张弦梁体系安装数值仿真及监控施工工法(附图)

1、张弦梁体系安装数值仿真及监控施工工法 二零一四年二月张弦梁体系安装数值仿真及监控施工工法1 前言目前各地正在兴建众多的大跨度建筑，如体育场馆、展览会堂等。这些建筑往往成为当地地标性建筑。大跨度建筑屋面系统经常采用张弦梁体系。张弦梁体系的特点在于引入了预应力高强钢索。钢索索体强度通常可达到1670兆帕。高强材料引入意味着构件截面更小，实现了更为轻盈的建筑效果。对钢索施加预应力，一方面可以为结构提供反拱，有效改善了大跨度结构挠度过大的问题；另一方面可以改善结构的应力分布，降低了结构造价。因此张弦梁体系是一种大有可为的新型结构体系。但是张弦梁体系对于安装施工有着特殊要求。设计单位给出的是安装施工完成

2、时的索力和形状（施工完成态）。施工单位需进行数值仿真计算，预测施工开始时的结构形态（施工初始态），经过钢结构安装施工和索张拉后是否能达到施工完成态的要求。同时，在安装施工过程中也需要对索力及结构形状进行实时监控，并与数值仿真计算结果对比，及时进行纠偏，保证施工完成态符合设计要求。嘉定体育中心（一期）新建工程位于上海市嘉定区，竞赛馆屋面采用了空腹式张弦桁架体系，平面尺寸为66.0x73.8米。空腹式张弦桁架体系作为一种新型的大跨度张弦梁结构，具有无桁架斜腹杆，建筑造型简洁通透的优点。本公司在该项目施工中，研究了安装过程动态仿真，以及索力监控等施工关键技术，结合PDCA项目管理方法，形成了本工法。

3、2 工法特点本工法的两大核心内容为施工过程动态仿真以及施工过程信息化监控。施工过程动态仿真的主要内容为通过建立基于时间轴的三维动态模型，模拟整个施工周期内的张弦梁体系成型过程。通过计算可以得到结构关键点的应力及变形时程，从而选择合理施工方案，指导钢结构深化设计，从预案上使得施工完成时的张弦梁屋盖形状符合建筑要求，并确保张弦梁体系施工过程的结构安全。施工过程信息化监控的主要内容为通过无损数据采集系统，对整个施工周期内关键点的应力、位移进行监控，及时进行纠偏，从实测上保证结构安全，并保证施工完成时的形状符合建筑要求。对于张弦梁中的索力监控，本工法采用了专门研制的数显式电子索力监测仪，对拉索进行无损

4、监控。本工法所研发的数显式电子索力监测仪已申请国家专利。本工法实现了张弦梁体系施工过程的可预见性、可控性，保证了施工过程的结构安全，以及施工完成后索力和结构变形符合设计要求。经实践验证，提高了施工质量，节约了施工工期，降低了工程造价，取得了显著效益。3 适用范围本工法适用于各类张弦梁体系的施工，如空腹式张弦桁架、弓式张弦梁、轮辐式张弦梁等。4 工法原理4.1 施工过程动态仿真原理建立结构三维动态模型，考虑索的大变形特点，采用非线性有限元法进行施工过程时程分析。结构单元（比如边跨张弦梁和中间跨张弦梁）出现的时刻依据施工方案，同时有部分结构单元会在后期消失（如临时支撑）。结构上的荷载出现的时刻也依

5、据施工方案（比如主索张拉的力度和阶次）。因为索结构的几何非线性，采用不同的施工方案，其仿真运算的结果不同，体现了非线性结构的路径相关性。应用计算结果指导钢结构制作及安装，选择合理的施工方案，确定预应力的梯度和施加顺序。施工过程动态仿真符合了PDCA项目管理方法中对于预先计划的要求。4.2 施工过程信息化监控原理施工过程信息化监控原理为对施工全过程的结构关键点进行监测，并与施工动态仿真结果进行对比，及时进行纠偏。施工过程信息化监控符合了PDCA项目管理方法中对于过程监测及纠偏的要求。施工过程监控的信息化主要体现在采用电子设备进行监测和记录。整个施工过程历时长，观测位置不易接近，为节约人力及保障人

6、员安全，宜用电子设备进行数据的采集和记录。监控设备不能影响各结构构件的受力性能，因此宜采用无损方法进行应力监测。针对张弦梁体系索的无损监控难题，研发了数显式电子索力监测仪。电子索力监测仪原理如下： 测杆十字头支座锁母固定端抱箍测量端抱箍测量装置测量装置原理图数显式电子索力监测仪由测量装置,数显表及电控箱组成，可实现对索力的持续测量监控。5 施工工艺流程及操作要点5.1 工艺流程建立三维动态模型依据备选施工方案进行非线性时程分析得到各方案结构关键点位移及索力的仿真时程曲线与设计方提供的结构形状及索预应力对比，确定最优施工方案依据最优施工方案，确定结构起拱量，指导钢结构深化设计依据深化设计图，进行

7、构件制作实时监控结构关键点位移及索力，并与仿真时程曲线对比依据对比结果，调整索张拉的力度和顺序，及时进行纠偏达到预定结构形状及索预应力钢结构安装完成依据最优施工方案，进行钢结构安装图5.1.1 施工流程图5.2 建立三维动态模型5.2.1建立三维整体模型因为钢结构为空间体系，整体受力，所以仿真计算模型必须采用三维整体模型。可采用CAD软件建立空间线框模型。建模型时应注意尺寸需精确到毫米。CAD软件具有数据精确，空间造型能力强的优点。空间线框模型建好后，可保存为DXF格式，并导入有限元软件。有限元软件可采用SAP2000或MIDAS等通用有限元程序。DXF格式可被大多数的有限元软件读取，是数据交

8、换的中间站。在有限元软件中赋予线框单元属性。桁架采用空间梁单元。索应采用索单元。考虑索的大变形因素，同时需打开索单元的几何非线性开关，这样可以充分模型张拉时索的伸长。以嘉定体育中心竞赛馆张弦桁架为例，拉索采用高钒索，拉索索体公称抗拉强度为1670MPa,，钢索公称直径为90mm。张弦桁架总计8榀，高钒索总计8根。张弦桁架立面图见下图：结构平面布置见下图：根据设计图建立整体计算模型。图5.2.1 整体计算模型（骨架效果图）图5.2.2 整体计算模型（线框图）5.2.2 赋予各结构单元时间特性赋予各结构单元时间特性，就是确定各结构单元何时出现。这样就把整体模型转化为了三维动态模型。可以在计算软件中

9、把构件分组，并制定各组出现的时间。这是建立动态仿真模型的关键。将整个施工过程划分为数个时间步（阶段），每个时间步上的模型因各组的组合不同，因此各不相同，形成了动态模型。以嘉定体育中心工程为例，各组出现的顺序为：第一阶段，第一组出现（第一榀）第二阶段，第二组出现（第二榀）第三阶段，第三组出现（第三榀）第四阶段，第四组出现（第四榀）第五阶段，第五组出现（第五榀）第六阶段，第六组出现（第六榀）第七阶段，第七组出现（第七榀）第八阶段，第八组出现（第八榀）第九阶段，第九组出现（端跨构件）第十阶段，檩条及屋面板自重荷载出现5.3非线性时程分析及仿真时程曲线索为高柔性单元，需要考虑大变形因素带来的几何非线性

10、。进行分析时需打开有限元软件的时程分析功能，得到对应各阶段的结构关键点应力和位移。为防止索受力超载，影响结构安全，应重点关注索力的时程曲线。同时，施工完成态的位型也直接影响建筑造型，因此关键点的位移也需要加以监控。以嘉定体育中心工程为例，选取四处索力时程曲线及两处位移时程曲线加以说明。C点F点E点B点A点D点图5.3.1 索力关键点布置图此四个点的时程曲线计算结果为：A点索力时程曲线（单位KN）B点索力时程曲线（单位KN）C点索力时程曲线（单位KN）D点索力时程曲线（单位KN）E点竖向位移曲线及F点水平位移曲线为：E点竖向位移曲线（单位mm，向上为正）F点水平位移时程曲线（单位mm，向外为正）

11、5.4 确定最优施工方案及深化设计根据各备选施工方案的仿真计算结果，可以选择施工完成态最为接近设计给定的，纠偏工作量最小的施工方案，这就是最优的施工方案。根据仿真计算结果，可以指导钢结构深化设计，合理确定结构反拱值，以降低工程造价。以嘉定体育中心工程为例，通过数值仿真，考虑纠偏工作量最小，确定了最优施工方案为：步骤一：第一榀桁架拼装到位。步骤二：第二榀桁架拼装到位。步骤三：安装两榀桁架之间的构件，并随之安装吊杆、拉索并张拉第一榀桁架。步骤四：将第二榀桁架滑移至第一榀桁架位置为止，安装第二榀桁架拉索并张拉。步骤五：安装第三榀桁架及与第二榀桁架之间的构件：步骤六：进行桁架滑移，将第三榀桁架滑移至第

12、二榀的位置，并随之安装第三榀拉索并张拉。步骤七：重复以上操作，直至8榀桁架张拉完毕。通过数值仿真，根据计算结果，采用最优施工方案的话结构可不用预先起拱，施工完成态结构各控制点形状与设计给定值偏差均小于20mm，满足设计要求，保证了建筑效果。并且按此施工顺序，施工完成时索的内力与设计给定值偏差均小于5%，满足设计要求，避免了索的补张拉，节省了纠偏的工作量和时间。据此确定深化设计全模型为：深化设计整体模型因为深化设计可不起拱，所以减小了构架加工长度，节约了材料用量。同时数值仿真计算显示张拉过程中桁架节点出现较大应力，采用加腋的方法对空腹桁架弦杆与腹杆连接节点区域进行了加强，保证了结构安全。深化设计

13、单元模型5.5 钢结构安装，索力、位移监控及纠偏确定最优施工方案后，按最优施工方案进行钢结构安装及索力、位移监控。钢结构安装应严格依据数值仿真的各时间步（阶段）。索力的监控应采用无损检测方式，并进行全过程的记录。采用数显式电子索力检测仪，较之常用的应变片的方法，对索的影响更小，而且便于拆装，可重复利用。位移监控可采用全站仪进行监控记录。也可采用电子位移计，将测量结果直接引入计算机。当监控结果与数值仿真相差较大时，应及时进行纠偏。纠偏可采用补张拉的方法，对索进行二次张拉。补张拉宜分阶进行，每阶补张拉后应检测各控制点的数据。以嘉定体育中心为例，钢结构安装完全依据数值仿真选择的最优施工方案：首先拼装

14、第一榀桁架，然后对第一榀拉索进行张拉；然后拼装第二榀桁架，对第二榀拉索进行张拉；依次循环，直至八榀主桁架拼装及张拉完成。然后散件拼装法安装南北两侧端跨构件。最后安装屋面檩条及屋面板。安装第一榀和第二榀安装第三榀和第四榀安装第五榀和第六榀安装第七榀和第八榀安装端跨及马道、檩条安装屋面板以下为索力监控系统现场照片：安装数显式电子索力监测仪测量读数索力监控采用的是数显式电子索力监测仪，关键点变形采用的是全站仪。经全程监控，A、B、C、D四点的实测索力时程曲线（实线为实测时程曲线，虚线为仿真计算曲线）为：A点实测索力时程曲线（单位KN）B点实测索力时程曲线（单位KN）C点实测索力时程曲线（单位KN）D

15、点实测索力时程曲线（单位KN）E点竖向位移实测曲线及F点水平位移实测曲线（实线为实测时程曲线，虚线为仿真计算曲线）为：E点竖向位移曲线（单位mm，向上为正）F点水平位移曲线（单位mm，向外为正）从时程曲线对比可以看出，采用数值仿真与实际监控较为吻合，较好的指导了实际施工，在无需进行纠偏的情况下，保证了索力偏差不超过设定值的5%，关键点变形偏差不超过20mm，满足了设计要求，保证了结构安全，降低了施工成本。6 材料与设备本工法的主要机具设备为位移、应力监测仪器。位移可采用全站仪或电子位移计。应力监测仪器可采用应变片、数显式电子索力监测仪等。索力无损监控的关键设备可采用数显式电子索力监测仪，系统包

16、含测量装置及数显仪表：数显式电子索力检测仪系统构成数显仪表参数如下：项目参数输入电压(V)85230功率(W)15重量(kg)1.28外形尺寸(mm)长宽高 295×195×66输入信号TTL方波分辨率(um)1测量装置参数如下：安装完成后需要保证图示中抱箍距离L=2000mm，调节固定端抱箍十字头，使测杆可以顺畅前后移动。调整测杆露出长度L1使侧杆可以在L1位置前后能移动50mm，然后锁紧十字头上锁母。实物照片见附图。现场安装位置安装示意读数示意7 质量控制7.1、质量控制依据的规范为：质量管理和质量保证 GB/T19000工程测量规范 GB 50026建筑工程施工质量验

17、收统一标准 GB 50300钢结构工程施工质量验收规范 GB502057.2数值仿真应采用两种以上的计算软件相互验证，以保证仿真结果可靠。各控制点计算结果偏差应在10%以内。7.3各测点应每天早、中、晚各记录一次。7.4 当结构上新增荷载时，如安置马道、安置檩条、安置屋面板等，应在变形及应力稳定后及时记录。当结构体系发生转换时，如拆除临时支撑、落于支座时，应在变形及应力稳定后及时记录。7.5 记录数据时需同时记录测量时刻的温度，并对测量结果做温度修正。7.6 同一点应间隔一分钟读取三次，取其平均值作为观测结果。防止意外冲击导致数据漂移。7.7 测量前需对数显式索力监测仪进行清零。并确认零值无漂

18、移后方可进行监控。7.8 连接数据线时应保证接头防潮防雨，避免雨水侵入。否则会造成数据失真。7.9现场安装测量装置时测杆不得相对抱箍旋转，否则会损坏内部元件，造成数据失真。8 安全措施8.1 对施工过程中所需的安全设施、设备及防护用品进行验证和检查，严禁劣质防护用品进入施工现场。8.2 现场临时用电执行JGJ462005施工现场临时用电安全技术规范，做好检查、验收。8.3 施工过程中的洞口、临边、高处作业必须采取安全防护措施；底层的通道口要合理布置，其它地方必须封闭；工程高度超过30m的要设双层防护棚，且间隔60cm。8.4 现场足额配置有效的消防器材，设专人负责管理。临时用电设施等危险部位，

19、应设置明显的安全警示标志。安全标志的设置必须符合国家标准的要求。8.5 测量装置现场电源电气连接必须由具有资质的电工进行操作。在雷雨天，应注意电气线路的安全可靠。8.6 测量装置及线缆应远离明火及热源。8.7 不得在测量装置带电的情况下拔插连接到测量装置的数据线。测量装置在监控全过程应保证常电。9 环保措施9.1 施工现场将遵照中华人民共和国建筑施工场界噪声限值（GB1252390）制定降噪的相应制度和措施。9.2对噪声超标造成环境污染的机械施工，其作业时间限制在7：00至12：00和14：00至22：00之内。9.3各项施工均选用低噪声的机械设备和施工工艺。施工场地布局要合理，尽量减少施工对

20、居民生活的影响，减少噪声强度和敏感点受噪声干扰时间。9.4 施工现场设立专门的废弃物临时贮存场地，废弃物应分类存放，对有可能造成二次污染的废弃物必须单独贮存、设置安全防范措施且有醒目标识。9.5 测量装置所用元器件需经环保认证，制作及使用过程不对环境产生污染。测量装置表面油漆采用环保型水性漆。9.6 夜间作业时应防止光污染，夜间照明只照射施工区域，不影响周围办公区、居民区办公及休息。9.7 选用的测量装置应绿色节能。数据记录及分析装置尽量选用能耗低的节能产品。10 效益分析预应力施工工况为预应力钢结构施工的一个重要环节。对于空腹式张弦桁架结构，需根据构件安装情况及预应力施加方案，计算结构在此施

21、工工况下的应力和变形，并以仿真计算结果指导实际施工。为更好地监控空腹式张弦桁架的初始应力和位型，宜对张拉施工过程作原位实时监测。采用本工法体现了以下效益：10.1 优选了施工方案，节约了过程中纠偏的时间和支出如果不进行仿真计算和索力监控，就不能确定施工方案能够达到预期的结构形状和索力。这样会造成施工盲目性，以及施工完成态的不可预见性。施工过程中如果出现了较大偏差，就会导致增加纠偏工作量，以致增加成本和拖延工期。采用数值仿真，可以精确模拟施工过程，从预案上保证张弦梁体系施工过程的结构安全，从预案上保证施工完成时的张弦梁屋盖形状符合建筑要求。从而避免了时间和费用增加，取得了可观的效益。10.2 指

22、导了钢结构深化设计，避免材料浪费及保证建筑效果进行仿真计算，避免了不合理起拱值造成材料的浪费，节约了造价。通过数值仿真及监控，保证了建筑外形符合设计要求，也确保了建筑功能，创造了精品工程，增加了社会效益。10.3保证了施工过程中索力不超过限定值，保证了结构安全 进行索力实时监控，确保索力不超过安全值。索结构的特点是一旦索超载被拉断，将引进连锁反应，造成结构的破坏。因此索力不超过设计范围是保证结构安全的关键。10.4 实现了索力的无损监测。数显式电子索力监测仪优点在于不破坏索体，索体内只要有一股钢丝受损，就会造成整个索体的损坏。10.5 数显式电子索力监测仪可以重复使用，节约了设备成本。数显式电子索力监测仪拆装方便，记录数据简单直观，节约了大量的人力成本。并