太原機場新航站樓網架結構受力與變形監測

胡宏青

1 工程概況

太原機場新航站樓屋面鋼網架結構共分七個區，水平投影面積為32199 m2，總重近2000 t，結構形式為正放四角錐螺栓球節點和焊接球節點相結合網架，周邊管桁架收邊，下弦周邊柱與中間柱混合支承，支承柱為鋼管混凝土柱或柱帽。桿件為鋼管，節點類型螺栓球和管桁架混用，個別采用焊接空心球。標準網格尺寸為2 m×2 m，共有10889個單元，2856個節點。網架桿件選用Q345B無縫鋼管，螺栓選用GB 3077中的40Cr，螺栓球選用GB 699中的45號鋼鍛造，封板錐頭和套筒選用Q345B鋼，焊條選用E50XX系列。屋頂呈雙弧線，下弦高差大，是本工程施工的難點和重點。網架一模型見圖1。

圖1 網架一模型

2 監測內容

1)網架結構施工過程中的計算機仿真技術研究;2)網架結構施工過程中的力學分析;3)網架結構一區及七區施工過程中的應力測控技術應用研究。主要包括:拼裝階段、吊裝階段、網架結構就位、屋面板安裝過程、屋面板安裝完畢、室內各種吊重安裝完畢共六個階段的桿件、節點及支座的應力測控;4)網架結構的整體變形分析及測控;5)考慮各種初始缺陷對網架結構承載力的影響分析。

3 技術手段

通過借助ANSYS大型有限元軟件對網架結構進行理論分析和仿真技術研究;采用應變片、導線及7V08數據采集系統，對網架結構施工過程各階段的應力及應變實施監控，確保網架施工安全，研究較好的施工方法。

4 研究特點

首次應用ANSYS軟件對該類型復雜網架結構的施工全過程進行計算機仿真，根據仿真結果指導施工工序，改變以往網架施工完全依靠經驗的傳統做法。將施工力學與現代應力應變測控技術引入網架施工之中，通過現場大量應變數據的采集，定量描述網架桿件及節點的真實受力狀態，定量描述各類初始缺陷對網架結構的受力影響程度，為今后類似工程提供寶貴的資料、借鑒和指導。

5 監測實施

網架一選取了8個測區，每個測區分別選取兩根上弦、三根腹桿和四根下弦作為檢測對象，每根桿件上布置兩個測點，測點布置位置為桿件的中部，兩個測點對稱布置。網架七布設3個主要測區，每個測區分別選取兩根上弦、兩根腹桿和兩根下弦作為檢測對象，每根桿件上布置兩個測點，測點布置于桿件的中部，兩個測點對稱布置。所有的信號線均綁扎于網架的下弦，匯總于一處。現場搭設了臨時房屋，為采集數據提供良好的工作環境。數據采集從網架吊裝開始至屋面板安裝就位結束，歷時200多天，獲得了大量珍貴的數據。

經過近200 d的測量，最后選取有代表性的11個測點。篩選數據，運用最小二乘法將吊升階段、安裝就位階段和屋面板安裝階段三個階段分段擬合。

6 監測結論

通過將計算機仿真結果與大量實測結果的對比分析，得出以下主要結論:

1)網架一的施工組織設計科學合理。采用的“液壓同步提升施工技術”有一定的先進性。吊點位置設置合理，吊點分布較均勻，對網架結構未產生不利影響;“先安裝網架中部的樹狀支撐后安裝周邊支座”是較為合理的施工方案;“先安裝網架中部的屋面板后由中間向兩邊安裝”的方案優于“從一邊單方向安裝屋面板”方案。

2)網架七的施工組織設計科學合理。采用的“拔桿法施工技術”具有簡潔、高效的特點。各片的吊點位置合理，吊點分布比較均勻，對網架結構未產生不利影響;由于每片網架較為規則，南、北部支座的安裝誰先誰后均可行;“先安裝網架交匯處的屋面板后向兩個分支方向延伸”方案優于“先安裝兩個分支方向后安裝交匯處的屋面板”方案。

3)開展網架結構施工過程中的計算機仿真技術研究意義深遠。不僅可以事先模擬出網架結構在各種工況下的受力狀態，而且可以優化出最佳的施工方案。更重要的是可以事先發現問題，提前采取措施，防患于未然。

4)本次的仿真結果經實測數據驗證:a.ANSYS有限元結構分析軟件是進行大型復雜空間結構施工過程仿真的理想手段;b.計算機仿真結果與實測結果規律基本吻合;c.計算機仿真結果略小于實測結果。

5)實測結果表明:網架結構的上弦、下弦及腹桿并非理想的軸心受力桿件。尤其在施工過程中應力水平較低的情況下，實測數據較大的離散性，大部分桿件不同程度地出現較大的附加彎曲應力。究其原因，是由于桿件存在初偏心和初彎曲，這主要是制作和安裝的問題。

6)在上述研究成果的基礎上，提三點建議:a.制作單位應采取有效的措施，最大程度地將制作誤差控制在國家規范的允許偏差范圍之內，以減小初始缺陷對網架結構的不利影響。b.施工單位應高度重視施工方案的合理性與先進性，在保證拼裝質量的前提下，最大程度地降低安裝初始缺陷對網架結構的不利影響。c.設計單位應在思想上加強對初始缺陷不利后果的認識，從中國工程質量的實際出發，在今后的網架結構設計中引入先天性初始缺陷的考慮，處理好設計中安全與經濟的矛盾。

[1]謝 東，張樹勛.某網架結構安全性檢測與評價[J].山西建筑，2010，36(17):46-47.