基于频率法的张弦结构钢拉杆施工内力监测方法研究与工程应用

张弦结构由上弦刚体、下弦柔性拉杆及其之间的刚性撑杆构成,柔性拉杆通常采用钢索或钢拉杆,在结构体系中为受拉构件。温州机场在天窗部位布置异形张弦结构,设计院对张弦结构钢拉杆施工成型内力提出了明确的容许范围。根据钢结构总体施工方案,张弦结构在楼面拼装阶段采用被动建立预应力技术,施加初拉力后随屋盖整体提升到设计标高。设计明确了张弦结构施工完毕状态钢拉杆内力标准值,称为成型内力标准值。以成型内力标准值为目标值,结合钢结构施工方案和钢拉杆张拉方案,采用全过程仿真模拟分析技术,试算求出钢拉杆初拉力标准值。

为保证钢拉杆成型内力满足设计要求,掌握钢拉杆内力变化过程,确保结构处于安全状态,需对钢拉杆施工过程中的内力进行监测。频率法测量钢拉杆内力是基于频率与内力间相关关系由频率直接推算得出。分析该天窗张弦结构的特点可以发现,钢拉杆两端均通过销轴连接,边界条件近似于理想铰接,这种边界条件在钢拉杆振动时,对振动幅度的衰减和振动频率的干扰最小。因此,频率法适用于本工程钢拉杆内力监测。提升过程是结构受力体系转换的过程,是一个动态变化的过程,也是钢拉杆内力波动最频繁的过程,需对钢拉杆内力进行监测。考虑到应变法技术成熟、对环境变化适应能力强、操作简便、结果可靠的特点,提升过程中,采用在钢拉杆上安装应变传感器的方法来监测钢拉杆的内力。

通过施工模拟、测点选择、施工准备及设备安装、现场测试以及数据采集、分析,得出如下结论: 1) 频率法与应变法测量的结果都在允许范围内,避免了张拉力不足或超张拉现象,验证了被动建立预应力施工技术的可行性; 2)实测内力变化趋势与理论计算分析内力变化趋势相符,说明了实测值的有效性; 3) 两种测量方法差值的相对值和绝对值满足规范要求,说明两种方法都适用于本工程。

1.1 结构形式

温州机场T2航站楼屋盖投影面积约 30000 m ² ,屋盖结构采用钢网架,并在中部设置大型张弦结构天窗,将屋盖分成左右对称两区。天窗张弦结构整体长 115 m,跨度 18 ~ 36 m,张弦立杆高度 2.5 ~ 3 m。总体效果如图 1 所示。张弦天窗采用复合三角星形张弦梁形式,由 13 榀 X 形张弦梁构成并呈并排布置,每榀张弦梁包含 4 根钢拉杆,其中两两对称,共计 52 根钢拉杆。天窗张弦结构如图 2 所示。

图 1 温州机场总体效果

图 2 天窗张弦结构示意 m

钢拉杆直径 60 mm,强度等级为 Q460 和 Q550级,每根钢拉杆均在跨中设置一个调节套筒,两端节点为销轴节点,为 UU 型等强钢拉杆,边界条件近似于理想铰接,如图 3 所示。

图 3 单榀张弦结构示意

1.2 设计及技术要求

对 13 榀张弦梁由空侧到陆侧依次编为 1-13号,每榀 X 形张弦梁的 4 根钢拉杆依次编为 1-4号。以 1 号 X 形张弦梁为例,4 根钢拉杆分别编号为 1-1、1-2、1-3、1-4,如图 4 所示。

因项目地处台风常见登陆带,应防止在大风作用下钢拉杆受压,且屋盖造形异形,风洞试验结果表明风振系数较大。设计院提供的钢拉杆施工完毕的成型内力标准值 (表 1) 中,允许偏差为±15% 。施工单位以设计要求的成型内力标准值为目标值,结合钢结构施工方案和钢拉杆张拉方案,采用全过程仿真模拟分析技术,试算(逆向迭代)求出钢拉杆初拉力标准值。两阶段标准值见表 1。

图 4 张弦梁及钢拉杆编号

表 1 初拉力与成型内力标准值  kN

注:因 X 形张弦梁 4 根钢拉杆对称布置,内力也呈对称分布,故表中只列出对称一侧的内力。

1.3 预应力施工工艺及内力监测过程

张弦结构在楼面拼装,拼装完成后采用千斤顶反顶刚性梁,并调直、预紧钢拉杆,该状态为预紧力状态。再卸载千斤顶,上弦刚体回弹,在撑杆的作用下钢拉杆被动受拉,从而为钢拉杆建立预应力,该状态称为初拉力状态。

张弦结构随屋盖整体提升到设计标高后,卸载临时支撑系统,张弦结构施工完毕,该状态称为成型状态。

根据钢拉杆预应力施工方案,钢拉杆张拉前需预紧,预紧力统一为 10 kN,采用数显扭矩扳手施工。施工前对钢拉杆的扭矩系数进行标定,将预紧力换算成扭矩值,当扭矩值达到设定值即可视为预紧。

根据钢拉杆预应力施工工艺,为保证钢拉杆成型内力满足设计要求,需对钢拉杆初拉力( N ₁ )、成型态内力( N ₂ )进行监测。施工工艺流程及内力监测过程如图 5 所示。

图 5 施工工艺流程及内力监测过程

2.1 结构体系的因素

该天窗结构采用张弦结构,预应力是保证该体系成立和维持结构形态的关键要素,而钢拉杆内力监测是检验预应力的有效手段。

2.2 预应力施工过程的复杂性

张弦结构的预应力建立过程是一个非线性过程,施工过程中往往需要通过多次调整才能达到设计预应力。该工程钢拉杆的预应力建立就需要多次循环顶升上部钢梁、调节钢拉杆长度以及千斤顶卸载。另外,伴随着预应力施工过程和屋盖整体提升,结构会呈现不同的受力状态 ,包括预紧状态、初拉力状态、提升完成状态。显然,内力监测能够为实际施工过程中判断各状态下钢拉杆预应力提供有力的实测数据支撑。

2.3 各类误差因素的影响

该工程中构件的支座误差,如立杆、钢拉杆的长度制作偏差,支座的安装偏差等因素会不同程度地使得实际结构的尺寸与设计尺寸之间存在一定的偏差。换言之,如果完全按照施工模拟给定的钢拉杆的理论调整长度建立预应力,势必导致实际预应力和标准值之间存在一定的偏差。因而,借助现场监测的手段能够有效地指导实际预应力施工并最大程度地消除由各类误差因素引起的预应力偏差。

3.1 钢拉杆内力测量方法概述

目前,建筑行业常用的钢拉杆内力监测方法包括压力传感器法、三点弯曲法、磁弹效应法、应变法(FBG、振弦、工具式应变仪等)、波动法、频率法、数显扭矩扳手测定法、转角法等。

压力传感器法(锚索计法)虽然精度和可靠性均较高,但需进行端部锚头的改造,实际工期不允许。三点弯曲法仅适用于直径较小的拉索(杆)。EM 法须在工厂对钢拉杆进行标定,且现场布线、监测成本较高。使用光纤光栅应变传感器的应变测试系统时,光缆布设施工复杂、采购周期长、监测费用相对较高,较适用于长期的内力监测。根据数显扭矩扳手在国内市场的供应情况可知其施加预应力的量程为 50 kN。转角法的精度不满足本工程要求。

3.2 频率法

3.2.1 频率法的定义

通过拾振器获得拉杆(索)在环境或人为强迫激励下的振动时程,进而对振动时程信号进行时频分析(滤波、放大和频谱分析等),可得到拉杆(索)的振动频率。由于拉索振动频率和内力间存在特定的对应关系,故可以根据识别出来的拉杆(索)频率间接得到内力。

3.2.2 频率法的原理

可以把张弦结构比作一把弓箭,施加预应力后的钢拉杆犹如紧绷着的弦,任何对弦的干扰,尤其是敲击,都会使弦产生振动,振动的频率与弦的松紧程度呈正相关。频率法正是基于这一基本特性而提出,通过试验获取频率与内力间的特定关系,并通过改进操作方法、增加设备,从而应用于工程实践。

3.2.3 选择频率法的原因

分析该天窗张弦结构的特点可以发现,钢拉杆两端均通过销轴连接,边界条件近似于理想铰接,这种边界条件在钢拉杆振动时,对振动幅度的衰减和振动频率的干扰最小,结构特征决定了适合采用频率法。频率法的精度能够达到 5% 左右,精度和可靠性能够得到保障。频率法进行内力监测的加速度传感器、采集软硬件价格经济合理,经济性好。采用频率法进行内力监测并不需要在施工张拉之前进行标定工作,加速度传感器安装方便,通过现场对拉杆进行人工激励可以快速得到其当前内力数据。另外,频率法不受温度的影响。

3.2.4 频率法的应用

由于斜拉桥钢拉杆两端的节点通常可视为理想铰接节点,经调查研究及查阅相关资料,我国的斜拉桥钢拉杆内力监测通用此法。应用案例如图 6 所示。

图 6 频率法监测某斜拉桥钢拉杆内力

3.3 应变法

3.3.1 应变法的定义

应变测试方法是根据事先标定的杆(索)体应变与应力间关系,通过测试杆(索)体应变推算应力的方法,目前最为常用的是光纤(Bragg)光栅(FBG)传感器、振弦应变仪与工具式应变仪。

3.3.2 应变法原理

当钢材处于弹性阶段时,构件的应力与应变成固定比例,比值即为弹性模量。

3.3.3 选择应变法的原因

频率法在提升过程中无法实施,而工具式应变传感器可以贴在钢拉杆上,监测提升过程钢拉杆的内力。应变法具有技术成熟、对环境变化适应能力强,操作简便、结果可靠的特点。同时,为增强钢拉杆内力测量方案的系统性和严谨性,作为对比监测手段,验证频率法的可靠性。

3.3.4 应变法的应用

工具式应变传感器具有满足监测精度要求,其读数稳定,数据漂移小的优点,装拆方便,综合成本较低。因此本工程采用表面工具式应变传感器。由于应变法对温度和材料非线性敏感,采集应变数据时,环境温度应在结构合拢温度附近。

4.1 监测点选择与布置

根据设计要求及监测方案,选取 2 个具有代表性的 X 形张弦单元。根据张拉施工模拟结果,7 号张弦单元初拉力标准值为众值和次低值,12 号张弦单元内力为次高值;7 号张弦单元位于天窗中部,跨度为次小值,12 号张弦单元位于天窗端部,跨度为次大值。综合上述因素,这两个张弦单元最具代表性,将其确定为监测目标,如图 7 所示。

图 7 7、12 号张弦单元位置示意

根据监测方案,内力监测过程中采用 8 个加速度传感器,同时布置在钢拉杆上,每根钢拉杆上布置一个传感器,具体布置在钢拉杆 1/4 分段点,如图 8所示。

图 8 钢拉杆监测点位置示意

该加速度传感器不仅装拆便利,还可对钢拉杆轮流进行内力监测。

4.2 计算分析

采用 MIDAS/GEN 有限元分析软件对 7 号和 12号张弦结构单元分别进行初拉力状态、成型状态的模态分析(图 9),获取钢拉杆初拉力和成型内力状态下对应的前三阶频率,计算分析结果见表 2。根据结构对称性可知,只需分析张弦结构单元中对称轴一侧的两根张拉杆即可,分别记为 7-1、7-3、12-1、12-3。

图 9 三阶振型云图

表 2 前三阶模态分析结果

注:因 X 形张弦梁中 4 根钢拉杆对称布置,内力也呈对称分布,故表中只列出对称一侧的内力。

4.3 现场测试

4.3.1 监测时间

根据监测方案,分别在初拉力状态和成型状态下对钢拉杆内力进行测量。

4.3.2 加速度测试及频谱获取

现场测试基站与各无线节点间无大的障碍物阻挡,可保持良好通视,本次采用无线传输系统监测加速度。加速度测试采用三向和单向两种加速度传感器,用金属套箍将加速度传感器固定于钢拉杆 1/4分段点(图 10)。每个无线节点具有 4 个测量通道,分别与 4 根钢拉杆上的传感器相连(图 11)。加速度激励为人工随机激励,工具为橡胶锤,激励周期为4 ~ 5 s(图 12)。

加速度监测同样采用 Narada 无线系统,其采样频率为 100 Hz。用 FFT 快速傅里叶变换对所得到的加速度时程数据进行频谱分析,并用 Welch 方法计算信号的功率谱密度,从而得出杆件自振基频。

图 10 安装加速度无线传感器

图 11 加速度测点示意

图 12 频率法现场测量人工激振照片

4.3.3 钢拉杆内力计算

由于钢拉杆平面外计算长度难以估计,现通过平面内的基频来推算索力。频率法计算钢拉杆内力采用以下理论简化公式。 

式中: m 为单位长度拉杆的质量; L 为拉杆平面内计算长度; f _n 为激振拉杆第 n 阶自振频率; E _I 为拉杆抗弯刚度(按照截面惯性矩计算值, E 取 1.9 ×10 ⁵ MPa)。

4.4 监测结果

4.4.1 初拉力状态监测结果

由加速度测试得到钢拉杆在人工激励下的加速度时程,通过模态识别技术获得杆件自振基频,从而可计算得到当前状态下的钢拉杆内力。其与标准值对比如表 3 所示。

表 3 初拉力状态测试结果

4.4.2 成型状态监测结果

对监测目标内的 8 根钢拉杆一并进行加速度测试,根据测试数据计算各杆件内力与标准值对比结果,如表 4 所示。

表 4 成型状态测试结果

4.4.3 监测成果分析

对初拉力状态下,钢拉杆测量值与标准值对比可知,最小误差为-0.6% (12 号单元 7 号测点),最大误差为 10.70% ( 7 号单元 4 号杆件)。对成型状态下,钢拉杆内力测量值与标准值对比可知,最小误差为 0.02% (7 号单元 2 号测点),最大误差为 10.23%(7 号单元 1 号杆件)。表明:钢拉杆内力分布在标准值附近,平均值比标准值略微偏大。

通过分析钢拉杆卸载与张弦天窗提升两个阶段的加速度测试数据,各钢拉杆内力值基本均有小幅减小,符合理论变化趋势。

因本工程采用的表面工具式应变检测器粘贴在钢拉杆侧面,随结构一起提升,从而能检测提升过程中钢拉杆内力变化。

应变法监测点的选择和布置同频率法,为消除钢拉杆在自重作用下弯矩的不利影响,应变传感器采用底座固定在钢拉杆侧面(即中性面)的方法,如图 13 所示。现场实景照片如图 14 所示。

图 13 应变传感器安装位置细部

图 14 应变传感器安装实景照片

根据结构特点及设计内力要求,本次应变传感器的型号选用 DH1205 表面应变传感器。应变传感器在进场之前先进行稳定性试验,即在无约束状态下进行,其时长为 24 h,应变波动在 3×10 ^-6 以内。

传感器在钢拉杆预紧之后安装。为保护传感器,预先制作与传感器孔距相同的模具。首先将模具与底座相连,底座与结构通过结构胶连接,结构胶达到足够强度后,拆下模具循环利用。当结构胶达到最终强度,底座与结构粘结牢固后安装传感器,且传感器与底座用螺丝连接,如图 15 所示。

图 15 底座、模具与传感器

采集应变数据作为钢拉杆预紧之后的应变初值,应变采集系统同频率法,仍然采用 Narada 无线系统。后续与频率法测试同期同步采集应变数据,并根据应变变化量推算钢拉杆内力值。成型状态下,钢拉杆内力与标准值对比如表 5 所示。

表 5 成型状态下钢拉杆应变测试结果

现对钢拉杆成型状态下频率法与应变法测试的内力结果进行对比,如表 6 所示。

分析表 6 可知,成型状态下,两种测量方法的什么值偏差绝对值在 20 kN 以内,相对值为 15%,平均差值与标准值的比例接近 8%。采用频率法测量的钢拉杆内力分布在标准值附近,平均值比标准值略微偏大。采用应变法测量的钢拉杆内力分布在标准值两侧,离散型较大。表明:频率法测量的钢拉杆内力普遍高于应变法的,且变化趋势一致,两种测试方法所得到的杆件内力基本吻合。

表 6 两种测试方法的内力结果对比

监测工作必须准备充分,做到有步骤、有计划地实施。现场实施前,必须组织施工交底会,对关键工序(人工激振)的操作进行示范、演练。监测仪器、设备为精密仪器,必须妥善保管,传感器装拆过程中,须制定防触碰措施。钢结构的张拉、提升施工往往工期紧迫,监测期间,应及时、准确地获取监测数据,专业监测人员及时反馈监测结果,以指导施工。

该工程具有结构体系复杂,钢拉杆施工过程各阶段内力和成型内力要求严格,总体施工方案复杂,预应力建立方案新颖的特点。采用频率法监测施工过程中的内力,不仅操作简便,不受温度影响,精度可靠,可准确掌握钢拉杆的内力,而且避免了张拉力不足或超张拉现象。同时,在钢拉杆上安装应变传感器监测提升过程和成型阶段的内力,以掌握提升过程中钢拉杆内力情况,尤其能够了解钢拉杆内力是否有突变的情况。通过实测数据分析,两种测量方法得出的钢拉杆成型内力与设计要求内力及施工模拟计算值吻合,并取得了一份完整的监测数据资料。

频率法还适用于张拉完成和使用过程中的钢拉杆内力测量,适用于使用过程中的结构安全性检测鉴定,具有较好的市场前景。