T 轴立面上, 上下弦杆、斜腹杆和竖杆均采用箱形截面型钢;在上下层平面上, U 轴弦杆与垂直于 U 轴的横向杆件均采用 H 型型钢, 斜向杆件采用圆钢管。钢桁架弦杆和腹杆的节点均采用焊接节点。在钢桁架分段组装施工时, 钢桁架下弦杆下部将增设临时斜向支撑, 支撑在两侧主塔楼型钢混凝土柱上。在组装结束后, 将拆除临时支撑。钢桁架向两侧主塔楼延伸一跨。空间桁架结构平面示意图如图 1 所示。钢桁架的上下层将在铺设钢筋后, 由下层到上层依次浇筑混凝土, 分别作为该连体部分的楼面板和屋面板。2 监测方案2.1 监测
3、目的空间钢桁架需要经过临时支撑拆除和混凝土板浇筑两个施工过程。过程中钢桁架的结构内力将会发生较大变化, 可能出现危险。因此通过现场监测, 验证空间钢桁架结构关键构件和节点的内力在施工过程中及之后未超过钢材的屈服强度, 并在荷载改变和结构形式突变导致构件和节点可能出现危险时, 及时向施工方进行预警, 正是此次监测的目的之所在。图 1 空间钢桁架平面示意图 (单位:mm) 下载原图2.2 流程简介先对空间钢桁架利用 ANSYS 有限元软件进行结构静力分析, 初步验证该结构在施工过程中及之后的安全性;再进入施工现场, 对其关键构件和节点在临时支撑拆除前及拆除过程中和混凝土浇筑过程中及结束后的一段时间
4、实时应变监测。通过实际监测内力值与钢材屈服强度对比, 验证该该桁架结构是否安全, 保证施工的安全进行。同时整个施工工程分为两个施工阶段:临时支撑拆除和混凝土浇筑。其中混凝土浇筑的顺序是先浇筑下层楼面板, 后浇筑上层屋面板。因此在软件分析和现场监测时, 将该施工过程分为三个基本工况:临时支撑拆除 (工况 I) 、楼面板混凝土浇筑 (工况 II) 和屋面板混凝土浇筑 (工况 III) 。2.3 有限元分析在实际监测前, 采用 ANSYS 通用有限元软件进行施工过程结构静力有限元分析:根据钢桁架结构设计图纸确定各关键节点坐标, 再采用 BEAM 188 单元, 根据施工过程真实受力状态进行钢桁架有限
5、元建模。钢桁架的有限元位移云图如图 2。图 2 有限元模型位移云图 下载原图由于混凝土楼面板和屋面板, 在浇筑时为液态, 故不将其作为受力构件进行有限元分析, 而是换算成空间桁架结构的面荷载计入分析模型;由于风荷载对整个结构影响很小, 故本次有限元分析中, 不考虑风荷载影响。2.4 现场监测(1) 监测点布置。按照设计方要求, 在 V 轴立面与 T 轴立面中, 上下弦杆各有12 个测点, 每个测点布置 2 个应变传感器;腹杆有 8 个测点, 每个测点布置 2个应变传感器;共布置 40 个应变传感器。监测点位置示意图及监测点编号如图3 所示。图 3 监测点位置示意图 下载原图(2) 监测过程。临
6、时支撑拆除的监测时间为 2016 年 12 月 22 日到 2016 年 12月 30 日。其中, 临时支撑于 2016 年 12 月 24 日完成拆除。混凝土浇筑的监测时间为 2016 年 12 月 31 日到 2017 年 1 月 5 日。其中, 混凝土下层楼面板和上层屋面板于 2016 年 12 月 31 日完成浇筑。同时, 根据施工方要求, 在混凝土浇筑完成后第四天 (即 2017 年 1 月 4 日) , 对空间钢桁架下弦杆各测点的传感器进行了拆除。3 数据对比及分析在钢桁架拆除临时支撑和浇筑混凝土施工结束后, 通过应变传感器和数据采集软件, 记录结构关键构件的应变, 再根据钢材的弹
7、性模量计算出应力数据, 并采用 ANSYS 有限元分析软件模拟三个基本工况, 与实际监测得到的数据进行对比。以下部临时支撑拆除前为零状态。在三种工况下, 设计方要求的监测点处应力的有限元分析值 (理论值) 和实际监测值 (实测值) 见表 1。表 1 工况 I 应力理论值与实测值 (单位:MPa) 下载原表 表 1 工况 I 应力理论值与实测值 (单位:MPa) 下载原表 根据有限元软件计算的应力理论值与监测仪器记录的实测值进行对比, 分析如下: (1) 工况 I 的应力理论值与实测值的差异, 主要是因为监测时, 同时进行钢桁架楼面板和屋面板的钢筋布设和钢模板铺装。而有限元分析时, 该荷载统一在
8、在工况 II 和工况 III 中进行分析。工况 III 的应力理论值和实测值较为接近, 吻合度较好。XG1-8 监测点与 FG1-1ts 监测点的应力理论值与实测值差别较大, 主要是因为监测过程中应变传感器因人为因素使监测初始值有较大误差; (2) 腹杆 (FG1) 的应力理论值总体上大于实测值。理论值和实测值的差异, 主要是因为空间钢桁架与建筑主体连接处的实际约束与 ANSYS 有限元模型的理想约束存在差异, 而监测点所在位置又是应力变化较为复杂的主体连接处。4 结论钢桁架下层楼面板及上层屋面板浇筑后, 各结构关键杆件实际监测值中的最大压应力 (62.9MPa) 为钢材屈服强度 (345MPa) 的 18.2%, 最大拉应力 (22.3MPa) 为钢材屈服强度的 6.5%。故在空间钢桁架施工监测期间, 应力远未达到屈服强度, 钢桁架结构关键构件在整个施工过程中处于安全状态。参考文献1殷永艺, 王军, 司坤.大同美术馆钢结构施工监测技术J.施工技术, 2015, 44 (8) :67-79. 2王小波.钢结构施工过程健康监测技术研究与应用D.浙江:浙江大学, 2010. 3刘钝.铁路站房钢结构施工过程监测与分析D.浙江:浙江大学, 2013.
