大跨度空間網架應力監測及有限元模擬對比分析

徐 可，李雷明

（蘇州方正工程技術開發檢測有限公司，江蘇 蘇州 215152）

0 引言

近年來，隨著土木工程技術水平迅速提高，各種空間結構向著大型化、復雜化的方向發展，大跨度空間結構的建造及其采用的技術已成為衡量一個國家建筑技術水平的重要標志［1］。網架結構作為一種常見的大跨空間結構，一般是由桿件按一定規律組成的超靜定空間結構體系，具有剛度大、性能好、節省材料等優點［2］。因此，對大跨度空間結構施工過程進行力學分析和施工監控是必要的［3，4］。現在大型空間網架的監測主要分為兩類：變形監測和應力監測。應力監測為體現結構內部受力的一種最直觀的方法。目前通過實測應變計算實測應力的方法可以概括為 4 種：有效彈模法、疊加法、松弛系數法、流動率方法，該 4 種方法仍有使用條件苛刻、計算量大、精度差等缺陷，所以應力的監測仍需要繼續研究。結構的生命周期可以分為 3 個階段：施工階段、使用階段和老化階段，如圖 1 所示。結構風險貫穿于整個結構的生命周期，在施工階段和使用階段發生破壞造成的損失巨大，而施工階段發生危險的幾率較高。為了準確把握大跨鋼結構在施工階段的損傷、安裝誤差、焊接缺陷等不確定的危險因素，避免可能發生的質量、安全事故，本文通過對蘇州一在建大型空間網架工程的全程應力監測及其有限元模型進行對比分析，驗證了鋼結構焊接式應變計能否精準反映現場實際工況，豐富了現有設計與施工在監測階段有關應力安全系數的數據，提高了應力、應變監測在實際大跨度空間網架結構工程中的應用水平。

圖1 結構生命周期-風險圖

1 項目概況

1.1 工程概況

本項目建設總面積為 233 241.75 m2，其中地上建筑面積為 126 000 m2，地下建筑面積為 107 241.75 m2。其中采光頂鋼結構 A+B 區投影面積約 9 000 m2，主體鋼結構總用鋼量約 1 000 余 t，如圖 2 所示。采光頂系單層網殼結構，空間網殼結構最長 200 m，寬度為 45 m，建筑呈空間不規則分布，結構頂部標高跨多層樓面，空間高低起伏；網格連接節點眾多，梁規格和連接角度都不相同，局部彎扭構件且上部覆蓋為玻璃。支撐體系為生根于土建結構基礎的勁性鋼骨柱，單層殼體網格結構依托于樹形鋼支承坐落于鋼骨柱之上，節點及鋼梁高度在不同高度之間變化。節點與樹形鋼支承之間節點為銷軸鉸接節點。

圖2 總體效果圖

1.2 施工分區

采光頂鋼結構主要為上部屋蓋鋼網格，擬分區搭設滿堂腳手架，目的是控制安裝過程中節點及構件的豎向位移，保證整個結構的建筑造型，給工人提供作業平臺，減少作業面積過大對其他工種造成影響。再利用塔吊對網殼進行散拼，考慮到腳手架體量較大及現場其他工種交叉作業等因素，可利用結構原有的樹狀作為支撐，保留端部部分腳手架，周轉使用腳手架。因此，將網殼大致分為如圖 3 所示的 6 個區域。

圖3 網格結構分區示意圖（分界線經過網殼主節點）

1.3 施工工況

1）在分區 3 采用盤扣架搭設滿堂腳手架，利用塔吊和 8 t 汽車吊進行散拼；區域 3 中部有樹杈 FCZ5、 FCZ6 和 FCZ7，待 3 區域安裝完畢后，優先拆除周轉中部有樹杈的區域的腳手架。

2）鋼結構殼體與樹杈和邊界連接后拆除滿堂架，保留兩端至少 4 排網殼主節點的支撐（約 6.5 m 范圍）。

3）繼續采用滿堂架搭設分區 2（面積為 1 680 m2）和分區 4（面積為 1 500 m2）的網殼，利用塔吊及汽車吊散裝。

4）鋼結構殼體與樹杈和邊界連接后拆除 2 區、4 區滿堂架及 3 區保留的腳手架，保留 2 區和 4 區兩端至少 4 排網殼主節點的支撐（約 6.5 m 范圍）。

5）在 1 區和 5 區搭設滿堂架繼續安裝分區 1 和分區 5 網殼。

6）拆除 1 區、5 區腳手架及 2 區、4 區保留的腳手架，用散裝的腳手架安裝 6 區鋼網殼。

7）網殼安裝完成。

2 有限元模型的建立

項目基于 Tekla 模型建立三維有限元模型，有限元軟件主要使用 SAP2000。在模型建立中，考慮結構的實際受力特點及邊界條件，其樹型柱柱頂與結構采光頂棚采用銷栓連接，網殼節點主要采用榖節點，如圖 4～圖6 所示。故在有限元模型建立時樹型柱柱頂與結構采光頂棚考慮為鉸接，釋放彎矩傳遞。在樹型柱分叉部位，如圖 7 所示，其可以進行彎矩傳遞，故有限元模型考慮為剛接。根據實際施工情況，結構柱腳考慮為鉸接。參考結構施工方案，結構周邊的封邊梁通過預埋件與主體結構相連，保持結構穩定性，限制封邊梁位移，因此，在 SAP2000 有限元軟件中，封邊梁節點位移通過鉸支座進行約束。

圖4 樹型柱與頂棚連接節點

圖5 樹型柱分叉處節點

圖6 網格梁連接節點

圖7 采光頂結構的支座布置

采光頂結構 SAP2000 有限元模型實際桿件尺寸及所用材料通過查看 Tekla 模型進行定義及賦予。為顯示結構位移云圖，方便結構位移及位移變化趨勢查看，在采光頂結構頂部建立厚度接近于 0 的虛面。

采光頂結構 SAP2000 有限元模型如圖 8 所示。

圖8 有限元模型

有限元計算結果顯示，構件以受彎為主，應變測量位置均選為指定桿件的中部。考慮到現場構件上表面后期需要鋪設裝飾面，先將應變片安裝在構件的下截面。如圖 9 所示。

圖9 應力傳感器布置示意圖

布置原則按式（1），依據位移梯度計算采光頂的應變最大區域：

按照結構施工方案，應變測點進行分區布設，其分區與施工分區一致，每個分區布設 4 個測點，總數為 24 個，具體安裝位置如圖 10 所示。

圖10 應力傳感器位置

3 儀器設備

3.1 DH5971 分布式在線監測系統（見圖 11）

圖11 應變監測儀器

優點：具有通訊可靠、傳輸距離遠，測試精度高、噪聲低、漂移小，環境適應性強、可維護性高等特點，是專為工程測試領域精心打造的一款用于長期在線監測的產品，具體技術指標如表 1 所示。

表1 技術指標

3.2 鋼結構焊接式應變計 HCY120-3AA

優點：點焊安裝，即焊即用；在金屬基礎體上增加定位標志，方便安裝時定位；在金屬基礎體上增加了圓形位置標識，保證點焊安裝一致性；對引出線進行了保護固定，保障引線牢固可靠；改善基地厚度和防護層質量，測試更穩定；應變計和金屬基礎體嚴格匹配，保證其溫度性能自補償和一致性。

4 數據對比分析

4.1 單個測點應力分析

各測區應力-時間典型曲線如圖 12 所示。

圖12 網架鋼構件應力-時間曲線

由網架鋼構件應變-時間曲線可以看出，由于網架采用由中間向兩側的施工順序，網架內力可向兩個方向分散，外側分區測點 STL1-1、STL5-3、STL6-4 在拼裝階段整體應變變化相對較小；現場采用翻拆滿腳手的施工方法，測點 STL2-2、STL3-1、STL4-2 在網架中間區域，拼接階段有明顯的突變過程，此為腳手架翻拆節點；測點 STL3-1、STL4-2 在拆腳手后有兩個非常規性短時突變，據現場考證測點鄰近構件有材料臨時堆積；測點中直線時間段為停工階段，此時間段兩側工況基本一致，受彈性、收縮、徐變、溫度等效應的影響應力存在一定的變化；網架全部拼裝完成進入裝飾階段以后，受到外力的情況下，應力變化基本呈線性，此時說明網架已具備一個良好的整體性；網架進入使用階段后應力變化相對穩定，但仍有 5～10MPa 的波動。

4.2 焊接殘余應力對構件的影響

焊接殘余應力是構件還未承受荷載而早已存在構件截面上的初應力，在構件服役過程中，和其他所受荷載引起的工作應力相互疊加，使其產生二次變形和殘余應力的重新分布，不但會降低結構的剛度和穩定性而且在溫度和介質的共同作用下，還會嚴重影響結構的疲勞強度、抗脆斷能力、抵抗應力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力。焊接殘余應力對鋼結構的影響主要還是體現在其疲勞強度和應力腐蝕的影響。因此為了解本項目焊接殘余應力的的作用和影響，分別對 6 個區的 1 號測點進行不同焊接狀態的應力測試，即測點所在構件未焊接時、單側焊接時、雙側焊接時分別進行測試，測點布置在構件中部下截面。測試應力-測點曲線如圖 13 所示。

圖13 應力-編號曲線

從曲線中可以看出，構件兩側都是自由端時，應力測試值很小；方鋼管的一端與股節點焊接后，構件會產生殘余拉應力；方鋼管的兩端都與股節點焊接后，構件會產生一個更大的殘余應力，且這個殘余應力的形式沒有清晰的規律。為了對殘余應變做更好的量化，這 6 個構件在施焊前均進行了熱處理。通過比較殘余應變和模擬最大應變的數值，來判定焊接殘余應變對構件內力的影響程度，如表 2 所示。

表2 殘余應力與模擬最大應力比較

從表 2 中可以看出焊接殘余應力的數值不容忽視，有些甚至超過模型中整個施工裝修階段的最大應力。

4.3 測量與模型應力極值對比分析

本次試驗測點的布設時間和施工同步，覆蓋了整個施工階段及部分使用階段。整個試驗分為 3 個階段。其中從 2019 年 11 月 23 日-2020 年 2 月 25 日為拼裝階段（2020 年 1 月 18 日-2020 年 2 月 25 日為停工狀態），2020 年 2 月 26 日-2020 年 4 月 20 日為裝飾階段，2020 年 4 月 21 日-2020 年 7 月 70 為使用階段。將試驗周期的應力最大值與模型計算的值匯總如表 3、圖 14 所示。

圖14 應力最大值-編號曲線

表3 應力極值匯總表

通過圖表得出，試驗應力形式與模型不完全一致，試驗最大值是模型計算最大值的 2～4 倍。分析原因如下：第一，由于結構的非線性、材料的收縮徐變非常復雜，現有的模型軟件無法百分之百模擬；第二，邊界約束條件實際結構與計算模型有些差別；第三，沒有考慮溫度及焊接殘余應力對結構的影響；第四，實際施工工況與理論模型工況不完全一致，模型的計算單元在施工過程中包含了很多構件，而忽略了模擬單構件拼裝過程中產生的一些內力；第五，實際施工中由于股節點對桿件的端部具有一定約束作用，使得桿件的端部除了受彎矩外還有軸力作用，因此，選用桿件中間應力值與實際結構應力存在一定誤差。例如計算時樹型柱柱頂與結構采光頂棚考慮為鉸接但實際情況遠比理論計算復雜。

5 結語

1）通過大跨度網架實際工程全程實時監測發現，實際應力形式與模型不完全一致，實際應力最大值是模型計算最大值的 2～4 倍。

2）應力監測點要在構件焊接前布設，否則由于焊接殘余應力監測值會遠低于實際值。

3）網架施工過程中由于彈性、伸縮、徐變、溫度、風等方面的影響在設計以及施工過程中要留有一定的安全余量。

4）國內現有的應力監測系統已具備良好的精度及靈敏度，而有線監測系統需要人工定時定點采集、效率低下，易受施工作業面的制約，應著重發展并完善無線傳輸。Q