氣承式膜結構煤棚調整內壓下的實測位移響應分析

馮成凱, 倪仲俊, 楊 凱, 李雄彥, 王玉鑫, 王永剛

(1 浙江浙能樂清發電有限責任公司，溫州 325609；2 北京工業大學城市建設學部，北京 100124)

0 引言

氣承式膜結構概念源于1917年的充氣式野戰帳篷,后續在1970年大阪博覽會得到推廣[1]。近年來,隨著我國全民健身運動的大力開展和國家環保政策的調整,氣承式膜結構的應用得到快速發展。用于環保封閉煤場、料場的氣承式膜結構,其單體規?；蚩缍染谥鹉暝黾?。目前,已建成的氣承式膜結構煤棚最大跨度已超過200m,單體最大面積在100000m2以上。

氣承式膜結構的基本原理是用高強膜材料做成封閉空間,外部采用鋼纜加強剛度,利用風機向內部充氣,基于內外壓差形成具有一定剛度、適應各種天氣條件的封閉建筑[2-5]。氣承式膜結構自身的結構特點——輕質且高柔,對風荷載、雪荷載作用較為敏感,這也成為限制其發展的重要因素之一[6-11]。

為此擬采用健康監測系統對氣承式膜結構進行監測,目前健康監測系統廣泛應用于橋梁結構、高層建筑以及大跨度空間結構[12-18],本文基于現有的結構健康監測系統理念,自主開發設計了一套全周期同步實時監測系統,在系統運行之后,采集到了調整內壓過程中測點的位移響應。目前研究中,關于氣承式膜結構的升降壓膜面位移響應很少,大多通過ANSYS或者ABAQUS有限元分析軟件進行數值模擬,國內眾多學者研究了不同索網布置下的內壓變化對于膜面位移的影響,對比分析了氣承式充氣膜結構力學性能[19-20]。

為了深入研究超大跨度氣承式膜結構煤棚的位移響應,基于浙江浙能集團樂清電廠(浙能樂清電廠)大跨度氣承式膜結構健康監測系統在升降壓-保壓測試中采集到的數據,以位移差值為原則,分階段分析了不同內壓下實測值與模擬值的差異性。

1 項目簡介

浙能樂清電廠東臨樂清灣,與玉環縣隔海相望,海邊風荷載作用較大,常伴有臺風來襲,風荷載最大值可達到1kN/m2。浙江浙能樂清發電有限責任公司共有#1、#2、#3三個煤場,三個煤場都進行全封閉改造。#1全封閉煤場結構形式采用正方四角錐三心圓柱面雙層網殼的結構體系,長約317m,寬約120m,高約43m,#2、#3全封閉煤場上部結構采用單層膜結構并配置斜向網格鋼纜結構,外尺寸均約為317m(長)×115m(寬)×46m(高),下部為2m高的鋼筋混凝土基礎墻,三個煤棚的布置圖如圖1所示。單個煤場投影面積約為36455m2,#3氣承式膜結構煤棚為本文健康監測系統架設的研究結構,膜材的基布選用抗芯吸效果好的聚脂纖維布,涂層采用聚氯乙烯PVC,面層選用1.2mm厚的不可焊聚偏氯乙烯PVDF。PVDF材料具有高耐候、抗腐蝕和良好的自潔性和抗老化性能的特點。膜材表面配有鋼網索,鋼纜采用高強度、防老化、防銹處理的鋼芯熱鍍鋅鋼纜,外包PE保護層,其直徑不小于18mm,由鋼芯鋼絲繩捻制在一起的螺旋狀鋼絲束組成。鋼纜網格大小2.5m,鋼索之間采用鋁合金金屬卡扣鎖死,防止相互滑動損壞PE保護層,整體鋼索網采用不銹鋼錨頭與基礎連接固定。膜結構夾板采用鋁合金材質,連接螺栓采用316不銹鋼材質。

圖1 煤棚布置圖

三個煤棚的跨度均超過100m,均屬于大跨度空間結構,且所在地區的風荷載較大,風荷載作用敏感。為研究超大跨度氣承式膜結構煤棚的位移響應規律,本文基于健康監測系統實地測試煤棚的位移變化。

在氣承式膜結構健康監測中,為了全面地反映整個氣膜煤棚的運行狀態,測點數量越多、種類越齊全時所測得的數據就越全面。然而在實際工程案例中,往往由于多方面的限制條件,例如結構特點、現場條件、成本等多方面因素,現場布置的傳感器種類與數量較少;同時,傳感器布設方式對于后期傳感器安裝便利性以及采集的數據準確度有極大的影響。所以,為較為全面地反映結構的響應狀態,在數量與種類有限的傳感器布設條件下、監測點位置的選擇顯得極為重要。測點布置應遵循以下原則:1)根據結構自身特性,并結合現場具備的安裝條件布置測點;2)在高度上盡量分散,盡量對稱布置;3)在結構響應較大的位置集中布置測點。

本項目測點布置圖如圖2所示,主要儀器有三向加速度計、應變計、GNSS天線和表面風壓計。儀器在膜面上對稱布置,在角部區域集中布置。

圖2 測點布置

2 內壓調整

2021年7月23日,臺風“煙花”逐漸靠近樂清市,但是并未進入7級風圈,當日風速4～5級,因此風速對整個內壓調整過程并無影響。#3煤棚經過了三次內壓調整,圖3為內壓變化曲線。從圖3可以得出,整個內壓調整主要分為內壓上升、內壓維持和內壓下降三種狀態。其中內壓維持有4個時間段,內壓上升有2個時間段,內壓下降有2個時間段,內壓隨時間的具體變化見表1。

表1 內壓變化記錄

圖3 內壓變化曲線

3 位移實測值

3.1 350Pa升至500Pa實測位移分析

如圖3和表1所示,在7:40進行了第一次升壓測試,將內壓從350Pa升至500Pa,此過程共經歷了25min。對應此時的實測位移如圖4所示,7個測點的Z向位移均具有大幅度的脈沖變化。表2為升壓時測點Z向實測位移變化值,其中位于氣膜煤棚中部位置的G4測點的實測位移變化最大,變化量為0.30m;X、Y向實測位移幾乎沒有變化。從圖4(g)也可以發現,相較于其他測點,位于氣膜煤棚東南側的G7測點在Y向位移變化也比較明顯,變化幅度為0.07m。綜上所述,升壓過程中,Z向位移變化最為顯著,按位移響應程度排序,Z向>>Y向>X向。

表2 內壓由350Pa升至500Pa實測Z向位移

圖4 實測位移

3.2 內壓維持階段實測位移分析

在8:05升壓至500Pa后,維持此狀態45min,如圖4所示,各個測點在Z向位移隨著時間依然有略微的上升,而X、Y向位移沒有明顯變化。

圖4和表1顯示在8:50開始通過10min降壓,將壓強從500Pa降至470Pa,這段時間內,G1～G7測點的Z向位移有顯著的下降,并且各測點下降位移的差別不大,X、Y向位移在平衡值上下波動。

后維持470Pa內壓6h15min,可以從圖4中看出,在這段時間內,X、Y、Z向位移在平衡點位置處有微小的波動,這是由于外部風荷載作用于膜面,同時氣膜內部的氣體會反向作用于膜面,對膜面產生了風致振動響應。

3.3 470Pa降至260Pa實測位移分析

從圖4和表1可以看出,在15:15到16:51這段時間內,共進行了5次降壓,分別是15:15～15:23內壓從470Pa降至410Pa、15:38～15:49內壓從450Pa降至400Pa、16:00～16:05內壓從400Pa降至350Pa、16:18～16:22內壓從350Pa降至300Pa、16:34～16:39歷經5min內壓從300Pa降至260Pa。在一整段連續降壓的時間內,內壓從470Pa降至260Pa。

本文取在內壓260Pa時的測點坐標為位移初始基準坐標,260Pa是正常內壓,從260Pa上升與下降是為了模擬煤棚在調壓過程的變化情況,由正常內壓調至其他壓強。Z向位移小于0表明結構此時的膜面外形剖視線要低于基準狀態,從圖4(e)、(f)中可以比較明顯地看出,在16:39內壓到達260Pa后,Z向位移會降到0.00m以下,這是由于加壓后會致使索應力整體分布情況發生較大改變,中心處索膜接觸力增大,邊緣處索膜接觸力減小,在膜結構邊緣附近甚至會出現較大面積的索膜分離區,致使膜面相對索網發生相對位移現象。而泄壓后雖然索膜接觸力重新變得更加均勻,但始終未能超過相對摩擦力的約束,這種相對位移也未能消除。

從表3、圖4可以看出,G4測點的Z向位移變化最大,由此可以看出降壓對位于氣膜煤棚中部位置G4測點的Z向位移影響最大,變化量為0.60m。在升壓降壓過程中,由于氣膜煤棚四周位移累積,四周會向外擴張或者內縮,而且內部氣體在風機運作時處于紊亂狀態,因此會形成突變,待一段時間后會恢復穩定狀態。綜上所述,在降壓時,Z向位移變化最為顯著,按位移響應程度排序,Z向>>Y向>X向。

表3 內壓由470Pa降至260Pa實測Z向位移

圖5～7顯示了經過Loess濾波器處理后的7個測點位移變化曲線。如圖5所示,伴隨著氣膜內壓的變化,沿X向即長度方向位移變化量較小,除G2、G4、G5測點、位移有明顯階梯形變化外,其他測點位移曲線圍繞某平衡值上下波動。如圖6所示,在350Pa升至500Pa時,G3、G4、G5、G7測點膜面出現位移顯著上升,在15:15～16:51這段時間內,內壓迅速下降,隨后迅速上升,各測點Y向位移曲線形成“凹陷”,G1、G2測點膜面變化非常小,G6測點膜面保持平穩狀態。如圖7所示,隨著內壓變化,Z向位移最顯著,位移曲線呈現出與內壓變化曲線相似的趨勢,先升后凹,位于氣膜煤棚頂部的G4測點不同于其他測點,此測點位移響應最大,大約為0.3m,其余各測點曲線變化相似。

圖6 Loess濾波器處理后的Y向位移

圖7 Loess濾波器處理后的Z向位移

為形象地表示膜面變形趨勢,選取了氣膜煤棚在內壓350Pa升至500Pa時的變化情況。圖8、9分別為內壓升高X、Y、Z向膜面的變化趨勢。從圖8中可以得到,在煤棚內壓由350Pa升壓至500Pa過程中,膜面7個位移測點沿X軸向中部靠攏,頂部位置沿X向保持不變,但由于當時的風力條件和加壓后索網內力重分布,導致G3、G5測點的膜面產生繞G4測點扭轉的趨勢。由圖9所示,在升壓過程中,膜面呈現外擴的變形趨勢,在氣膜角部區域此特征尤其明顯。氣膜中部位置由于氣膜西側為開闊的空地,在膜面因充氣發生變形時受到持續的風力作用,影響了氣膜充氣形態,導致出現沿Y向正向的位移。由圖10可知,在沿X、Y、Z三向變形中,Z向位移變化最大,變形最為明顯,而且變化趨勢相同,皆沿Z軸正向變形,即膜面上升。其中,在7個測點中,頂部位移最為明顯,說明頂部變形為四周區域變形累積的結果。

圖8 內壓升高時X向膜面變化趨勢

圖9 內壓升高時膜Y向膜面變化趨勢

圖10 內壓升高時膜Z向膜面變化趨勢

綜上所述,在氣膜升壓時,膜面會呈現外擴趨勢,中部以及頂部位置位移響應很明顯,設計人員進行氣膜結構設計時,可以考慮通過索網加密或加大索網直徑措施來加強中部區域的結構強度。

4 基于ANSYS的升壓位移響應分析

基于工程實例,建立了一個長317m、寬115m、高45m的長矩形氣承式膜結構,采用斜交索網結構。材料屬性為:膜材厚度為1.2mm,材料的密度為 1200kg/m3,經、緯向的彈性模量為Ex=Ey=1.1×109N/m2,泊松比νx=νy=0.4;鋼索的直徑為20mm,彈性模量E=1.6×1011N/m2,泊松比v=0.3。

將上述參數輸入到ANSYS APDL有限元軟件中,膜面采用Shell 41單元,設置忽略膜面的彎曲剛度,鋼索采用僅受拉的Link 10單元,采用Conact175 點-面接觸單元建立索和膜之間的接觸關系,不考慮索膜之間的摩擦接觸問題,兩者按共享節點進行處理,開啟大變形效應,忽略材料非線性,對氣承式膜結構劃分網格,如圖11所示。

圖11 氣承式膜結構的網格劃分

邊界條件設置為四周與地面全約束,以面荷載的形式向膜面施加內壓,得到氣承式膜結構在不同內壓下的位移響應。限于篇幅,本文只模擬計算氣膜煤棚從350Pa升壓至500Pa的位移響應。圖12為氣膜在350Pa下的位移云圖,圖13為氣膜在500Pa下的位移云圖。由圖12可知,長度與跨度方向的中部位置都呈現向上的位移,在四個角部的脊部膜面向下凹陷,說明中部的位移上升是四周凹陷導致的累計位移,同時說明無法忽視現有的模型在角部的曲率問題。由圖13可以看到,中間紅色云圖部分的面積增大,說明膜面沿Z軸向上運動。

圖12 350Pa內壓下氣承式膜結構的Z向位移/m

圖13 500Pa內壓下氣承式膜結構的Z向位移/m

表4為在ANSYS中提出的節點位移,每個節點對應于實測點在實際結構中的位置。從表4可以得出,位于結構中部的193、815、572節點的位移變化幅度較大,其中815節點即G4測點的位移變化最大,為0.263m。

表4 節點在不同內壓下的Z向位移

圖14為內壓由350Pa升至500Pa時的實測位移變化值和模擬位移變化值的曲線。從圖中可以得到,實測位移變化值曲線高于模擬曲線,同時無法忽視在角部區域的G1、G2、G6、G7測點的位移差異,但是從位移變化值分布來看,模擬值與實測值較為接近,中部區域的變化要比角部區域的更為顯著,這是由于筆者在模擬時未考慮索膜之間的摩擦接觸問題,兩者按共享節點進行處理,這樣就相當于增大了索網的約束。而當時實際的升降壓試驗確實造成了索膜間相對的位移,所以結果比模擬值偏大。

圖14 350Pa升至500Pa實測與模擬位移變化值

5 結論

基于大跨度氣承式膜結構煤棚布設的健康監測系統,得到了結構在臺風來臨前升降壓-保壓測試下的實測位移響應,通過ANSYS建立了有限元模型,對其進行了不同內壓下的初始形態分析,對比了在升降壓狀態下測點位置位移響應的實測值與模擬值,得到了以下結論:

(1)氣承式膜結構在升壓過程中膜面沿Z軸向上運動,并且在此過程中膜面呈現外擴的趨勢,在降壓過程中膜面沿Z軸向下運動,升降壓時結構X與Y向變形很小,主要沿Z軸上下運動,在內壓變化時膜面整體形狀易受外界風荷載影響。

(2)在Z向,位于膜中部區域的G4測點的實測位移在350Pa內壓下為0.099m,在500Pa內壓下的位移為0.362m,位移的絕對差值為0.263m,相較于角部區域的G3測點,在350Pa內壓下的位移為0.201m,在500Pa內壓下的位移為0.355m,位移的絕對差值為0.153m,可以得出中部區域的變化要比角部區域的更為顯著。

(3)氣承式膜結構升降壓過程中位移響應主要集中在結構中部,另外,在結構角部,位移模擬值的分布形式與實測值有較大差別,因此在實際工程中,模擬值的準確性需要更多的探索與研究,實測位移值要大于模擬值,但實測值與模擬值均呈現出中部響應大于四周相應的分布形式。