张弦梁体系安装数值仿真及监控施工工法附图

张弦梁体系安装数值仿真及监控施工工法法二零一四年二月月张弦梁体系安装装数值仿真及及监控施工工工法前言目前各地正在兴兴建众多的大大跨度建筑，如如体育场馆、展展览会堂等。这这些建筑往往往成为当地地地标性建筑。大大跨度建筑屋屋面系统经常常采用张弦梁梁体系。张弦弦梁体系的特特点在于引入入了预应力高高强钢索。钢钢索索体强度度通常可达到到1670兆帕。高强强材料引入意意味着构件截截面更小，实实现了更为轻轻盈的建筑效效果。对钢索索施加预应力力，一方面可可以为结构提提供反拱，有有效改善了大大跨度结构挠挠度过大的问问题；另一方方面可以改善善结构的应力力分布，降低低了结构造价价。因此张弦弦梁体系是一一种大有可为为的新型结构构体系。但是是张弦梁体系系对于安装施施工有着特殊殊要求。设计计单位给出的的是安装施工工完成时的索索力和形状（施施工完成态）。施施工单位需进进行数值仿真真计算，预测测施工开始时时的结构形态态（施工初始始态），经过过钢结构安装装施工和索张张拉后是否能能达到施工完完成态的要求求。同时，在在安装施工过过程中也需要要对索力及结结构形状进行行实时监控，并并与数值仿真真计算结果对对比，及时进进行纠偏，保保证施工完成成态符合设计计要求。嘉定体育中心（一一期）新建工工程位于上海海市嘉定区，竞竞赛馆屋面采采用了空腹式式张弦桁架体体系，平面尺尺寸为66.0xx73.8米。空腹式式张弦桁架体体系作为一种种新型的大跨跨度张弦梁结结构，具有无无桁架斜腹杆杆，建筑造型型简洁通透的的优点。本公公司在该项目目施工中，研研究了安装过过程动态仿真真，以及索力力监控等施工工关键技术，结结合PDCA项目管理方方法，形成了了本工法。工法特点本工法的两大核核心内容为施施工过程动态态仿真以及施施工过程信息息化监控。施施工过程动态态仿真的主要要内容为通过过建立基于时时间轴的三维维动态模型，模模拟整个施工工周期内的张张弦梁体系成成型过程。通通过计算可以以得到结构关关键点的应力力及变形时程程，从而选择择合理施工方方案，指导钢钢结构深化设设计，从预案案上使得施工工完成时的张张弦梁屋盖形形状符合建筑筑要求，并确确保张弦梁体体系施工过程程的结构安全全。施工过程程信息化监控控的主要内容容为通过无损损数据采集系系统，对整个个施工周期内内关键点的应应力、位移进进行监控，及及时进行纠偏偏，从实测上上保证结构安安全，并保证证施工完成时时的形状符合合建筑要求。对对于张弦梁中中的索力监控控，本工法采采用了专门研研制的数显式式电子索力监监测仪，对拉拉索进行无损损监控。本工工法所研发的的数显式电子子索力监测仪仪已申请国家家专利。本工法实现了张张弦梁体系施施工过程的可可预见性、可可控性，保证证了施工过程程的结构安全全，以及施工工完成后索力力和结构变形形符合设计要要求。经实践践验证，提高高了施工质量量，节约了施施工工期，降降低了工程造造价，取得了了显著效益。适用范围本工法适用于各各类张弦梁体体系的施工，如如空腹式张弦弦桁架、弓式式张弦梁、轮轮辐式张弦梁梁等。工法原理4.1施工过过程动态仿真真原理建立结构三维动动态模型，考考虑索的大变变形特点，采采用非线性有有限元法进行行施工过程时时程分析。结结构单元（比比如边跨张弦弦梁和中间跨跨张弦梁）出出现的时刻依依据施工方案案，同时有部部分结构单元元会在后期消消失（如临时时支撑）。结结构上的荷载载出现的时刻刻也依据施工工方案（比如如主索张拉的的力度和阶次次）。因为索索结构的几何何非线性，采采用不同的施施工方案，其其仿真运算的的结果不同，体体现了非线性性结构的路径径相关性。应应用计算结果果指导钢结构构制作及安装装，选择合理理的施工方案案，确定预应应力的梯度和和施加顺序。施施工过程动态态仿真符合了了PDCA项目管理方方法中对于预预先计划的要要求。4.2施工过过程信息化监监控原理施工过程信息化化监控原理为为对施工全过过程的结构关关键点进行监监测，并与施施工动态仿真真结果进行对对比，及时进进行纠偏。施施工过程信息息化监控符合合了PDCA项目管理方方法中对于过过程监测及纠纠偏的要求。施工过程监控的的信息化主要要体现在采用用电子设备进进行监测和记记录。整个施施工过程历时时长，观测位位置不易接近近，为节约人人力及保障人人员安全，宜宜用电子设备备进行数据的的采集和记录录。监控设备备不能影响各各结构构件的的受力性能，因因此宜采用无无损方法进行行应力监测。针针对张弦梁体体系索的无损损监控难题，研研发了数显式式电子索力监监测仪。电子子索力监测仪仪原理如下：：测杆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图数显式电子索力力监测仪由测测量装置,数显表及电电控箱组成，可可实现对索力力的持续测量量监控。施工工艺流程及及操作要点5.1工艺流流程建立三维动态模型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施施工流程图5.2建立三维维动态模型5.2.1建立立三维整体模模型因为钢结构为空空间体系，整整体受力，所所以仿真计算算模型必须采采用三维整体体模型。可采采用CAD软件建立空空间线框模型型。建模型时时应注意尺寸寸需精确到毫毫米。CAD软件具有数数据精确，空空间造型能力力强的优点。空空间线框模型型建好后，可可保存为DXF格式，并导导入有限元软软件。有限元元软件可采用用SAP20000或MIDAS等通用有限限元程序。DXF格式可被大大多数的有限限元软件读取取，是数据交交换的中间站站。在有限元元软件中赋予予线框单元属属性。桁架采采用空间梁单单元。索应采采用索单元。考考虑索的大变变形因素，同同时需打开索索单元的几何何非线性开关关，这样可以以充分模型张张拉时索的伸伸长。以嘉定体育中心心竞赛馆张弦弦桁架为例，拉拉索采用高钒钒索，拉索索索体公称抗拉拉强度为1670MMPa,，钢索公称称直径为90mm。张弦桁架架总计8榀，高钒索索总计8根。张弦桁桁架立面图见见下图：结构平面布置见见下图：根据设计图建立立整体计算模模型。图5.2.1整整体计算模型型（骨架效果果图）图5.2.2整整体计算模型型（线框图）赋予各结构单单元时间特性性赋予各结构单元元时间特性，就就是确定各结结构单元何时时出现。这样样就把整体模模型转化为了了三维动态模模型。可以在在计算软件中中把构件分组组，并制定各各组出现的时时间。这是建建立动态仿真真模型的关键键。将整个施施工过程划分分为数个时间间步（阶段），每每个时间步上上的模型因各各组的组合不不同，因此各各不相同，形形成了动态模模型。以嘉定体育中心心工程为例，各各组出现的顺顺序为：第一阶段，第一一组出现（第第一榀）第二阶段，第二二组出现（第第二榀）第三阶段，第三三组出现（第第三榀）第四阶段，第四四组出现（第第四榀）第五阶段，第五五组出现（第第五榀）第六阶段，第六六组出现（第第六榀）第七阶段，第七七组出现（第第七榀）第八阶段，第八八组出现（第第八榀）第九阶段，第九九组出现（端端跨构件）第十阶段，檩条条及屋面板自自重荷载出现现5.3非线性时时程分析及仿仿真时程曲线线索为高柔性单元元，需要考虑虑大变形因素素带来的几何何非线性。进进行分析时需需打开有限元元软件的时程程分析功能，得得到对应各阶阶段的结构关关键点应力和和位移。为防防止索受力超超载，影响结结构安全，应应重点关注索索力的时程曲曲线。同时，施施工完成态的的位型也直接接影响建筑造造型，因此关关键点的位移移也需要加以以监控。以嘉嘉定体育中心心工程为例，选选取四处索力力时程曲线及及两处位移时时程曲线加以以说明。C点F点E点B点A点D点C点F点E点B点A点D点图5.3.1索索力关键点布布置图此四个点的时程程曲线计算结结果为：A点索力时程曲曲线（单位KN）B点索力时程曲曲线（单位KN）C点索力时程曲曲线（单位KN）D点索力时程曲曲线（单位KN）E点竖向位移曲曲线及F点水平位移移曲线为：E点竖向位移曲曲线（单位mm，向上为正正）F点水平位移时时程曲线（单单位mm，向外为正正）5.4确定最最优施工方案案及深化设计计根据各备选施工工方案的仿真真计算结果，可可以选择施工工完成态最为为接近设计给给定的，纠偏偏工作量最小小的施工方案案，这就是最最优的施工方方案。根据仿仿真计算结果果，可以指导导钢结构深化化设计，合理理确定结构反反拱值，以降降低工程造价价。以嘉定体育中心心工程为例，通通过数值仿真真，考虑纠偏偏工作量最小小，确定了最最优施工方案案为：步骤一：第一榀榀桁架拼装到到位。步骤二：第二榀榀桁架拼装到到位。步骤三：安装两两榀桁架之间间的构件，并并随之安装吊吊杆、拉索并并张拉第一榀榀桁架。步骤四：将第二二榀桁架滑移移至第一榀桁桁架位置为止止，安装第二二榀桁架拉索索并张拉。步骤五：安装第第三榀桁架及及与第二榀桁桁架之间的构构件：步骤六：进行桁桁架滑移，将将第三榀桁架架滑移至第二二榀的位置，并并随之安装第第三榀拉索并并张拉。步骤七：重复以以上操作，直直至8榀桁架张拉拉完毕。通过数值仿真，根根据计算结果果，采用最优优施工方案的的话结构可不不用预先起拱拱，施工完成成态结构各控控制点形状与与设计给定值值偏差均小于于20mm，满足设计计要求，保证证了建筑效果果。并且按此此施工顺序，施施工完成时索索的内力与设设计给定值偏偏差均小于5%，满足设计计要求，避免免了索的补张张拉，节省了了纠偏的工作作量和时间。据据此确定深化化设计全模型型为：深化设计整体模模型因为深化设计可可不起拱，所所以减小了构构架加工长度度，节约了材材料用量。同同时数值仿真真计算显示张张拉过程中桁桁架节点出现现较大应力，采采用加腋的方方法对空腹桁桁架弦杆与腹腹杆连接节点点区域进行了了加强，保证证了结构安全全。深化设计单元模模型5.5钢结构构安装，索力力、位移监控控及纠偏确定最优施工方方案后，按最最优施工方案案进行钢结构构安装及索力力、位移监控控。钢结构安安装应严格依依据数值仿真真的各时间步步（阶段）。索索力的监控应应采用无损检检测方式，并并进行全过程程的记录。采采用数显式电电子索力检测测仪，较之常常用的应变片片的方法，对对索的影响更更小，而且便便于拆装，可可重复利用。位位移监控可采采用全站仪进进行监控记录录。也可采用用电子位移计计，将测量结结果直接引入入计算机。当监控结果与数数值仿真相差差较大时，应应及时进行纠纠偏。纠偏可可采用补张拉拉的方法，对对索进行二次次张拉。补张张拉宜分阶进进行，每阶补补张拉后应检检测各控制点点的数据。以嘉定体育中心心为例，钢结结构安装完全全依据数值仿仿真选择的最最优施工方案案：首先拼装第一榀榀桁架，然后对第一一榀拉索进行行张拉；然后拼装第二榀榀桁架，对第第二榀拉索进进行张拉；依次循环，直至至八榀主桁架架拼装及张拉拉完成。然后后散件拼装法法安装南北两两侧端跨构件件。最后安装装屋面檩条及及屋面板。安装第一榀和第第二榀安装第三榀和第第四榀安装第五榀和第第六榀安装第七榀和第第八榀安装端跨及马道道、檩条安装屋面板以下为索力监控控系统现场照照片：安装数显式电子子索力监测仪仪测量读数索力监控采用的的是数显式电电子索力监测测仪，关键点点变形采用的的是全站仪。经经全程监控，A、B、C、D四点的实测测索力时程曲曲线（实线为为实测时程曲曲线，虚线为为仿真计算曲曲线）为：A点实测索力时时程曲线（单单位KN）B点实测索力时时程曲线（单单位KN）C点实测索力时时程曲线（单单位KN）D点实测索力时时程曲线（单单位KN）E点竖向位移实实测曲线及F点水平位移移实测曲线（实实线为实测时时程曲线，虚虚线为仿真计计算曲线）为为：E点竖向位移曲曲线（单位mm，向上为正正）F点水平位移曲曲线（单位mm，向外为正正）从时程曲线对比比可以看出，采用数值仿仿真与实际监监控较为吻合合，较好的指指导了实际施施工，在无需需进行纠偏的的情况下，保保证了索力偏偏差不超过设设定值的5%，关键点变变形偏差不超超过20mm，满足了设设计要求，保保证了结构安安全，降低了了施工成本。材料与设备本工法的主要机机具设备为位位移、应力监监测仪器。位位移可采用全全站仪或电子子位移计。应应力监测仪器器可采用应变变片、数显式式电子索力监监测仪等。索力无损监控的的关键设备可可采用数显式式电子索力监监测仪，系统统包含测量装装置及数显仪仪表：数显式电子索力力检测仪系统统构成数显仪表参数如如下：输入电压(V))85~230功率(W)15重量(kg)1.28外形尺寸(mmm)长宽高2955×195××66输入信号TTL方波分辨率(um))1测量装置参数如如下：安装完成后需要要保证图示中中抱箍距离L=20000mm，调节固定定端抱箍十字字头，使测杆杆可以顺畅前前后移动。调调整测杆露出出长度L1使侧杆可以以在L1位置前后能能移动50mm，然后锁紧紧十字头上锁锁母。实物照片见附图图。现场安装位置安装示意读数示意质量控制7.1、质量控控制依据的规规范为：《质量管理和质质量保证》GBB/T190000《工程测量规范范》GGB500026《建筑工程施工工质量验收统统一标准》GBB503000《钢结构工程施施工质量验收收规范》GB5022057.2数值仿真真应采用两种种以上的计算算软件相互验验证，以保证证仿真结果可可靠。各控制制点计算结果果偏差应在10%以内。7.3各测点应应每天早、中、晚各记录一一次。7.4当结构构上新增荷载载时，如安置置马道、安置置檩条、安置置屋面板等，应应在变形及应应力稳定后及及时记录。当当结构体系发发生转换时，如如拆除临时支支撑、落于支支座时，应在在变形及应力力稳定后及时时记录。7.5记录数数据时需同时时记录测量时时刻的温度，并对测量结结果做温度修修正。7.6同一点点应间隔一分分钟读取三次次，取其平均均值作为观测测结果。防止止意外冲击导导致数据漂移移。7.7测量前前需对数显式式索力监测仪仪进行清零。并并确认零值无无漂移后方可可进行监控。7.8连接数数据线时应保保证接头防潮潮防雨，避免免雨水侵入。否否则会造成数数据失真。7.9现场安装装测量装置时时测杆不得相相对抱箍旋转转，否则会损损坏内部元件件，造成数据据失真。安全措施8.1对施工工过程中所需需的安全设施施、设备及防防护用品进行行验证和检查查，严禁劣质质防护用品进进入施工现场场。8.2现场临临时用电执行行JGJ46－2005《施工现场场临时用电安安全技术规范范》，做好检检查、验收。8.3施工过过程中的洞口口、临边、高高处作业必须须采取安全防防护措施；底底层的通道口口要合理布置置，其它地方方必须封闭；；工程高度超超过30m的要设双层层防护棚，且且间隔60cm。8.4现场足足额配置有效效的消防器材材，设专人负负责管理。临临时用电设施施等危险部位位，应设置明明显的安全警警示标志。安安全标志的设设置必须符合合国家标准的的要求。8.5测量装装置现场电源源电气连接必必须由具有资资质的电工进进行操作。在在雷雨天，应应注意电气线线路的安全可可靠。8.6测量装装置及线缆应应远离明火及及热源。8.7不得在在测量装置带带电的情况下下拔插连接到到测量装置的的数据线。测测量装置在监监控全过程应应保证常电。环保措施9.1施工现现场将遵照《中中华人民共和和国建筑施工工场界噪声限限值》（GB125523—90）制定降噪噪的相应制度度和措施。9.2对噪声超超标造成环境境污染的机械械施工，其作作业时间限制制在7：00至12：00和14：00至22：00之内。9.3各项施工工均选用低噪噪声的机械设设备和施工工工艺。施工场场地布局要合合理，尽量减减少施工对居居民生活的影影响，减少噪噪声强度和敏敏感点受噪声声干扰时间。9.4施工现现场设立专门门的废弃物临临时贮存场地地，废弃物应应分类存放，对对有可能造成成二次污染的的废弃物必须须单独贮存、设设置安全防范范措施且有醒醒目标识。9.5测量装装置所用元器器件需经环保保认证，制作作及使用过程程不对环境产产生污染。测测量装置表面面油漆采用环环保型水性漆漆。9.6夜间作作业时应防止止光污染，夜夜间照明只照照射施工区域域，不影响周周围办公区、居居民区办公及及休息。9.7选用的的测量装置应应绿色节能。数数据记录及分分析装置尽量量选用能耗低低的节能产品品。效益分析预应力施工工况况为预应力钢钢结构施工的的一个重要环环节。对于空空腹式张弦桁桁架结构，需需根据构件安安装情况及预预应力施加方方案，计算结结构在此施工工工况下的应应力和变形，并并以仿真计算算结果指导实实际施工。为为更好地监控控空腹式张弦弦桁架的初始始应力和位型型，宜对张拉拉施工过程作作原位实时监监测。采用本本工法体现了了以下效益：：10.1优选选了施工方案案，节约了过过程中纠偏的的时间和支出出如果不进行仿真真计算和索力力监控，就不不能确定施工工方案能够达达到预期的结结构形状和索索力。这样会会造成施工盲盲目性，以及及施工完成态态的不可预见见性。施工过过程中如果出出现了较大偏偏差，就会导导致增加纠偏偏工作量，以以致增加成本本和拖延工期期。采用数值值仿真，可以以精确模拟施施工过程，从从预案上保证证张弦梁体系系施工过程的的结构安全，从从预案上保证证施工完成时时的张弦梁屋屋盖形状符合合建筑要求。从从而避免了时时间和费用增增加，取得了了可观的效益益。10.2指导导了钢结构深深化设计，避避免材料浪费费及保证建筑筑效果进行仿真计算，避避免了不合理理起拱值造成成材料的浪费费，节约了造造价。通过数数值仿真及监监控，保证了了建筑外形符符合设计要求求，也确保了了建筑功能，创创造了精品工工程，增加了了社会效益。10.3保证了了施工过程中中索力不超过过限定值，保保证了结构安安全进行索力实实时监控，确确保索力不超超过安全值。索索结构的特点点是一旦索超超载被拉断，将将引进连锁反反应，造成结结构的破坏。因因此索力不超超过设计范围围是保证结构构安全的关键键。10.4实现现了索力的无无损监测。数数显式电子索索力监测仪优优点在于不破破坏索体，索索体内只要有有一股钢丝受受损，就会造造成整个索体体的损坏。10.5数显式式电子索力监监测仪可以重重复使用，节节约了设备成成本。数显式式电子索力监监测仪拆装方方便，记录数