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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划材料挠度检测中心,广东中山博览中心A区屋盖主桁架卸载挠度变形监测与分析安建民刘旭光张志东刘鑫王靖李宇千中国建筑工程总公司摘要：中山博览中心屋盖采用大跨度钢桁架结构，主桁架跨度最大为90m，为保证安装质量和施工安全，施工前运用有限元软件模拟卸载工况，在施工过程种对主桁架卸载挠度变形进行了监测，并对结构监测值与模拟值进行了比较分析。关键词：大跨度空间钢结构桁架挠度变形监测有限元模拟分析1.工程概况中山博览中心项目位于广东省中山市博爱六路，由美国SOM设计事务所及广东省建筑设计研究院联合设
2、计，总占地面积约m2，其中建筑面积约1XX0m2。地上主体结构采用大跨度空间钢管桁架结构，总用钢量约18000t。整个屋盖钢结构通过位于12轴线的温度伸缩缝，划分为A区、C区，见下图1所示。其中A区自B轴至N轴通过格构柱或核心筒柱，划分为90m、54m、54m三跨，见下图2所示，总长216米；东西方向从12轴至26轴长252米。屋盖钢结构为双向交错钢管桁架结构，其中主桁架沿12轴26轴共15列，每列主桁架在B、G、K、N轴遇托架处断开，并与托架相贯焊接。主桁架间距18m，高低交替呈波浪形，相邻主桁架下弦中心线标高分别为+、+，单榀主桁架高度约为10m，主桁架下弦主要采用66014的钢管，上弦主
3、要采用61014的钢管，上、下弦垂直杆及腹杆尺寸为50820、35610等，从12轴26轴共有4列托架，分别架立在B轴、G轴、K轴和N轴柱顶上，柱间距36米；沿B轴N轴次桁架共19列，间距9m，每列次桁架遇主桁架处断开，并与主桁架相贯或插板焊接连接。屋盖钢结构通过单向或双向滑动盆式橡胶支座固定在钢管格构柱顶或钢筋混凝土柱顶上。1526/BG轴线区域为常年展厅，见下图1所示，该区混凝土结构设有地下室及地上二层、三层楼层结构。2.屋盖安装方案本工程屋盖桁架安装跨度大、施工工期紧张，常年展厅上方屋盖由于受其正下方地下室结构影响，吊装机械无法直接进入跨内安装。综合考虑现场结构场地及桁架结构分布情况，经
4、过多种方案可实施性、经济性及工期等方面的比选，现场采用了“分段吊装、高空散装与累积滑移”相结合的安装方法。A区钢屋盖可分为累积滑移区、分段吊装区和高空散装区，见下图3所示：分段吊装A区1226/HN轴线区域及1214/BG轴线区域,由于不存在地下室结构影响，直接采用150t履带吊将主桁架分两或三段吊装，其中KN跨分为两段吊装，在高空支架上进行对接。累积滑移A区1426/BG轴线区域,由于场地内存在地下室结构，起重机械无法直接进入跨内进行吊装，现场采用“地面分段拼装、高空平台组装、累积滑移”的方法进行安装。分别在B轴线和G轴线上分别架设两条高空滑移轨道，在26轴线外搭设36m拼接平台，主桁架分为
5、三大段在拼接平台上对接，桁架拼装采用150t履带吊进行作业。每拼装完一个滑移单元，屋盖整体滑移18m，将拼装平台腾空，进行下一单元拼接，以此类推，直至完成。拼装过程在分段点设置临时格构支撑，待18m跨滑移单元区域构件拼装焊接完毕，进行临时支撑拆除卸载。高空散装待滑移区域屋盖结构滑移就位后，进行区域间的补档，采用汽车吊进行单件散装。3.计算机模拟分析第1516轴主桁架计算机模拟分析选取累积滑移区90m跨第1516轴主桁架进行有限元模拟分析，采用Midas/软件，建立杆件单元模型，如下图9所示：由于桁架跨度距离为90m，而且桁架截面高度作折线形变化，为较好的掌握桁架整体模拟沿跨度方向的下挠情况，故
6、在模拟计算时在桁架中部及北侧悬挑区域设置TJ1TJ5五个卸载节点，如下图所示：考虑到Midas模型没有建入檩条，可以通过调整自重系数模拟加设此部分荷载。同时，考虑实际结构节点加强，且部分杆件带有加劲肋，因此有限元模型自重要小于实际结构重量，这种差距同样通过调整自重系数来减小。取自重系数为进行计算，结果总反力为347t；按照深化设计图纸所给材料表，统计现场加工拼装实际结构自重为423t,对比原计算结果，将自重系数增至。按自重系数计算，结果总反力为，反映实际结构自重荷载，提取相应监测点位移挠度为：在第种工况计算模型基础上对支点施加水平荷载，以模拟实际结构支座情况，荷载值按支点竖向反力乘以摩擦系数确
7、定，此处摩擦系数取。计算结果如下：以上计算机模拟得到的各点挠度值时，结构杆件应力比无异常超标情况出现。第2425轴主桁架计算机模拟分析第2425轴主桁架结构与第1516轴主桁架类似，跨度为54m，模拟演算跨中设置卸载位置点如下图7所示。经计算机模拟分析，安装卸载完成后，第2425轴主桁架跨中最大挠度见下表3，且结构杆件应力比无异常超标情况出现。4.变形监测由于本工程屋盖桁架跨度大，最大跨度90m，单榀主桁架自重最大约120t，桁架杆件规格众多，体系复杂，现场焊接作业量大，为保证主桁架在施工安装过程中的安全性能及施工质量，需对各跨桁架高空组拼完成卸载后的挠度进行监测，以掌控桁架高空跨度成型后的受
8、力性能和滑移轨道梁的安全性能，指导后续实际施工并为以后类似工程提供参考。5.结构变形分析由于滑移拼装单元刚度很大，结构比较稳定，滑移前分级卸载后结构的受力状态与滑移过程中结构受力基本相同，因此滑移区域仅对滑移前的滑移单元进行分析。故分别在累积滑移区域、分段吊装区域各选取自重最大的主桁架，对其卸载后的变形情况进行监测与分析。累积滑移区域第15、16轴主桁架灰色系统理论在桥梁挠度检测中的应用桥梁在一个国家的交通运输和经济发展中占有重要位置。桥梁的安全检测和数据采集是保证桥梁安全运营的重要手段，通过检测技术可以及时掌握桥梁的运营状况，测定桥梁几何尺寸的变化和大小，收集桥梁结构在运营过程中的整体线形变
9、化的数据，了解桥梁维护、修缮和重建的先后顺序。随着交通事业的发展，需要修建更多的大跨度桥梁以跨越大江、大河和海湾，混凝土桥是比较经济合理的方案。现代混凝土桥如连续刚构桥、拱桥和斜拉桥等，多采用自架设体系施工，即将桥梁的上部构造分节段或分层进行施工，后期节段或后层靠已浇节段或已浇层来支撑，逐步完成全桥的施工，也就是无支架而靠自身结构进行施工。挠度变形以及影响挠度变形的很多因素，由于其本身的复杂性，人们无法确切地进行度量，因而可以认为它们是一种灰色量。由于灰色系统理论在公路测量和桥梁检测方而有着广泛的应用，采用灰色系统理论来进行检测，从理论上来说具有一定的可行性，但如何建立模型，检测的效果如何，则
10、需要通过计算分析才能确定。本文以某桥施工过程中的挠度监测为例，进行灰色系统理论在桥梁挠度检测的应用分析。1、桥梁挠度分析对任意点，桥梁挠度是该点在两个不同时间和两个不同工况下同一点的高程差。理论上可采取当前工况与参考工况的绝对高差求差计算。参考工况可为初始工况(零工况)或试验过程中的任意一个工况。两个条件下的标高变化，精确检测其量值有时比较困难。一般认为，只有实际检测中的最大误差超过被测量值的1/3时，误差与变化将难以区分。如将挠度变化检测敏感度(检测值)确定为lmm，则测量误差不应大于。原则上每次测量可以使用不同的方法，但是必需要有长期、固定、统一的参考点(基点)，并且能够控制精度，才能检测
11、出微小的挠度变化信号，并进行有效的对比。固定基点要尽量接近检测点。用于长期观测的基点，应保持长期稳定且标高不变。2、灰色系统概述灰色系统理论以“部分信息己知，部分信息未知”的“小样本”、“贫信息”不确定性系统为研究对象，主要通过对“部分”已知信息的生成、开发，提取有价值的信息，实现对系统运行规律的正确描述和有效控制。灰色系统理论用灰数、灰色方程、灰色矩阵等来描述，其中灰数是灰色系统的基本单元。在控制论中，如果线性系统的行为变量为2个以上，则可构造一般的状态方程，其系统特征方程具有解析解。若行为变量多于3个，则尽管仍然有一般状态方程，可是系统特征方程不一定具有解析解，其系统动态行为往往得通过数值
12、解方法来处置。若系统动态用一组GM(1,N)模型描述，这些模型发源于一个GM(1,1)模将这个GM(1,1)模型的预测值代入下一个GM(1,N)，使其转化为GM(1,1),这样逐步递推计算，最后获得所有行为变量的预测值，则称为多变量灰微分方程组的GM(1,1)嵌套解法。这种解法的灰预测称为系统灰预测(SystematicGreyPrediction)。3、灰色系统理论在桥梁挠度检测的应用工程简介某桥是广东一条重要通道，预应力混凝土连续刚构桥位于辅航道上，简称辅航道桥，全长270米，该桥的桥型布置示意图见图1。图1某桥辅航道桥桥型布置示意图在施工过程中，温度对长悬臂箱梁的挠度影响较大，这种影响通
13、过对长悬臂箱梁挠度长期的观测，已经有了定性的认识，即温度降低，箱梁上挠，上挠的幅度随长度的增加而增大;温度上升，箱梁下挠，下挠的幅度随长度的增加而增大。但是究竟温度每变化一度，悬臂箱梁的挠度变化有多大，还没有“量”的概念，只有掌握了温度对挠度影响“量”的规律，才能在各种温度下观测的箱梁挠度中，剔除温度变化的影响部分，从而使观测的挠度真正地反映实际的变形，并在箱梁施工放样中考虑温度变化的影响。不考虑温度变化影响情况下箱梁挠度值的拟合与检测按照挂篮悬臂浇筑法的施工流程，每一块箱梁的施工分挂篮前移、浇筑混凝土和预应力张拉三个施工阶段，每一个施工阶段完成后都要观测挠度。外业观测一般都在日出之前一个小时
14、之内完成，这个时间段内温度变化很小，因而可以不考虑温度变化的影响。任取11号墩浇筑19号块箱梁混凝土后，右幅桥10-18号块箱梁上水方向监测点的挠度数据为例，见表l。表111号墩10号块箱梁混凝土后实测挠度注:表中负号表示下挠。为了便于比较，取10-18号块箱梁的实测挠度数据为建模数据(即以10号块为当前块)，预测11-18号块箱梁的挠度，并与实测值相比较。从表中可以看出，挠度数值随着悬臂的增长而增大。考虑温度变化影响情况下箱梁挠度值的拟合与检测温度对挠度的影响较为复杂，为减小温度变化对挠度的影响，挠度观测一般都选在早上日出之前，但随着施工季节的变化，日平均气温随之发生变化，有时天气的突然变化
15、也会引起气温的变化，因此既使都是日出之前观测，不同箱梁块同一施工阶段挠度观测时的温度相差也很大，根据不同箱梁块同一施工阶段的挠度预测待施工箱梁块的挠度必须考虑温度的影响。灰色关联分析是灰色系统理论中进行系统因素分析的重要组成部分。任取19号墩东边跨右幅桥上水点观测数据为例，以浇筑21-29号块箱梁混凝土时，其前一块箱梁产生的挠度为建模数据，以温度、悬臂长和悬臂重量为关联因子，计算关联度，分析这三个因素对挠度的影响程度。由于浇筑混凝土时箱梁都下挠，为计算方便直接取挠度值的绝对值，不影响实际分析，实际建模数据见表2。表219号墩东边跨右幅桥上水点挠度实测数据灰色关联度利用因子序列与系统行为序列的几何接近程度，来衡量因子对系统行为的贡献测度，在计算之前，可以通过图形直观的分析这三个因子序列与挠度序列的关系。为便于比较，将原始数据作初值化处理后绘于同一个图中，见图2。图2温度、悬臂长、悬臂重量与挠度曲线图灰色系统理论通过对数据的生成，来弱化数据的随机性，凸现其规律性，在数据量少时有优势，当人工采集变形数据或数据采集受客观条件限制时，可采用灰色系统理论模型，以减轻外业观测的工作量，并得到
