11-第十一章-结构变形控制与检测.doc

第十一章 结构变形控制与检测方案
11.1 歌剧院外壳钢结构安装过程变形分析
11.1.1 建立计算模型
根据设计方提供的图纸和数据，分别建立不同阶段的计算模型；利用ANSYS有限元软件计算其内力，并根据杆件内力验算构件的强度、刚度和稳定性。根据结构的实际尺寸，建立歌剧院的空间三维模型作为计算模型；钢材料为Q345GJB，弹性模量E=2.06×105MPa，屈服强度fy=295MPa，泊松比为0.3；材料本构关系采用理想弹塑性模型，屈服准则采用Von Mises屈服准则，计算时屈服强度取值为345MPa。
11.1.2 荷载情况
施工过程主要考虑结构杆件重力荷载和施工活荷载。因为采用满堂红脚手架，施工机械设备和人员等大都直接作用在脚手架构造的平台上，构件荷载以自重为主。根据经验，一般通过将杆件自重加大30%综合考虑部分施工过程的活荷载作用，是偏于安全的。
11.1.3 计算分析
利用ANSYS有限元分析软件计算节点的极限承载力。采用三维实体单元BEAM188单元进行计算。
1、安装阶段一

结构的模型图（安装阶段一） 结构的x方向位移图（安装阶段一）

结构的y方向位移图（安装阶段一） 结构的z方向位移图（安装阶段一）

结构的单元应力图（安装阶段一）
从计算结果可以看出，结构在x方向的最大变形为3mm，y方向的最大变形为7.6mm，z方向的最大变形为28.14mm，最大应力为102MPa。
2、安装阶段二

结构的模型图（安装阶段二） 结构的x方向位移图（安装阶段二）

结构的y方向位移图（安装阶段二） 结构的z方向位移图（安装阶段二）

结构的单元应力图（安装阶段二）
从计算结果可以看出，结构在x方向的最大变形为1.2mm，y方向的最大变形为0.5mm，z方向的最大变形为1.1mm，最大应力为13.5MPa。
3、安装阶段三

结构的模型图（安装阶段三） 结构的x方向位移图（安装阶段三）

结构的y方向位移图（安装阶段三） 结构的z方向位移图（安装阶段三）

结构的单元应力图（安装阶段三）
从计算结果可以看出，结构在x方向的最大变形为2.0mm，y方向的最大变形为2.1mm，z方向的最大变形为27.8mm，最大应力为57.25MPa。
4、安装阶段四

结构的模型图（安装阶段四） 结构的x方向位移图（安装阶段四）

结构的y方向位移图（安装阶段四） 结构的z方向位移图（安装阶段四）

结构的单元应力图（安装阶段四）
从计算结果可以看出，结构在x方向的最大变形为8.6mm，y方向的最大变形为8.9mm，z方向的最大变形为22.9mm，最大应力为58.26MPa。
5、 安装阶段五

结构的模型图（安装阶段五） 结构的x方向位移图（安装阶段五）

结构的y方向位移图（安装阶段五） 结构的z方向位移图（安装阶段五）

结构的单元应力图（安装阶段五）
从计算结果可以看出，结构在x方向的最大变形为7.3mm，y方向的最大变形为9.4mm，z方向的最大变形为13.2mm，最大应力为41.67MPa。
6、 安装阶段六

结构的模型图（安装阶段六） 结构的x方向位移图（安装阶段六）

结构的y方向位移图（安装阶段六） 结构的z方向位移图（安装阶段六）

结构的单元应力图（安装阶段六）
从计算结果可以看出，结构在x方向的最大变形为3.7mm，y方向的最大变形为6.1mm，z方向的最大变形为15.9mm，最大应力为42.22MPa。
7、安装阶段七

结构的模型图（安装阶段七） 结构的x方向位移图（安装阶段七）

结构的y方向位移图（安装阶段七） 结构的z方向位移图（安装阶段七）

结构的单元应力图（安装阶段七）
从计算结果可以看出，结构在x方向的最大变形为14.6mm，y方向的最大变形为6.6mm，z方向的最大变形为24.3mm，最大应力为53.13MPa。
8、安装阶段八

结构的模型图（安装阶段八） 结构的x方向位移图（安装阶段八）

结构的y方向位移图（安装阶段八） 结构的z方向位移图（安装阶段八）

结构的单元应力图（安装阶段八）
从计算结果可以看出，结构在x方向的最大变形为8.2mm，y方向的最大变形为2.9mm，z方向的最大变形为14.0mm，最大应力为50.30MPa。
11.2 多功能厅外壳钢结构安装过程变形分析
11.2.1 多功能厅整个安装过程的施工演算
多功能厅共分四个施工区，施工安装顺序为先安装施工一区，二区，三区，最后安装四区。
11.2.2 建立计算模型
根据设计方提供的图纸和数据，分别建立不同阶段的计算模型；利用ANSYS有限元软件计算其内力，并根据杆件内力验算构件的强度、刚度和稳定性。根据结构的实际尺寸，建立多功能厅的空间三维模型作为计算模型。
钢材料为Q345GJB，弹性模量E=2.06×105MPa，屈服强度fy=295MPa，泊松比为0.3；材料本构关系采用理想弹塑性模型，屈服准则采用Von Mises屈服准则，屈服强度取值为295MPa。
11.2.3 荷载情况
施工过程主要考虑结构杆件重力荷载和施工活荷载。因采用临时胎架，施工机械设备和人员等大都直接作用在脚手架构造的平台上，构件荷载以自重为主。根据经验，一般通过将杆件自重加大30%综合考虑部分施工过程的活荷载作用，是偏于安全的。
11.2.4 计算分析
利用ANSYS有限元分析软件计算节点的极限承载力。采用三维实体单元BEAM188单元进行计算。
1、安装阶段一

结构的模型图（安装阶段一） 结构的x方向位移图（安装阶段一）

结构的y方向位移图（安装阶段一） 结构的z方向位移图（安装阶段一）

结构的单元应力图（安装阶段一）
从计算结果可以看出，结构在x方向的最大变形为17.8mm，y方向的最大变形为14.9mm，z方向的最大变形为53.5mm，最大应力为125MPa。
2、安装阶段二

结构的模型图（安装阶段二） 结构的x方向位移图（安装阶段二）
结构的y方向位移图（安装阶段二） 结构的z方向位移图（安装阶段二）

结构的单元应力图（安装阶段二）
从计算结果可以看出，结构在x方向的最大变形0.2mm，y方向的最大变形为1mm，z方向的最大变形为0.7mm，最大应力为9.9MPa。
3、安装阶段三

结构的模型图（安装阶段三） 结构的x方向位移图（安装阶段三）

结构的y方向位移图（安装阶段三） 结构的z方向位移图（安装阶段三）

结构的单元应力图（安装阶段三）
从计算结果可以看出，结构在x方向的最大变形为2.2mm，y方向的最大变形为1.3mm，z方向的最大变形为20.5mm，最大应力为55.96MPa。
4、安装阶段四

结构的模型图（安装阶段四） 结构的x方向位移图（安装阶段四）

结构的y方向位移图（安装阶段四） 结构的z方向位移图（安装阶段四）

结构的单元应力图（安装阶段四）
从计算结果可以看出，结构在x方向的最大变形为5.0mm，y方向的最大变形为2.7mm，z方向的最大变形为23.5mm，最大应力为43.71MPa。
5、 安装阶段五

结构的模型图（安装阶段五） 结构的x方向位移图（安装阶段五）

结构的y方向位移图（安装阶段五） 结构的z方向位移图（安装阶段五）

结构的单元应力图（安装阶段五）
从计算结果可以看出，结构在x方向的最大变形为3.9mm，y方向的最大变形为26.4mm，z方向的最大变形为32.1mm，最大应力为52.92MPa。
6、 安装阶段六

结构的模型图（安装阶段六） 结构的x方向位移图（安装阶段六）

结构的y方向位移图（安装阶段六） 结构的z方向位移图（安装阶段六）

结构的单元应力图（安装阶段六）
从计算结果可以看出，结构在x方向的最大变形为4.5mm，y方向的最大变形为7.5mm，z方向的最大变形为26.1mm，最大应力为54.07MPa。
7、安装阶段七

结构的模型图（安装阶段七） 结构的x方向位移图（安装阶段七）

结构的y方向位移图（安装阶段七） 结构的z方向位移图（安装阶段七）

结构的单元应力图（安装阶段七）
从计算结果可以看出，结构在x方向的最大变形为4.3mm，y方向的最大变形为7.5mm，z方向的最大变形为24.5mm，最大应力为53.82MPa。
11.3 钢结构制作与安装温度分析
11.3.1 制作温度与安装温度比较
广州典型年月平均温度
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
月平均干球温度(℃)
13.9
14.2
18.3
22.4
26.1
27.2
28.8
28.0
27.4
24.3
20.1
15.4
杭州典型年月平均温度
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
月平均干球温度(℃)
5.2
6.6
10.8
16.3
21.2
24.9
27.6
28.2
24.1
19.2
12.7
6.5

表示安装月份

表示制作月份

制作月平均最高气温：24.1℃；安装月最低气温：13.9℃；温差：10.2℃。
制作月平均最低气温：5.2℃；安装月最高气温：26.1℃；温差：20.9℃。
安装时的气温与设计气温温差为－11.1℃～＋1.1℃。

11.3.2 温度变形计算
1、荷载选取
选择参考温5.2度，计算温度26.1度。
2、截面选取
计算截面选择焊接箱型梁1000×300×10×12，长度为1米。材质为Q345GJB的钢材。
3、模型建立
根据结构的实际尺寸，建立胎架的空间三维模型作为计算模型；钢材料为Q345GJB，弹性模量E=2.06×105 MPa，屈服强度fy=295MPa，泊松比为0.3；材料本构关系采用理想弹塑性模型，屈服准则采用Von Mises屈服准则，计算时屈服强度取值为345MPa。

构件模型图
4、计算分析
利用ANSYS有限元分析软件计算构件的温度变化。采用三维实体单元BEAM4单元进行计算。构件的变形图如下：

构件变形图
从计算结果可以看出构件变形为0.144mm。
11.4 外壳钢结构安装原位监测与控制措施
由于本工程外壳钢结构的复杂性和特殊性，且自重较大，在施工过程中受气候条件、施工措施以及结构自身的因素影响，结构会存在一定的变形，因此应采取有效的监控手段，及时掌握相关信息，确保钢结构的安装精度和施工安全。
本工程外壳钢结构安装监测包含三个方面的监测内容：施工现场气象监测、钢结构安装过程变形与应力监测、胎架释放监测。
施工现场气象监测
监测位置
与频率
监测内容
监测方法
测量设备

地面、安装工作面各四个点（1次/每天）
温度
温度传感器测量

xsg-2数字气象仪
工作环境条件：
测风传感器：-30℃～+45℃
测温湿传感器：-30℃～+45℃
气压传感器：-10℃～+40℃
湿度
湿度传感器测量

JCJ100N温湿度传感器
温度准确度：±0.2%
湿度准确度：±2%或±3% RH（25～90%RH,25℃）

风速
风速仪测量

GW24-WE550风速传感器
测速范围 : 0～ 50 m/s
精度 :0.09米/秒（范围5～ 25m/s）
监测目的
1、及时掌握施工现场的气象情况，可为测量和监测时间的选择提供科学的依据，保证测量的精度。
2、及时掌握施工现场的气象情况，可保证施工生产的顺利进行。
钢结构安装过程变形与应力监测
监测位置
与频率
监测内容
监测方法
测量设备
变形监测（1次/区）
铸钢
节点
水平位移监测
全站仪与百分表
测量

徕卡TCA-2003
测程（一般大气条件）：2500 m
圆棱镜（GPR1）
角度测量精度：0.5"
距离测量精度： 1mm+1ppm/3.0秒
竖向位移监测
结构面主梁
水平位移监测
全站仪与百分表
测量
下挠度监测

临时
胎架
沉降监测
精密水准仪测量

精密水准仪
每公里往返测高程精度：0.3mm (带测微计) 放大倍率标准：32x 补偿器设置精度：0.3" 补偿器工作范围：±30'
外壳结构整体
沉降监测
精密水准仪测量
应力监测
（1次/区）
铸钢
节点
应力测试
贴应力片或振弦式钢筋应变计测量

NVS振弦式应变计
仪器标距:150 mm
量程：0～3000με（10-6）
分辨率：0.05%F.S.
测量精度：0.5%F.S.
NVS振弦式应变计 温度测量范围：-20～+60 ℃ 耐水压：0.5 Mpa
结构面主梁
应力测试
贴应力片或振弦式钢筋应变计测量

NVGS振弦式应力计
监测目的
1、本工程建筑造型新颖，结构构件位置变化大。通过对施工过程中建筑物的沉降和平动的监测，可及时获取各施工阶段不同的结构部位变形情况，将监测所获得的数据与事先经过理论计算所获得的变形数据进行比较，及时调整施工和安装变形误差，保证施工的正常进行和建筑物尺寸的准确。
2、本工程结构形式较为复杂，通过对受力较大的部位和应力集中的部位进行应力测试，跟踪构件的应力变化情况，及时掌握构件的受力数据，通过对所获得的数据与设计的理论值进行比较分析，可对结构的安全行进行科学的评价。
11.4.3 胎架释放监测。
1、为结构分析提供参考依据。胎架释放监测内容主要包括铸钢节点和主梁的竖向位移与侧向水平位移、铸钢节点和主梁的应力、支座的水平位移等。
2、监测测量方案
（1）、在胎架释放前，用全站仪测量各节点和主梁跨中的初始状态参数。
（2）、根据结构特点，合理布设监测点，在构件一端设置全站仪，监测构件位移；在构件上下表面布置应变片，监测构件截面应力变化。
（3）、在胎架释放过程中，测量每级释放结束后的各监测参数，并及时提交于指挥人员，判断释放过程的结构安全性。
（4）、在胎架释放后三天内，对各监测参数继续进行监测，并作好记录。
（5）、测量滑动支座固定后屋面板安装过程的各参数监测。
3、释放监测方法
释放监测采用稳定、直观、可靠的传统测试方法与先进的光导纤维传感技术相结合的双重测试手段。传统测试方法主要采用拉线法，倾角仪，直观量测，并配以水准仪和电阻应变等方法。光导纤维传感技术可实现从光→光栅光纤传感器→光传感网络分析→电脑软件系统→结构应力的转换，具有可绝对量测量，体积小，传感距离长、不受光信号强弱影响，精度高，多参数分布测量，不受环境电磁干扰，能动态测试等突出的适应结构安全监测优点。
11.5 安装胎架卸载
11.5.1胎架卸载条件
（1）整个结构的安装胎架满堂布设，待结构安装完毕，整体校正并焊接完毕后，放能开始卸载。
（2）做好胎架卸载管理组织和检测准备，要有计划、有准备的做好胎架卸载施工。
11.5.2安装胎架卸载方法和顺序
(1) 胎架卸荷采用“计算机同步控制、整体逐步卸荷”的方法进行，对卸荷过程进行计算机仿真模拟。
(2) 胎架卸荷整体顺序从中间向四周逐步扩展卸荷；同一个结构面上胎架卸荷顺序应先卸应力变形小的胎架、再卸应力变形大的胎架。