大跨度张弦梁施工过程仿真模拟及监测施工工法（王彦宏张建奇、王勇、何智军）

大跨度张弦梁施工过程仿真模拟及监测施工工法（王彦宏张建奇、王勇、何智军）大跨度张弦梁施工过程仿真模拟及监测施工工法工法类别：房屋建筑工程专业分类：钢结构工程编制：XXXX集团有限责任公司日期：2017年10月目录1、前言(1)2、工法特点(1)3、适用范围(2)4、工艺原理(2)5、工艺流程(2)6、操作要点(2)7、材料及设备(9)8、质量控制(9)9、安全措施(10)10、环保措施(10)11、效益分析(11)12、应用实例(12)大跨度张弦梁施工过程仿真模拟及监测施工工法王经理张XX王经理何经理1、前言面对现阶段经济社会物质越来越发达，人民对精神生活的需求越来越大，随之而来的是体育运动及休闲娱乐的发展空前高涨，而这些娱乐休闲健身场所的建设跨度也越来越大，相应的建设大跨度空间结构体系的休闲场馆成了当前社会的必然，如大型体育场馆、展览会堂、影剧院等。大跨度建筑结构屋面系统经常采用预应力张弦梁结构体系。大跨度预应力张弦梁结构是一种新型大跨度空间自平衡结构体系，主要由上弦抗弯构件（刚性梁、拱或桁架）和下弦钢拉索（柔性索）以及两者中间连接的钢撑杆构件组成。预应力张弦梁结构体系受力特点在于引入了预应力高强钢拉索，钢拉索索体强度通常可达到1670兆帕，通过对柔性下弦拉索构件施加拉应力，使上弦构件产生反挠度，中间竖直撑杆对上弦构件提供弹性支撑，显著改善张弦梁结构整体受力性能和有效控制结构状态、减小结构挠度。在张弦梁安装过程中，首先要解决的是张弦梁张拉前上弦的下挠，其次是张拉过程中柔性索预应力的张拉质量，最后是张拉过程对联系构件的影响，张拉过程易发生张拉力达不到设计要求，或拉力过大而超张拉，影响结构的质量。XXX体育馆张弦梁钢屋盖安装工程，主梁跨度42米，施工高度22米，采用弓式张弦梁结构体系。弓式张弦梁结构属于预应力钢结构的一种，采用了钢索等高强材料，受力合理，体量轻盈，单榀张弦梁总重9.8吨。本公司在该项目施工过程中，研究应用了施工过程动态仿真模拟计算分析技术、弹性可调夹持式临时固定支撑技术以及线形结构监测调整控制技术与信息化监控相配合，结合PDCA项目管理方法，形成了本工法。2、工法特点本工法的三大核心内容为施工过程仿真模拟分析、弹性可调夹持式临时固定支撑架体系以及线形结构监测调整控制技术与信息化监控相配合的应用。施工过程动态仿真模拟是采用MIDAS/GenVer.8.3.6专业软件实时对施工过程中主梁、索体进行应力和位移变形模拟分析验算，数据以图形动态显示，使更直观了解施工过程中结构变形和应力分布。弹性可调夹持式临时固定支撑架体系是在张弦梁下部垂直设置的临时支撑平台上，以上弦梁中心线为中心线，在两侧对称设计可水平调节的带弹簧导向轮的控制结构装置，以对主梁进行临时支撑及防止侧向失稳控制。线形结构监测调整控制技术与信息化监控相配合，张拉施工过程中通过在梁上设置竖直固定刻度标尺及可移动铝合金杆件，用经纬仪观察铝合金相对位移及刻度尺数值进行调整张拉，同时对索采用无损数据采集系统，对张拉过程关键点的索力进行监测，确保结构安全及张拉数据、形态符合设计要求。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，适用于该类结构的构件安装、索力张拉及监测。4、工艺原理4.1、施工过程仿真模拟分析采用MIDASInformationTechnologyCo.,Ltd公司的通用有限元分析软件MIDAS/GenVer.8.3.6将张弦梁构件和拉索构件采用一般梁单元进行模拟，撑杆采用桁架单元进行模拟分析。在模型建立过程中可按输入阶段分时程进行查看结构受力下的真实变形状态，并可将受力情况直接转换为文本形式输出，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、弹性可调夹持式临时固定支撑架体系张弦梁本身跨度大，截面小，形心偏高，侧向刚度较小，由于预应力对平面张弦梁结构上弦拱梁某些部位的额外轴力和弯矩作用，会使张弦梁存在侧向失稳侧翻问题。通过弹性可调夹持式临时固定支撑架，在梁两侧给予弹性束缚，使梁结构位于竖向平面内，确保不会发生侧向平面外的翻转位移，有效防止和解决张弦梁结构平面侧向失稳问题。4.3、线形结构监测调整控制技术与信息化监控相配合的应用。线形结构监测调整控制是运用相对性原理，通过固定点刻度标尺观察关键活动点的位移变化，并与信息化监控的索力值相结合后，与仿真模拟分析相应阶段的受力情况及变形态进行对比，然后进行调整，确保结构安全及张拉数据、形态符合设计要求。5、工艺流程建立三维动态结构模型—依据备选施工方案进行动态模拟分析—与设计提供的结构形状与索力做对比—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—依据深化设计进行加工—安装弹性可调夹持式临时固定支撑—依据最优施工方案进行安装—安装线形结构监测调整控制设施—张拉过程实时监控关键点位移及索力，并与仿真模拟进行对比—依据对比结果进行索的拉力和顺序调整—达到预定结构形态及索力—安装完成。6、操作要点6.1、施工过程仿真模拟计算分析6.1.1、建立三维动态结构模型张弦梁是一种新型大跨度空间结构体系，整体受力，所以仿真计算模型必须采用三维模型，本工程采用TEKla模拟软件进行三维建模，并导入MIDAS/GenVer.8.3.6通用有限元分析软件进行分析。张弦梁钢梁构件采用一般梁单元进行模拟，拉索构件采用索单元进行模拟，撑杆构件采用桁架单元进行模拟分析。钢结构截面按图纸设计，钢拉索按照等效截面φ56圆钢考虑。考虑钢拉索索力、恒荷载、活荷载，恒载及活载按设计总说明取值。钢构件重量195.59吨，拉索7.69吨，铸钢件1.39吨。施工模拟分析导出结构重量181.94吨。由此取荷载为1.249倍结构自重和初始索力值之共同作用。索力施加标准，按设计，结构在预应力及自重荷载作用下，张弦梁跨中上挠50^60mm的原则确定索力。结构立面图如图6.1.1—1所示。计算模型如图6.1.1—2所示。图6.1.1—3张弦梁钢索定位轴线图6.1.2、张弦梁安装模拟分析思路及施工步6.1.2.1、L轴主梁、撑杆及拉索由吊机整体吊装就位，并预紧张拉结构单元钢拉索至设计索力值20%（余同），跨中设置支撑。图6.1.2—1第一榀张弦梁安装示意图、安装L轴及M轴间次梁，即第一跨主、K轴主梁、撑杆及拉索由吊机整体吊（余同）。跨中设置支撑架。图6.1.2—2第二榀张弦梁安装示意图6.1.2.4、安装K轴及L轴间次梁、天窗架（长圆孔滑动铰接，余同）。6.1.2.5、依次完成J轴、H轴、G轴、F轴、E轴、D轴的主梁、撑杆、拉索及次梁安装，屋面天窗同步安装到位。图6.1.2—3第八榀张弦梁安装示意图6.1.2.6、待主结构安装你张弦梁结构张拉全部完成后，在安装马道等其余结构系统。最终将各轴支座与预埋板焊接固定，并拆除临时固定工装。6.1.2.7、从两边往中间依次按L轴和D轴→K轴和E轴→J轴和F轴→H轴和G轴依次张拉至60%。6.1.2.8、从两边往中间依次按L轴和D轴→K轴和E轴→J轴和F轴→H轴和G轴依次张拉至80%。6.1.2.9、从两边往中间依次按L轴和D轴→K轴和E轴→J轴和F轴→H轴和G轴依次张拉至100%。6.1.3、张弦梁施工变形及施工应力比结果。施工过程结构的应力比和变形验算结果见附表6.1.3—1。由附表6.1.3—1得出，施工过程中主梁最大应力比为0.182<1.0,撑杆最大应力比为0.041<1.0，次梁最大应力比为0.222<1.0，结构强度及刚度满足要求。模拟得最终施工步下，结构竖向位移最大56.5mm，处于[50mm,60mm]区间，满足要求。最终施工步张弦梁侧向变形验算结果如图6.1.3—1所示。图6.1.3—1最终施工步张弦梁侧向变形图（Uymax=1.8mm）张弦梁侧向位移最大为1.8mm<10mm,且1.8mm6.1.4、附加应力比分析张弦梁施工是结构逐步成形过程，与原设计结构一次成形过程有较大差别，从而会在构件内部产生附加应力，使部分构件应力比原设计状态下要大，会降低构件安全余量，故需对施工过程在结构构件内产生的附加应力进行分析。取最终施工步结构各杆件的应力比值N1，及自重作用下结构一次成形杆件的应力比值N2，则施工过程产生的附加应力比大小为△N=N1—N2。图6.1.4—1最终施工步下结构应力比模拟图6.1.4—2最终施工步下结构应力比示意图（最大0.215）结构一次成型状态下，应力比情况如下图所示：图6.1.4—3结构一次成型状态应力比模拟图6.1.4—4结构一次成型状态下应力比示意图（最大0.205）分析其附加应力，所得结果如下图所示：图6.1.4—5附加应力比示意图计算结果显示，施工过程造成大部分杆件应力比减小，其中应力比增大的杆件，其最大附加应力折算应力比为0.116，非线性施工过程产生的附加应力较小，不会对结构的安全储备造成较大削弱。6.1.5施工过程索力变化模拟分析各施工步索力变化模拟结果见表6.1.5—1，可供设计校核及施工过程张拉时索力的控制及监测用。表6.1.5—1各施工步索内力变化单位：KN提取初始张拉值和最终施工步索力值，结构变形值，供施工时对结构索力和变形位移进行监控。控制数据见表6.1.5—2.表6.1.5—2张弦梁下部索张拉施工控制值（KN）说明：表中首轮，二轮，三轮张拉索力控制值为单榀张弦梁张拉时的索力值，最终步索力值为张弦梁实际索力值。6.1.6、张弦梁施工过程稳定性分析6.1.6.1、取第一榀张弦梁张拉至60%时，即为最不利情况下进行稳定性屈曲分析。其余情况下不再分析。边界：该状态下，所有主梁、撑杆、拉索及次杆件安装就位，张拉至60%时，第一榀及第八榀张弦梁已自然脱胎，进行稳定分析时，滑动节点处同时添加刚度无限小的X、Y向水平弹簧，以满足空间结构分析的自由度约束要求；位置如图6.1.6—1所示：图6.1.6—1屈曲分析的边界施加情况示意图荷载：结构自重及张拉力按不变荷载，考虑工人行走焊接侧向钢梁时的活荷载作用，在新吊装钢梁上施加2.0KN/m的线荷载，作为可变荷载，进行屈曲分析。图6.1.6—2屈曲分析的可变荷载施加示意图屈曲分析结果如下：图6.1.6—3第一次张拉状态第一阶屈曲模态（屈曲因子73）由上述结果可见，在第一次张拉（L轴及D轴）60%，一阶屈曲因子为73>>0，屈曲因子数值较大，故该状态下张弦梁结构稳定性较好，施工过程中不会发生失稳。6.1.6.2、结论由上述计算分析结果可见，采取两两张拉施工方法，在张拉至60%最不利的情况下，也能满足张弦梁结构的稳定性要求，可按该施工方法组织施工。6.2、弹性可调夹持式临时固定支撑架体系结合训练馆工程实际，通过认真分析，施工过程中全面研究应用了“弹性可调夹持式临时固定支撑架体系”施工技术。即在张弦梁下部垂直设置的临时支撑架顶部，以待施工张弦梁上弦拱形方管梁为中心线，在其两侧对称设计可水平条件的带弹簧导向轮控制结构装置各两组，形成底部带“U”形开口的上弦钢管拱形梁嵌入口，“U”形深度以上弦弧形方管梁竖向截面高度500mm为参考，设为800mm。自然状态下，“U”口宽度尺寸比弧形方管梁横截面300mm稍大，以400mm为宜。施工过程中，通过起重吊装设备起吊张弦梁结构，使下弦索首先穿入“U”口下开口自然下垂，上弦弧形方管梁放在“U”口中，通过调节梁两侧的导向滚轮位置，缩小“U”口间距至与梁横截面同宽，在弹簧弹力作用下，束缚梁位于竖向平面内，确保不会发生侧向平面外的翻转位移，有效防止和解决张弦梁结构侧向失稳问题。同时，进行张拉时，在弹性可调装置滚轮导向及夹持作用下，张弦梁结构可依导向轮滚动在竖直上下方向和沿跨度水平方向自然移动变化，可自由脱离“U”口，发生安全自然变形。这样，通过弹性可调夹持式临时固定支撑技术的应用，在施工及张拉预应力作用下，既保证了张弦梁结构线形结构及其形态的稳定调节，又可防止张弦梁结构整体发生平面外侧向变形位移而失稳，提高了结构抗侧翻刚度，同时也确保了结构整体在平面内竖直与水平两个方向的自由位移形变，较好地解决了张弦梁结构施工张拉过程中的稳定性及安全问题，提升了相关参数的精准性和整体施工质量水平。弹性可调夹持式临时固定支撑架结构示意图见图6.2—1，6.2—2。图6.2-1弹性可调夹持式临时支撑架（断面）图6.2-2弹性可调夹持式临时支撑架（平面）6.3、线形结构监测调整控制技术与信息化配合应用6.3.1、线形结构监测调整控制首先分别在张弦梁两端（固定端和滑移端）支座处的梁上翼缘上树立固定两根带刻度标尺，可随梁的位移变形而移动。另以结构上弦弧度最高点为切点，平行于该切点切线水平横拉一根穿入φ6mm钢丝的可进行伸缩的口40*40（30*30）铝合金管件，钢丝拉紧固定于梁两端建筑结构体上，在梁的整个跨度方向分设三个铝合金管件支撑杆，由钢丝和支撑架对铝合金管件共同起支托作用，确保铝合金管件水平直线度。口40*40和口30*30铝合金管件质检以及两端均以可伸缩滑动的嵌套结构型式分别与标尺和支撑杆相对固定（可上下左右滑动）。施工及张拉时，因结构承受应力应变而引起张弦梁结构主梁上下左右变动，从而引起铝合金管件相对位移，配合用经纬仪观察铝合金管件相对标尺的前后变形位移差值，并作反复调整，直至判定结构施工数据完全满足设计及计算模拟要求的建筑态即可，从而确保上弦钢结构弧度、下线拉索及整体结构线形始终达到设计计算模型要求。经训练馆施工验证，采用上述线形结构监测调控技术，较好地保证了施工及张拉过程中张弦梁结构的建筑形态始终与理论设计计算模型一致，尽可能地缩小了设计与实际施工最终效果之间的线形结构误差，基本上达到了张弦梁线形结构检测控制调整预定公差范围要求，确保了结构施工安全稳定性和结构形态质量。具体线形调整监测示意如图6.3.1—1。图6.3.1-1张弦梁线形监测控制调整示意图图6.3.1-2张弦梁位移监测6.3.2、信息化监测配合应用在采用线形监测调整控制技术的同时，对张拉过程，采取信息化配合监测，根据频率法测试索力，由结构动力学基本原理可知，斜拉索的振动频率与索力之间存在一定关系，测出拉索振动频率，就可以通过计算得出索的拉力。采用DASP数据采集仪对索的振动频率进行收集，接触探头为941B型拾振器，振动频率收集后经DASP放大滤波器放大并输入计算机进行分析计算显示，与模拟分析计算的索力值、梁的变形、线形监测的梁的变形进行比较，当偏差较大时，应及时进行原因分析并纠偏。本工程实体应用的训练馆工程，根据模拟分析计算的最优施工方案，首先对第一榀张弦梁进行安装后预紧，接着是第二榀安装预紧，再依次完成其它六榀，最后安装天窗架、檩条等构件，安装完成后，对张弦梁分三阶段进行张拉，第一阶段从第一榀和第八榀张弦梁开始依次向中间两两对称张拉，张拉至设计值的60%；第二阶段从第一榀和第八榀开始依次向中间两两对称张拉，张拉至设计值的80%；第三阶段从第一榀和第八榀开始依次向中间两两对称张拉，张拉至设计值的100%。张拉完成后，屋面工程施工后，再次对索力及梁进行索力值和变形位移的监测，确保结构安全可靠，并验证施工方法及技术的可行性和科学性。同时对张拉过程形成的张拉数据进行分析整理，便于改进和下次施工参考。图6.3.2-1索力监测拾振器的安装图6.3.2-2数据收集、滤波放大器图6.3.2-3索力监测用941B型拾振器7、材料及设备本工法主要使用的设备有施工过程模拟分析用计算机，应力监测用DASP数据采集仪和DASP滤波放大器、采集仪和滤波器数据线、计算机、稳压器、加速度传感器（941B型拾振器），位移变形监测用经纬仪、全站仪、反射贴片、线形结构监测调整体系，支撑限位用弹性可调夹持式临时固定支撑体系。8、质量控制8.1、质量控制依据的规范为：《质量管理和质量保证标准》GB/T19000《工程测量规范》GB50026《建筑工程施工质量验收统一标准》GB50300《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205《钢结构焊接规范》GB50661-20118.2、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。8.3、各测点位移应在张拉过程中以及张拉完成后几天内，每天早、晚各记录一次，直至稳定。8.4、当结构上新增荷载时，如安置屋面板、玻璃等，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。8.5、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。8.6、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。8.7、测量前需对数显式索力监测仪进行清零。并确认零值无漂移后方可进行监控。8.8、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。8.9、张拉过程，索力测量时，应确保周围无重大震动，避免频率波动严重，影响测量精度。9、安全措施9.1、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。9.2、施工现场必须符合《建筑施工安全检查标准》JGJ59-2011及《建筑施工高处作业安全技术规范》JGJ80-2016的要求，现场临时用电执行JGJ46－2005《施工现场临时用电安全技术规范》的标准，按照以上规范标准要求做好检查、验收。9.3、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。9.4、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，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。9.5、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。9.6、测量装置及线缆应远离明火及热源。9.7、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。9.8、新员工进场必须进行三级安全教育，进入施工现场必须配备安全防护设施，施工前做好安全交底。10、环保措施10.1、施工现场将遵照《建筑施工场界环境噪声排放标准》（GB12523-2011）制定降噪的相应制度和措施。10.2、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21:00。10.3、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，尽量减少施工对居民生活的影响，减少噪声强度和敏感点受噪声干扰时间。10.4、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。对废料、旧料做到每日清理回收。10.5、施工阶段，定时对道路进行淋水降尘，控制粉尘污染。10.6、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。10.7、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。10.8、生活区应和施工现场区分开，严格按照卫生及文明施工标准进行管理。11、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。对于拱形张弦结构，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。为更好地监控拱形张弦梁初始应力和位型，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：11.1、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施工过程仿真模拟分析计算，就不能确定按照所编写的施工方案施工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。采用施工过程仿真模拟分析计算，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。11.2、指导了钢结构深化设计，避免材料浪费及保证建筑效果进行施工过程仿真模拟分析计算的同时，通过创建仿真模型，避免了不合理起拱值造成材料的浪费，节约了造价。通过施工过程仿真模拟分析及防侧向失稳支撑及监控，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。11.3、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，将引起连锁反应，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。11.4、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。11.5、DAS