张弦梁体系安装数值仿真及监控施工工法(附图).doc.doc

张弦梁安装数值仿真 及监控施工工法  张弦梁安装数值仿真及监控施工工法 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。 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。 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。 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。  施工工艺流程及操作要点 5.1 工艺流程 图5.1 施工流程图 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