青岛世园会C馆施工监测与模拟分析.pdf

李发强等 ： 青岛世园会 C馆施工监测与模拟分析 青岛世 园会 C馆施工监测与模拟分析 李发强 ， 周 ( 1 青岛理工大学 土木工程学院 青岛2 6 6 0 3 3； 扬 ， 张纪刚 2 青 岛市建筑 T程质量监 督站 青 岛2 6 6 0 71 ) 【 摘要】 鉴于青岛 2 0 1 4 年世园会植物馆 C馆网格结构为大跨度异形结构。施工复杂、 难度大且不易控 制。利用弦式应变计和静力水准仪对该网架采用无线监测， 监测该网架的竖向位移和杆件内力。同时采用了详 细的有限元数值分析。研究结果表明， 卸载时监测结果和有限元分析结果吻合较好， 表明青岛2 0 1 4年世园会植物 馆 c馆网格结构卸载成功。 【 关键词】 监测 ； 大跨度网格结构； 数值分析； M I D A S ； 卸载； 应力应变无线监测系统 【 中图分类号】 T U 2 4 2 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 7 0 0 7 9 0 2 近年来， 随着土木工程技术水平迅速提高， 各种空间结 构向着大型化 、 复杂化的方 向发展， 大跨度空间结构的建造 及其采用的技术已成为衡量一个国家建筑技术水平的重要 标志 J 。青岛世园会植物馆网架为异型大跨结构， 外形规 划设计为树叶形状， 是亚洲最大的钢结构植物馆之一。结 构类型为： 地上钢结构， 地下混凝土结构。植物馆工程地上 分 A、 B、 c、 D四个单体结构， C馆为温带植物展区， d 王 是四个 馆中最大的馆。四个单体结构形式相同， 均采用钢结构空 间网格结构 ， 主要受力构件为拱形三角管桁架， 桁架之间采 用单层网壳结构连接 ， 形成一个稳定的空间受力结构。其 中C馆最大规格杆件为 4 5 2 5 mm， 最小规格杆件为 8 9 x 5 m m； 最高处标高 3 0 0 0 m，南北向跨度为 1 2 4 6 5 m， 支座 铰接。如图 1 、 图2所示。植物馆是青岛世园会的最重要的 场馆之一 ， 因此为了保障结构的安全性、 适用性与耐久性， 对该场馆进行模拟和监测就显得尤为必要的。 图1 网架俯视图 图2 网架侧视 图 1 无线监测系统简介 采用国防科技大学 、 湘银河公司生产的弦式应变计、 8 支静力水准仪 ， 其中弦式应变计测量杆件内力， 静力水准仪 测量网架内部节点竖向变形情况 ， 还包括密封机箱、 无线传 输模块、 电源控制器、 自动采集箱、 主线和分线等， 建立青岛 2 0 1 4世园会植物馆 C馆网架结构的无线健康监测系统 ( 图3 ) 。可监测杆件内力、 网架位移和网架温度分布， 为该 大型复杂的网架的正常运营提供安全保障。 2监测元件 的安装 监测杆件的布置在在 自重荷载情况下受力最大的杆 件。网架结构内部的节点竖 向变形不能采用位移计， 因为 图3 集 中数据采集和无线远程监控系统 位移计在空间网架结构中无法确定固定点， 故采用岩土地 基大坝经常采用的静力水准仪来测量竖向位移。为便于安 装 ， 开发了网架结构专用静力水准仪的支架及其安装方法。 静力水准仪中一般情况下注入水， 但本工程春夏季施工容 易蒸发， 为长期监测故以汽车用防冻液代替水 ， 另外在防冻 液液面上添加硅油 ， 进一步防止防冻液挥发， 减少液体的损 失， 保证足够的液体流动。 3 实验结果与数值分析 现场采用 G P R S无线上网自动化数据采集系统软件， 采 用无线传输模块进行卸载应力和变形监测。总传感器数 目 为 1 0个， 无线传输模块 1个。该软件可以监测杆件应变和 竖向变形， 还可以测量杆件的温度。测量杆件的温度就可 以对网架结构预防火灾等起到预警的作用， 见表 1 、 表 2 。 卸载时就可对网架结构的杆件变形 、 竖向变形监测为 施工提供依据 ， 保证卸载的成功。表 3为静力水准仪数据汇 低温建筑技术 2 0 1 4 年第7期( 总第 1 9 3 期) 总表。卸载中发现， 卸载后 网架结构在自重作用下 的竖向 变形和杆件应变基本保持稳定状态。例如， 4 样 测点下降了 3 5 mm， 2天之后 达到稳定 3 6 9 m m。从表 3可看出卸载后 竖向最大的变形为4 9 m m。 表 1 监测杆件编号及坐标 杆件编号 下端坐标( ， y ， Z ) 上端坐标( ， Y 。 Z) 1 0 3 7 4 ( X 1 弦 式应变计) 9 1 5 4 ( X 2弦 式应变计) 2 4 4 6 6 4 9 7 e+0 0 8， 1 1 7 8 7 0 6 e+0 0 8， 1 2 6 7 7 1 9 1 2 4 4 7 1 6 6 7 e+0 0 8， 1 1 7 9 1 1 5 3 e+ 0 0 8， 1 3 1 0 7 8 6 5 2 4 4 6 6 4 7 6 e+0 0 8， 1 1 7 8 7 0 4 e+ 0 0 8， 1 2 5 7 0 3 8 1 2 4 4 7 1 1 6 3 e+ 0 0 8。 1 1 7 9 1 1 4 +0 0 8。 1 3 1 7 5 5 2 9 表2 静力水准仪悬挂节点编号及坐标 节点编号 坐标( ， y ， Z ) ( 1 # 基准点水准仪) 2 7 3 7 ( 2 # 水准仪) 2 6 0 9 ( 3 # 水准仪) 2 5 7 3 ( 4 # 水准仪) 2 5 5 6 ( 5 # 水准仪) 2 6 4 0 ( 水准仪) 2 6 7 8 ( 7 # 水准仪) 2 7 1 2 ( 8 # 水准仪) 位于相邻不会发生竖向变形的稳定结构上 2 4 4 7 0 5 5 8 e+0 o 8 1 1 7 9 0 2 1 1 3 e+ 0 0 8 1 3 4 4 5 5 5 0 2 4 4 7 0 o 8 3 e 0 o 8 1 1 7 8 9 3 2 5 l+0 0 8 l 3 6 6 6 2 8 1 2 4 4 6 9 8 2 7 e+0 0 8 1 1 7 8 8 3 5 6 e+0 o 8 1 3 9 2 3 9 8 2 2 4 4 6 9 5 8 4 e+o o 8 1 1 7 8 7 3 7 9 e+0 0 8 l 4 o 2 O1 9 8 2 4 4 6 9 8 4 9+ 0 o 8 1 1 7 8 6 3 2 3 e+0 0 8 1 4 1 5 8 4 4 3 2 4 4 6 9 9 3 3 e+0 o 8 1 1 7 8 3 5 3 2 e+0 0 8 1 4 1 1 7 3 3 7 2 4 4 6 9 9 1 e十 0 0 8 1 j 7 8 4 3 0 7 e +0 0 8 1 4 0 2 0 7 2 4 表 3 静力水准仪数 据汇 总 2 # 3 f 4 # 5 # 6 # 7 # 船 位移 ram一3 8 5 73 0 3 2 3 6 9 2 4 2 3 5 3 6 3 2 4 9 1 2 2 1 5 0 温度 6 8 7 0 7 1 6 8 7 3 6 8 6 8 4数值有 限元分 析 ( 1 ) 计算软件及假定 。计算软件 ： 采用通用有限 元分析软件 M I D A S G e n V e r 7 8 0 。 单元类型： 单层网壳及桁架弦杆采用梁单元模拟， 能同 时考虑轴力、 剪力和弯矩作用； 桁架腹杆采用桁架单元模 拟， 仅考虑轴力作用。 边界条件： 根据 设计 图纸要 求， 支座采 用铰 接约束 模拟。 支撑架用 z向约束模拟； 临时拉结措施用弹性支承模 拟； 模型见图4 ， 图5 。 荷载工况： 恒载( D) 一结构 自重， 由程序 自动计算。 图4 计算模型 ( 俯视图 ) 图5 计算模型 ( 轴侧图 ) ( 2 ) 试验结果分析。试验结果和有限元分析结果见 表 4 。由表 4可知， 分析结果与试验结果有较大的差距。结 合本工程实际情况作出如下分析。 表 4 结果 对比 n t m 原因一： 支撑底部不是硬化地面， 在施工过程中可能 已 经缓慢发生沉降。原因二 ： 在卸载前， 本馆内过早的进行土 方开挖工程， 由于开挖土方较深 ， 也可能引起支撑沉降。 综上两个原因认为： 在支撑卸载前已经发生了细微沉 降。所以卸载后结构竖向位移微小。 图6 钢结构一次成型状态 5结语 通过对青岛2 0 1 4世园会植物馆 c馆的变形监测， 对 网 架结构卸载后的安全状况进行了分析， 并进行了详细得有 限元数值分析。可以看出 ， 考虑到现场实际环境影响， 青 岛 2 0 1 4世园会植物馆 c馆变形与预先设计比较吻合， 而且 后续的竖向变形监测数据平稳， 数据波动范围都在 l m m以 内， 表明网架结构设汁比较合理； 同时， 通过检测分析发现， 按规定施工， 规范施工， 也是使大跨度钢结构建造安全可靠 的重要组成部分， 因此， 模拟监测也对施工起到了很好的指 导作用 。 参考文献 1 蓝天， 张毅刚 大跨度屋盖结构抗震设计 M 北京： 中国建筑 工业 出版社 2 o o o 2 曾志斌 ， 张玉玲国家体育场大跨度钢结构卸载时应力监测 系统 J 中国铁道科学， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 1 ) ： 1 3 9 1 4 3 3 j E 京迈达斯技术有限公司M i d a s G e n 工程应用指南 M 北 京： 中国建筑工业出版社， 2 0 1 2 4 壬昌兴 M I I) A S G e n 应用实例教程及疑难解答 M 北京： 中 国建筑工业出版社 ， 2 0 1 0 【 收稿 日期 2 0 1 4 0 2 2 7 作者简介 李发强( 1 9 9 0一) ， 男， I U 东临沂人 ， 硕士研究生， 从事结构设讣及其 耐久性方 面的研究。 l 陵