复杂钢结构施工监测及过程仿真分析.docx
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复杂钢结构施工监测及过程仿真分析
分类号:
TU745
密级:
公开
UDC:
学校代码:
10127
硕士学位论文
论文题目:
复杂钢结构施工监测及过程仿真分析
英文题目:
ConstructionMonitoringandSimulation
AnalysisofComplexSteelStructure
学位类别:
硕士
研究生姓名:
马小晶学号:
201102444
学科(领域)名称:
建筑与土木工程
指导教师:
薛刚职称:
教授
协助指导教师:
职称:
2013年6月6日
独 创 性 说 明
本人郑重声明:
所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
签名:
日期:
2013.6.6
关于学位论文使用授权的说明
本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文(纸质版和电子版)的规定,即:
本人唯一指定研究生院有权保留送交学位论文在学校相关部门存档,允许论文在校内被查阅和借阅,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
在论文作者同意的情况下,研究生院可以转授权第三方使用查阅该论文。
(保密的论文在解密后应遵循此规定)
签名:
导师签名:
日期:
2013.6.6
摘要
近年来,随着建筑业的不断发展,大型复杂钢结构在国内得到了广泛的运用。
复杂钢结构施工复杂,施工阶段荷载与设计阶段荷载差距较大。
施工阶段分析理论尚不完善,结构在施工阶段的安全性不易保障,通过施工过程仿真分析与施工监测研究复杂钢结构的施工问题,有着重要的理论意义和工程实用价值。
长沙北辰三角洲A1地块商业区为带悬挑区域的空间钢框架结构。
本文以该项目为工程背景,借助有限元软件MIDAS/Gen,采用逐步建模分析法对钢框架的施工进行了全过程仿真分析,根据仿真分析结果,确定了钢结构安装过程中需要重点监测的区域及构件。
根据应力计算结果,得到应力比最大的临时支撑,按照“优先卸除最不利支撑”的原则对临时支撑依次进行卸除。
通过有限元分析结果确定了结构安装的变形预调方法,将结构在自重荷载作用下的变形确定为变形预调值,在实际施工操作中,按照“设计标高+变形预调值”得到结构的“施工标高”,进而进行施工作业。
根据北辰三角洲A1地块商业区的有限元分析结果,结合悬挑区域的结构特点,制定出合理的工程监测方案。
采用振弦式应变仪在悬挑区斜钢柱的柱顶和柱底布置监测点,并对该部分结构进行监测,对比分析施工过程中有限元模拟值和实际监测值,结果显示:
随着施工的不断进行,有限元模拟理论值普遍大于实际监测值,偏差在15%之内,符合程度较好。
验证了有限元仿真分析的有效性,保障了施工质量和安全。
在工程的施工阶段采用有限元仿真分析和施工监测的方法,为类似悬挑钢结构工程施工仿真分析提供了借鉴。
关键词:
复杂钢结构;仿真分析;支撑卸除;变形预调;施工监测
Abstract
Inrecentyears,withthecontinuousdevelopmentofconstructionindustry,largecomplexsteelstructurehasbeenwidelyusedinChina.Atthesametime,thelowsecurityisalsofollowedduringtheconstructionprocess,resultingthattheloadsbetweendesignstageandconstructionstagearesuchdifferent.Andwhat’smore,theconstructionstageanalysistheoryisnotperfect;allabovemakeitnoeasytoguaranteesafetyofstructuresintheconstructionstage.Itisofimportanttheoreticalsignificanceandengineeringpracticalvaluetostudyonthecomplexsteelstructurebytheconstructionsimulationandmonitoring.
ThispaperisbasedonthesteelstructureofBeiChendeltaA1plotscommercialproject,whichisspacesteelframestructurewithcantileverarea.WiththeaidofthefiniteelementsoftwareMIDAS/Gen,thispaperusesstepwisemodelanalysistosimulatetheconstructionprocessofthesteelframework.Inaddition,thetemporarysupportuploadingmethodsaredeterminedthroughfiniteelementsimulationresults.Andtemporarysupportinlargeststressratioisbasedonthestresscalculationresults.Accordingtotheprincipleof‘giveprioritytouninstallthemostunfavorablesupport’,thetemporarysupportisuninstalledsuccessively.Thedeformationofthepresetofstructureinstallationisdeterminedbytheresultsoffiniteelementanalysis.Andthedeformationofpresetofstructureinstallationisdeterminedundertheselfweightload.Actually,intheconstructionsiteoperations,‘constructionelevation’isgotbythemethodof‘designelevationplusdeformationofthepreset’.
Finally,makingareasonablemonitoringschemecombinedwiththefiniteelementanalysisresultsandthestructurecharacteristicsofcantileverarea.Thatisusingthevibratingstringtypestraingaugestofixupmonitoringpointsontheimportantcomponentsofstructure,suchasthecapitalandthebottomofthecolumn.Comparedthetheoreticalvaluewithmeasuredvalue,theresultsshowthattheoreticalvalueisbigger,anddeviationratearecontrolledwithin15%.Errorrateintherangeofacceptable,whichshowsthatthesimulationmethodisfeasible,canensuretheconstructionqualityandsafety.
Usingthesimulationanalysismethodsandconstructionmonitoringforthestructureareofgreatsignificanceduringtheconstructionprocess,whichprovidereferencesforconstructionsimulationanalysisofsimilarcantileveredsteelworks.
KeyWords:
Complexsteelstructure;Simulationanalysis;Supportuninstall;Deformationofthepreset;Constructionmonitoring
目录
摘要II
AbstractIII
1绪论1
1.1引言1
1.2复杂钢结构施工仿真研究现状3
1.3复杂钢结构施工监测研究现状4
1.4复杂钢结构施工方法6
1.4.1高空散装法6
1.4.2分条安装法7
1.4.3高空滑移法8
1.4.4整体安装法8
1.4.5折叠展开安装法9
1.5本文的主要研究内容10
2北辰三角洲A1地块悬挑结构施工仿真12
2.1工程概况12
2.2工程施工方案中的关键技术13
2.2.1临时支撑的布置及构造措施14
2.2.2悬挑区域斜钢柱的安装15
2.2.3悬挑区剩余构件安装17
2.3有限元模型建立17
2.3.1施工过程仿真分析方法17
2.3.2有限元模型建立要点21
2.3.3不同施工阶段的有限元模型22
2.4施工过程仿真结果及分析24
2.4.1有限元分析24
2.4.2支撑卸除顺序分析28
2.4.3施工变形预调34
2.5小结39
3北辰三角洲A1地块悬挑结构施工监测40
3.1引言40
3.2悬挑结构施工监测40
3.2.1应力监测40
3.2.2位移监测44
3.3理论值与实际值对比分析44
3.4小结47
4结论与展望49
4.1结论49
4.2展望50
参考文献51
在学研究成果55
致谢56
1绪论
1.1引言
伴随着我国国民经济的不断发展,人们开始追求建筑使用功能的多样化以及建筑造型的新颖奇特。
在结构种类选择上,钢结构建筑因其具有轻质高强、塑性韧性高、抗震性能好、工程工期短、占地面积小、工业化水平高、造型多变美观等一系列优点,得到工程师们越来越多的认可和使用,各种类型的复杂钢结构建筑日趋增多。
采用大型空间钢结构体系,可以实现大跨度乃至超大跨度建筑。
这类建筑造型新颖奇特、规模庞大,成为地域性的标志建筑,会给国家及社会带来很高的经济效益和社会效益。
当今社会,钢结构建筑的多少,往往可以标志着一个国家或者地区的经济发展水平。
与此同时,复杂钢结构的设计及施工研究的进展情况已然也变为一个国家建筑业技术水平的重要衡量标准[1]。
随着北京奥运会、上海世博会以及深圳世界大学生运动会等诸多重要国际赛事活动的相继举办,我国进入了一个崭新的大型钢结构建设时期。
大量结构形式新颖、规模庞大的钢结构建筑不断涌现在我们眼前,例如“鸟巢”国家体育馆、“水立方”国家游泳馆、“CCTV”主楼、首都机场T3航站楼、上海世博会场馆以及深圳世界大学生运动会的“大运中心体育场”,如图1.1所示。
(a)鸟巢(b)水立方
(c)cctv主楼(d)首都机场新航站楼
(e)上海世博会场馆(f)大运中心体育场
图1.1大型复杂钢结构建筑
在领略到现代文明带给我们的惊艳的建筑外观和诸多的结构形式后,我们也应认识到,大型复杂钢结构造型优美、设计新颖背后隐藏着的施工复杂性。
而土木工程施工作为事故频繁发生的项目,尤其是钢结构施工作业,每年都会出现有不少人员遇险的情况。
据资料记载,全球近120起具有代表性的钢结构事故,共有59起事故发生在制作或安装阶段,此阶段事故发生概率高达49.2%[2]。
图1.2为建筑结构生命周期图,从中可知结构在施工阶段到使用阶段直到老化阶段的全过程中,工程施工阶段因结构具有不完整性、施工荷载的复杂性、物理特性的时变性、偶然突发事件多等一系列特点,使得结构在这个阶段的具有很高的风险率。
图1.2建筑结构生命周期图
钢结构能够依照设计要求顺利地建造完成,并正常投入使用就具有十分重要的意义。
我国的大型复杂钢结构正兴起一波新的发展热潮。
在这种情况下,通过采用科学的手段保障复杂钢结构的施工建造[3~6]:
建立有限元模型对结构进行仿真分析;制定合理的施工监测方案;定量分析结构构件受力变化。
通过计算机仿真分析及实时监测,更能够及时了解施工过程中结构的薄弱环节,提高工程施工阶段操作的安全性;保障施工方法的经济合理;节约我国的人力资源、物力资源,做到了资源的合理配置;保障了我国重点、难点项目施工项目的建设;保障了人民的生命财产安全。
更将我国复杂钢结构施工阶段的研究引入了良性发展的快车道[7]。
1.2复杂钢结构施工仿真研究现状
复杂大型钢结构建筑越来越多,这推动着结构施工方法的不断进步。
伴随着计算机的广泛应用、有限元分析理论的不断完善,施工模拟仿真分析应运而生。
它是复杂钢结构施工领域最为前沿的研究热点,也是钢结构施工体系将来要着重发展的方向。
在过去,国内外一些院校和研究部门也做出了一些有效的探索工作:
国外的研究开展于1982年,刘西拉、Wai-FaChen和Mark.D.Bowman对施工阶段中结构的力学性能进行了研究[8~11],利用有限元方法分析了施工荷载在弹性支撑杆件条件下的传递情况,并重点考虑了支撑和混凝土楼板因为混凝土的硬化作用而造成的刚度变化。
他们建立了一套较为完整的施工模拟方法,在当时产生了较大的影响,并为施工人员带来了极大便利。
国内的研究开展于1996年,李耀良基于虚拟施工平台,以钢结构施工为对象构建了虚拟建造理论体系[12],并在上海正大商业广场项目及广州体育馆等项目的钢结构施工中得到运用,顺利解决了诸如构件节点多、安装空间狭窄等问题,为该研究领域作了非常有成效的探索。
2004年,张宏胜则是对具体的钢结构工程进行有限元仿真分析[13],通过分析施工阶段中构件及结构体系的力学性能,达到控制结构的安装误差、优化施工过程的目的。
之后国内的一些学者分别针对不同的结构类型展开了研究,2007年,张慎伟、张其林等人针对北京奥运会主场馆的双向张弦网格结构,分别进行了施工过程的仿真分析计算和施工过程监测[14],结果显示该分析软件和技术方法可以有效的对大型复杂钢结构进行仿真分析。
杜杨等人针对大跨斜拉结构[15]、蒋顺武等人针对巨型网格结构[16]、谢国昂[17]等人针对“水立方”的多面体空间刚架结构分别进行仿真分析的研究,均取得了良好的结果与效应。
他们的这些有益的探索,表明了有限元仿真分析在不同结构类型的复杂钢结构工程施工中的普遍应用性。
国内的学者结合大型工程项目,对选取合理的技术方法对结构的施工阶段进行仿真分析进行研究。
范重等人[18]基于生死单元技术,对“鸟巢”施工阶段的临时支撑体系的反力进行了计算,并估算了临时支撑卸载阶段钢结构的变形量。
通过研究不同施工顺序对结构的影响,指出施工顺序的不同将对竣工后的内力与变形有显著的影响。
赵长军、范重等人以苏州火车站钢结构施工过程为实例[19,20],基于SAP2000对屋盖结构分期施工和桁架分片滑移施工进行了仿真分析,而且进一步分析了结构的分步卸载施工。
刘为俊、任志刚[21]等人以黄石体育馆工程为背景,详细介绍了有限元模型的建立要点,并基于MIDAS/Gen软件,采用状态变量叠加法对其钢屋盖的施工全过程进行了仿真分析。
田黎敏、郝际平[22]等人以深圳世界大学生运动会主体育场工程为例,采用MIDAS根据实际施工情况对结构进行全过程模拟分析,确定了实际施工顺并验证了施工方法的正确性。
通过分析不同的施工阶段,针对各个施工阶段有限元模拟分析的理论值与施工监测的实测值进行比对,找到其变化规律,可以对施工全过程仿真分析的实用性、可行性进行了验证,为制定复杂钢结构的施工方案提供了可靠的参考依据。
国内外众多学者的研究范围中,针对悬挑区的结构仿真分析及施工监测的研究尚不多见。
本文将以此开展研究,分析此类工程的应力及变形特点,可以为工程实践提供良好的借鉴。
1.3复杂钢结构施工监测研究现状
由于复杂钢结构体系庞大复杂,多样化的结构施工方式、复杂的结构施工工艺都会对施工过程中结构的受力产生影响。
与此同时,这些因素它们又是相互联系的,也会增大结构施工阶段应力分析的难度。
除此之外,在施工过程中更存在着许多未知的因素,都会造成结构在施工期间的安全性能降低,严重的情况会导致复杂钢结构在施工中发生塌陷、失稳破坏等事件。
为了了解施工过程中结构实际受力状态及变化情况、为了施工全过程结构的安全性得到保证,施工监测的研究和应用进入了一个高速发展期。
上世纪80年代初,日本在建造Yokohama桥和Chichby桥时,以先进的计算机联网数据传输技术为平台,研发了一套自动监测系统。
在此套系统中,可以快速比对分析施工过程中设计预期值与实测参数。
采用此项技术,可以大幅度提升工程施工进度,并提高工程施工过程的安全性和构件安装精度,为施工监测技术提供了良好的借鉴[23]。
上世纪80年代末,美国在数座桥梁上布置监测设备,通过环境荷载、局部应力状态的监测结果,并与设计结果进行比对分析,可以实时监视工程的施工质量和评定桥梁使用年限内安全状态。
在1995年,美国政府更是在90座大坝上安置了监测设备,投资总额高达1.4亿美金,取得了良好的经济及社会效益。
通过借鉴国外的先进技术,自上世纪90年代初开始,国内的一些重要的桥梁上也布置了监测系统以监测施工及施工阶段的安全性能。
香港首先在新建成的汲水门等桥上安装了“结构健康监测系统”,通过监测外来荷载(如车辆荷载、风荷载等)对桥梁受力的影响以确保桥梁在运营阶段的安全性能。
我国内地,主要在长江沿线的几座重要大桥,如南京长江大桥、江阴长江大桥上面安装了不同的传感器,通过监测大桥运行过程中的各种情况的反应,以保证其使用过程中的安全性[24,25]。
欧进萍院士等人针对渤海的海洋平台研究开发了安全监测系统,可以实时监测整个海洋平台的运行情况,取得了良好的经济效益及社会效益[26]。
李爱群和丁幼亮[27]采用小波分析等实现了润扬大桥的损伤预警,并且以此技术为基础编著了《工程结构损伤预警理论以及应用》。
在大型复杂钢结构的健康监测系统中,业界都还缺少系统的理论体系研究和较大规模的应用实例,目前已应用的技术绝大多数都是直接监测工程中特定构件的静态工作状态。
高世峰等[28]在浙江美术馆的施工过程中,采用振弦式应变计对施工过程进行了应力监测,并通过传感设备获取施工阶段的应力应变特性;浙江大学的罗尧治教授等[29]采用了先进的光纤光栅技术实施应用于施工过程的监测;夏峰林、高博青等[30]采用振弦式传感器进行应力监测,在杭州大剧院钢网壳结构施工过程中得到了运用;同济大学的张慎伟、张其林等人[14]采用EM型传感器对中国航海博物馆施工阶段中钢索应力进行了监测;东南大学[31]在南京国际展览中心钢屋盖的钢拱架(单重达120T)吊装过程,采用DH-5932动态应变仪进行了实时监测;彭明祥和张棍等人[32~34]对CCTV主楼的合拢施工阶段进行了应力和应变等多项监测,确保了其施工的安全性;在广州国际会议展览中心[35]施工中通过利用各类先进测量仪器对张弦桁架的施工进行了变形监测;在北京奥运会主体育场馆“鸟巢”的施工过程中,曾志斌和张玉玲等人[36,37]采用应力应变和温度监测系统对结构的卸载阶段进行了全过程监测,既体现“科技奥运”的主旨,也保证了整个奥运会阶段的监测任务的圆满完成,在业界产生了深远的影响。
总体来说,施工人员针对施工现场的具体情况,选定出最合适的监测技术及方法。
继而通过技术方法对施工阶段是重要环节或重要构件进行实时监测,掌握其动态变化规律,进而掌握影响施工安全、控制工程质量的关键要素在施工过程中的变化规律,并以此规律为依据对下一阶段的施工方案进行相应调整,以保证工程施工顺利完成、竣工形态满足设计要求。
1.4复杂钢结构施工方法
复杂钢结构的结构形式复杂多变也决定了其施工方法的多样。
在工程实践中,劳动者及工程师们依靠他们的智慧,因地制宜地创造出众多的施工方法,不同的施工技术方法都其对应的工程适用领域和技术特点。
因此,对于每个不同的建筑,都会存在着一个不同的结构体系,合理制定施工方法将直接关系到工程的施工安全性、进度、竣工质量及经济成本。
以下将对复杂钢结构的部分施工方法的进行简单的说明和介绍。
1.4.1高空散装法
高空散装法[38,39]指的是将建筑结构的散拼构件运送至设计位置,并总拼成一个整体的施工方法。
该方法又可以分为全支架法和悬挑法。
其中全支架法最为常用,适用于一般的散件拼装过程;而悬挑法则将部分结构悬挑并将小构件运送至高空进行总拼的情况,从而起到了节省支架的目的。
相比全支架法,悬挑法可以节约施工成本,但也要求悬挑部分结构的刚度须满足一定要求。
高空散装法的优点是可以用简单的起重运输设备对构件进行垂直运输,如果单个构件的质量轻,不使用起重设备亦可完成拼装,该施工方法适用范围广泛、受场地限制少。
缺点是施工现场的高空作业多,工程质量不易保障,施工阶段更要预先搭设拼装支架,会耗用大量的建筑材料。
如下图1.3所示,在北京奥运会主场馆“鸟巢”即采用散装法施工。
图1.3国家体育场结构施工
高空散装法在施工阶段,影响结构体系的受力性能包括以下环节:
①结构安装顺序的确定;②各个结构标高的核定;③临时支架结构的强度卸载及拆除方法。
因此,在结构施工之前,需要依据施工现场的实地条件制定多种施工安装方案,并对临时支架结构进行强度、稳定及变形验算,使其均能满足规范要求。
再对各种施工方案进行数值模拟分析,以确定安全可行、快速便捷、经济环保且使结构最终的内力与变形状态最为合理的方案。
1.4.2分条安装法
分条安装法[40]是指按照结构的组成特点将其整体划分成直线型条状或平面型块状单元,使用起重设备按照顺序依次吊装至设计位置进行总体拼装,从而完成结构整体的安装方法。
其主要特点:
①大部分拼装、焊接工作都需要地面进行,高空作业量很少,更加利于控制工程的质量;②仅需要少量的拼装支架,节约工程成本;③根据场地已有起重设备的起重能力决定分条或分块单元重量,做到了灵活多变,并可有效降低成本。
在分条安装法施工过程中,影响结构体系及施工系统受力性能的关键环节包括:
①划分桁架或网架单元;②需要对网架或桁架的挠度进行调整,这要求施工人员在施工中采取预起拱措施,用来保证施工完成后结构标高满足预期要求;③严格控制网架尺寸。
首先需验算吊装单元及起重设备的起吊
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- 复杂 钢结构 施工 监测 过程 仿真 分析