大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間張弦桁架施工全過(guò)程監(jiān)測(cè)與分析

翟 雷，李文濤，王永生，韓正虎，周勝利，袁 帥，王宏浩，吳 超

(中國(guó)建筑第二工程局有限公司華東公司，上海 200135)

0 引言

我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)多按運(yùn)營(yíng)狀態(tài)設(shè)計(jì)，但施工過(guò)程中鋼結(jié)構(gòu)受力及構(gòu)件內(nèi)部變形等情況與運(yùn)營(yíng)階段有很大差別。尤其是大跨度空間張弦結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)形式和受力狀態(tài)非常復(fù)雜，施工過(guò)程中采用不同施工順序或施工方法，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響均不同。因此，設(shè)計(jì)參數(shù)并不能很好地為施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全提供保障，施工過(guò)程中的累積誤差甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失衡倒塌。為保證鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的精確、安全、穩(wěn)定，須合理選擇施工方法及施工順序，同時(shí)針對(duì)結(jié)構(gòu)整體及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行施工全過(guò)程健康監(jiān)測(cè)。

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用與研究逐漸增多，但由于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，成本較高，我國(guó)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多以橋梁結(jié)構(gòu)為主。如李鵬飛[1]對(duì)濱州黃河公路大橋健康監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)開(kāi)展了研究；李愛(ài)群等[2]基于健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)潤(rùn)揚(yáng)大橋進(jìn)行全生命周期監(jiān)測(cè)與分析。針對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究較少。

本文對(duì)合肥濱湖國(guó)際會(huì)展中心二期項(xiàng)目施工全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，反向驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安全高效生產(chǎn)，并為后續(xù)類似工程施工提供參考。

1 工程概況

合肥濱湖國(guó)際會(huì)展中心二期項(xiàng)目位于安徽省合肥市濱湖新區(qū)，其中綜合展館結(jié)構(gòu)長(zhǎng)192m、寬170m，下部為鋼框架結(jié)構(gòu)，上部為大跨度張弦桁架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)BIM三維效果如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)BIM三維效果

綜合展館鋼結(jié)構(gòu)主桁架共10榀，單跨144m，拱高10.7m，單榀重約165t。次桁架共36榀，單跨18m，單榀重約11t，均為倒三角桁架。主桁架兩端為鑄鋼節(jié)點(diǎn)，材質(zhì)為ZG20SiMn，西側(cè)支座為固定鉸接支座，東側(cè)支座為單向滑動(dòng)支座。桁架下張拉索為半平行PE索，規(guī)格為φ7×586，1670級(jí)。索體直徑為218mm，為國(guó)內(nèi)民用建筑最大尺寸索體。最大索力為3 682.9kN。單品桁架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單榀桁架結(jié)構(gòu)示意(單位：m)

桁架為一端滑動(dòng)、一端為固定支座，滑動(dòng)端滑程為-270～50mm。

2 施工工藝

合肥濱湖國(guó)際會(huì)展中心二期綜合展館大跨度張弦桁架采用累積滑移的施工方法，綜合展館南側(cè)為桁架拼裝區(qū)，軸位置為桁架組裝滑移區(qū)。綜合展館結(jié)構(gòu)施工平面布置如圖3所示。

圖4 拼裝胎架及滑移軌道布置

桁架通過(guò)滑靴結(jié)構(gòu)與滑移軌道連接，滑靴結(jié)構(gòu)傳遞豎向荷載至滑移軌道、頂推設(shè)備。每個(gè)支座兩側(cè)各設(shè)置1個(gè)滑靴。支座處滑靴節(jié)點(diǎn)如圖5所示，支座處模型如圖6所示。

圖5 支座處滑靴節(jié)點(diǎn)詳圖

圖6 支座處模型

圖7 滑移梁立面

為保證滑移整體安全平穩(wěn)，安裝完成2榀桁架后，將第1組桁架滑移至胎架懸挑位置，掛索并分級(jí)張拉完成，屋蓋結(jié)構(gòu)累積滑移完成后(含原位吊裝部分)，安裝支座后進(jìn)行卸載，檁托可隨桁架吊裝前完成安裝。

3 施工全過(guò)程健康監(jiān)測(cè)

屋面為張弦空間桁架結(jié)構(gòu)，主桁架跨度為144m，跨度大，屋蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)鍵構(gòu)件節(jié)點(diǎn)多，且采用累積滑移施工，施工難度極大。根據(jù)GB 50982—2014《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[3]，對(duì)合肥濱湖國(guó)際會(huì)展中心二期項(xiàng)目的施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，建立鋼結(jié)構(gòu)整體模型，通過(guò)有限元軟件模擬鋼構(gòu)件拼裝、空間桁架累積滑移、預(yù)應(yīng)力索張拉和支座卸載的施工全過(guò)程。對(duì)應(yīng)力水平較高的構(gòu)件及承受較大施工荷載的構(gòu)件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，以確保結(jié)構(gòu)在施工及運(yùn)營(yíng)期間使用安全[4-6]。

施工階段監(jiān)測(cè)包括拉索索力、主要構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變及溫度(撐桿、弦桿、腹桿、倒三角抗風(fēng)柱)、屋蓋桁架變形、滑動(dòng)支座位移。

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)基站、服務(wù)平臺(tái)組成。數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)為在各測(cè)點(diǎn)安裝的監(jiān)測(cè)設(shè)備，每臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備連接1個(gè)數(shù)據(jù)傳送裝置，將設(shè)備采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送出去；施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置1個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)基站，接收設(shè)備傳送出來(lái)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺(tái)服務(wù)平臺(tái)；服務(wù)平臺(tái)對(duì)中轉(zhuǎn)基站發(fā)送出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理存儲(chǔ)，可通過(guò)電腦、手機(jī)等終端隨時(shí)查看。所有數(shù)據(jù)傳輸均為無(wú)線傳輸，工作原理如圖8所示。

圖8 無(wú)線傳輸工作原理

分析不同構(gòu)件，針對(duì)其受力特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置[5]。

拉索為屋面桁架結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，施工時(shí)通過(guò)調(diào)整拉索索力進(jìn)行調(diào)差，使結(jié)構(gòu)接近設(shè)計(jì)狀態(tài)，索力偏差對(duì)施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)狀態(tài)產(chǎn)生重要影響，同時(shí)也確定了結(jié)構(gòu)施工完成后的實(shí)際狀態(tài)。屋蓋共10榀主桁架，每榀桁架下對(duì)應(yīng)1根拉索，對(duì)應(yīng)布置2個(gè)索力測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖9)，分別布置在端部和跨中，共20個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)有2個(gè)傳感器。

圖9 索力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置

每根拉索上有15根撐桿，選取其中4根進(jìn)行撐桿應(yīng)力應(yīng)變及溫度檢測(cè)，每根撐桿設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，10榀桁架共80個(gè)測(cè)點(diǎn)。

施工階段主桁架監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在上弦，根據(jù)模擬驗(yàn)算結(jié)果，選取滑移時(shí)最大內(nèi)力位置，在三等分點(diǎn)各布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)。主桁架弦桿之間連接腹桿選取8根，每根設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖10所示。

圖10 桁架及撐桿監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置

滑移施工時(shí)，滑移梁為關(guān)鍵受力構(gòu)件，其穩(wěn)定性關(guān)系到整個(gè)滑移過(guò)程的同步性和安全性[8-9]，根據(jù)滑移梁受力云圖，在2條滑移長(zhǎng)軌的滑移梁上弦及八字撐處設(shè)置應(yīng)變傳感器，監(jiān)測(cè)滑移梁在滑移及張拉過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖11所示。

圖11 滑移梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

4 健康監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

應(yīng)力應(yīng)變傳感器2min發(fā)送1次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)服務(wù)后臺(tái)進(jìn)行收集。針對(duì)不同施工工況，分別對(duì)不同類型構(gòu)件進(jìn)行分析。

4.1 桁架拼裝

桁架高空拼裝在高空拼裝胎架上獨(dú)立進(jìn)行，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映，桁架拼裝工況下，其他結(jié)構(gòu)應(yīng)變波動(dòng)很小。桁架拼裝完成前，滑移梁及前2榀桁架應(yīng)力幾乎無(wú)變化。

4.2 桁架卸載

桁架卸載時(shí)，該榀桁架荷載會(huì)作用在5道滑移梁上，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映，桁架卸載工況下，滑移梁應(yīng)力隨卸載過(guò)程逐漸變小，其余桁架弦桿應(yīng)力變化不大。

4.3 桁架滑移

桁架滑移時(shí)，該榀桁架處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，腹桿、弦桿應(yīng)力呈無(wú)規(guī)律變化?；屏喊俗謸卧诨七^(guò)程中應(yīng)力逐漸變小，處于受壓狀態(tài)。

4.4 拉索張拉

拉索逐級(jí)張拉時(shí)，該榀桁架撐桿所受壓應(yīng)力隨張拉過(guò)程逐漸變大，表明撐桿所受壓力逐漸增大；桁架腹桿根據(jù)監(jiān)測(cè)位置不同，應(yīng)力變化會(huì)有所不同。拉索張拉工況下某桁架撐桿、腹桿測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線如圖12所示。

圖12 拉索張拉工況下某桁架撐桿、腹桿測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

5 滑移施工模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

表1 各工況下索力計(jì)算數(shù)據(jù)

表2 各工況下滑移時(shí)桁架最大位移

根據(jù)施工過(guò)程模擬分析結(jié)果，滑移過(guò)程中桁架最大豎向位移為66.28mm。通過(guò)桁架變形監(jiān)測(cè)，桁架豎向變形值均在66mm以內(nèi)(見(jiàn)表3～5)，施工過(guò)程安全可控。

表3 桁架1變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表4 桁架2變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表5 桁架3變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

施工過(guò)程中，每榀桁架張拉對(duì)相鄰已張拉完的拉索索力有影響。選取第8根拉索張拉時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，模擬數(shù)據(jù)如表6所示。排除個(gè)別特殊數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)所得各工況索力。經(jīng)計(jì)算，實(shí)測(cè)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果最大偏差≤8%。實(shí)測(cè)結(jié)果如表7所示。

表6 拉索8張拉時(shí)其余拉索索力模擬值 kN

表7 拉索8張拉時(shí)各拉索索力實(shí)測(cè)值 kN

6 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)不同構(gòu)件受力特點(diǎn)，以設(shè)計(jì)強(qiáng)度為參考，設(shè)置了三級(jí)應(yīng)力預(yù)警系統(tǒng)[9]，如表8所示。

表8 三級(jí)應(yīng)力預(yù)警系統(tǒng)

建立健康監(jiān)測(cè)預(yù)警響應(yīng)制度。在非極端荷載作用下，發(fā)生黃色預(yù)警時(shí)，對(duì)預(yù)警部位加大監(jiān)測(cè)頻率，直至預(yù)警解除；當(dāng)發(fā)生橙色預(yù)警時(shí)，停止該部位相關(guān)施工作業(yè)，項(xiàng)目部管理人員對(duì)傳感器及構(gòu)件進(jìn)行檢查，排查問(wèn)題，直至預(yù)警解除；當(dāng)發(fā)生紅色預(yù)警時(shí)，停止該單體所有施工作業(yè)，深度分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力異常原因并組織鋼結(jié)構(gòu)專家對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估[10-11]。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)施工全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算結(jié)果偏差在8%以內(nèi)，模擬計(jì)算結(jié)果可為施工過(guò)程提供有效指導(dǎo)，證明施工方法可行性、安全性、適應(yīng)性。采用生死單元法對(duì)相同構(gòu)件在不同工況下的應(yīng)力變化進(jìn)行分析，動(dòng)態(tài)了解各施工工況對(duì)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，從而為安全施工提供指導(dǎo)。施工過(guò)程設(shè)置的監(jiān)測(cè)設(shè)備，運(yùn)營(yíng)階段仍可使用，做到結(jié)構(gòu)全生命周期的健康監(jiān)測(cè)。