大型鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中的變形監(jiān)測研究

岳蕓

（昆明建設(shè)管理有限公司，昆明 650034）

1 引言

由于鋼結(jié)構(gòu)具有施工工期較短、強(qiáng)度高、跨度大、施工較為便捷等優(yōu)勢，多數(shù)大型建筑物中多采用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建造。目前，已有較多關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)建筑施工的研究，例如，王文芹[1]對超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討；孫桂軍[2]對鋼結(jié)構(gòu)建筑的質(zhì)量控制體系進(jìn)行了分析；程統(tǒng)然[3]對鋼結(jié)構(gòu)建筑施工控制做出了體系化分析。但大型鋼結(jié)構(gòu)一旦有事故出現(xiàn)，會對財產(chǎn)和生命安全造成極大的影響，因此，非常有必要對其施工變形做進(jìn)一步的研究，以此對其施工質(zhì)量進(jìn)行控制，確保施工安全。

2 施工監(jiān)測

以某大型鋼結(jié)構(gòu)建筑為研究對象，該建筑主體的構(gòu)成部分包括現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻體和鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。該鋼結(jié)構(gòu)屋蓋接近圓形，長軸長88 m、短軸長82 m、高33 m，其組成構(gòu)件有主次桁架、穩(wěn)定桁架、支撐桿件、系桿和外圍屋蓋。主桁架的組成部分包括兩個矩形桁架，以南北和東西兩個方向相交布置，其余構(gòu)件則以垂直方向布置。

對大型鋼結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)受力和變形超出設(shè)計值、構(gòu)件連接不當(dāng)?shù)仁浅霈F(xiàn)事故的重要原因，因此，有必要在施工階段對屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工監(jiān)測，對鋼結(jié)構(gòu)在各個施工環(huán)節(jié)的安全情況進(jìn)行把握。

2.1 有限元模擬

通過有限元分析軟件對該大型鋼結(jié)構(gòu)建筑施工進(jìn)行模擬。建模時，采用空間梁單元對桿件進(jìn)行模擬；采用剛性節(jié)點對桿件之間進(jìn)行銜接；采用支座對鋼屋蓋和柱頂進(jìn)行連接。有限元計算模型如圖1 所示。限于篇幅，本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖1 有限元計算模型

由圖2 可知，在安裝鋼結(jié)構(gòu)時，成型后的結(jié)構(gòu)變形最大值小于規(guī)范值，且結(jié)構(gòu)卸載之后應(yīng)力最大值為172.11 MPa，因此，鋼結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力和變形均符合要求。

圖2 有限元模擬結(jié)果

2.2 現(xiàn)場監(jiān)測

在該鋼結(jié)構(gòu)建筑主桁架施工時，對其進(jìn)行監(jiān)測，以分析其結(jié)構(gòu)變化情況。監(jiān)測斷面如圖3 所示。主桁架提升時各測點應(yīng)力值見表1。

注：1~6 為測點編號。

表1 主桁架提升時各測點應(yīng)力值

從結(jié)果上看，主桁架提升時有約-16.6~27.74 MPa 的理論應(yīng)力值，實測值有約-13.464~15.144 MPa 的應(yīng)力值。應(yīng)力實測值小于理論計算值，說明計算模型剛度小于實際結(jié)構(gòu)，與實際相符，且表明吊裝構(gòu)件時是安全的。而從安裝主桁架的應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)上看，其應(yīng)力理論值約為-16.7~28.3 MPa，實測值約為-121.42~9.57 MPa，兩者相比實測應(yīng)力值較大。進(jìn)一步分析實測值可知，其約有3 個測點數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，其中，兩個測點在同一個斜桿附近，除此之外，其他測點數(shù)據(jù)均正常；拆除主桁架支撐時，主桁架下弦桿的應(yīng)力實測值和理論值均有較大的變化，分析其原因可知，其主桁架下弦桿在臨時支撐的影響下，邊界支座轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂芍ё?，對?yīng)力產(chǎn)生了較大的影響。

從以上分析可以看出，本次監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的僅有個別監(jiān)測點，但同位置其余測點數(shù)據(jù)均符合要求，表明在安裝構(gòu)件時處于安全狀態(tài)。

分析實測值和理論值存在誤差的原因可知：采用簡化的建模結(jié)構(gòu)計算得到的理論值與較為復(fù)雜的實際結(jié)構(gòu)在幾何圖形和連接方式等方面差別均較大，導(dǎo)致所設(shè)計構(gòu)件的受力與具體情況出現(xiàn)較大差別。此外，因為計算理論值時，假設(shè)荷載在施工工作面上保持均勻分布，且未考慮施工動荷載產(chǎn)生的影響，而實際施工荷載分布較不均勻，施工中也有較多因素會對應(yīng)力監(jiān)測造成影響。最后，現(xiàn)場應(yīng)力監(jiān)測時，天氣和施工人員等因素均會對其造成一定的影響，使數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。

2.3 結(jié)果對比

為判斷主桁架施工時的結(jié)構(gòu)安全，本文通過對主桁架各測點在施工時的位移變化增量進(jìn)行對比分析，這里以其中1個測點為例，所得結(jié)果如圖4 所示。

圖4 測點位移變化情況

從結(jié)果可以看出，部分實測值大于理論值，但考慮施工受鋼結(jié)構(gòu)溫度變化的影響，且兩者偏差處于允許值內(nèi)，可確定結(jié)構(gòu)施工時的狀態(tài)是安全的。并且從位移變化圖可以看出：隨著不斷進(jìn)行的施工，結(jié)構(gòu)位移開始時有較大的變化，但逐漸趨于平穩(wěn)；隨著構(gòu)件安裝施工的推進(jìn)，鋼結(jié)構(gòu)位移表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的增長或降低趨勢，符合具體施工情況，表明在安裝鋼結(jié)構(gòu)時有較好的位移控制；從結(jié)構(gòu)位移變化情況看，部分測點有較大的位移實測值變化，但總體上看，隨著施工的不斷進(jìn)行，位移變化情況逐漸趨于緩慢，表明施工時控制位移非常重要；結(jié)構(gòu)位移變量在完工并卸除外部荷載后的有一定的減小，表明該鋼結(jié)構(gòu)建筑有較大的剛度。

3 質(zhì)量控制措施

3.1 吊機(jī)施工質(zhì)量控制

干燥天氣對吊機(jī)施工較為有利，能夠使其具有較高的穩(wěn)定性，而雨天施工會對吊機(jī)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。因此，吊機(jī)施工時需注意做好定期排水、工作坑護(hù)臂的防護(hù)等工作，確保吊機(jī)施工安全和質(zhì)量。吊機(jī)施工時的場地找平需要通過水準(zhǔn)儀測量模板底部標(biāo)高，避免平臺搭建時的高程受到影響，并及時檢查平臺底板穩(wěn)固情況。吊機(jī)起吊前，需先通過試吊對各部分結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行檢查，在確保其受力狀態(tài)正常時才能開展吊裝工作。起吊時，應(yīng)確保起吊物下方不得有人員停留或通過，并且應(yīng)禁止貨物和人員一同升降，若特殊情況下不得不同時起吊，則應(yīng)確保安全措施足夠可靠。

3.2 構(gòu)件焊接質(zhì)量控制

焊接鋼結(jié)構(gòu)時，焊接材料需與母材有相同的強(qiáng)度。針對裸露在外且需要具備較強(qiáng)的腐蝕性等特殊要求的承重結(jié)構(gòu)，應(yīng)使用耐候鋼，并確保其質(zhì)量符合要求。烘干焊條時，必須根據(jù)相關(guān)工藝規(guī)定進(jìn)行，若相關(guān)文件未做出規(guī)定，針對酸性焊條，應(yīng)考慮其受潮情況，將其置于75~150 ℃的環(huán)境中進(jìn)行1~2 h的烘干處理；對于堿性焊條，應(yīng)將其置于350~400 ℃的環(huán)境中進(jìn)行1~2 h 的烘干處理，并將其放置到保溫箱內(nèi)。

在施焊之前，應(yīng)對焊接接頭表面和兩側(cè)進(jìn)行檢查，并根據(jù)工藝要求進(jìn)行預(yù)熱。從焊接方便的角度考慮，建議先不組裝和焊接剛性連接板兩側(cè)的栓釘，在焊接完剛接板和隔板焊縫后再組裝栓釘，最后通過手工電弧焊焊接栓釘。現(xiàn)場結(jié)構(gòu)焊接如圖5 所示。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)焊接圖

3.3 剪力釘質(zhì)量控制

在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件焊接中，剪力釘對其質(zhì)量有較大影響。因鋼結(jié)構(gòu)焊接時需配合以剪力釘，故在大型鋼結(jié)構(gòu)中常需要用到較多數(shù)量的剪力釘，為確保工程質(zhì)量，必須對剪力釘?shù)馁|(zhì)量進(jìn)行控制[4-5]。使用剪力釘時，在焊接前需根據(jù)圖紙要求進(jìn)行剪力釘?shù)姆艠訙y量，確保其位置足夠精準(zhǔn)，進(jìn)而保障其使用質(zhì)量。且在焊接后，剪力釘?shù)暮附硬糠忠蚝附蛹夹g(shù)的影響會有積水等情況出現(xiàn)，施工時應(yīng)及時清理，以確保其使用穩(wěn)定性。焊接剪力釘時，要確保電源的穩(wěn)定性，并以200~300 kW 的功率進(jìn)行焊接。此外，焊接剪力釘時，焊接人員需配套齊全的防護(hù)用具，以確保其自身安全。

4 結(jié)語

基于上述分析，得出以下結(jié)論：

1）大型鋼結(jié)構(gòu)的分步安裝過程中，在安裝主桁架以及卸載支撐時會對其結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移造成一定的影響，施工監(jiān)測時需重點關(guān)注卸載支撐的工況，卸載支撐需分步進(jìn)行，逐項卸載，以避免鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力和位移突變的情況。

2）從實測值和應(yīng)力值的對比中可以看出，兩者有較好的吻合性，表明有限元模擬時通過梁單元進(jìn)行模擬的方法是可取的。