大跨度預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架監(jiān)測施工技術(shù)

羅 浩，劉 創(chuàng)，周 飛，蔡天宇，熊勛昌

(中建八局浙江建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 311200)

1 工程概況

國航基地工程101號維修機庫項目位于某機場內(nèi)，占地面積20 562m2，總建筑面積28 447m2，建筑總高度37.65m，結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)+鋼網(wǎng)架屋面。機庫大廳建筑面積13 321m2，跨度146m，進深90m，下弦凈高25m，其中大門桁架下弦鋼管中設(shè)置69根鍍鋅無粘結(jié)鋼絞線，預(yù)應(yīng)力張拉力為5 500kN。

機庫大廳由3層焊接球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)組成，總用鋼量約2 000t，主要節(jié)點類型為上弦桿、中弦桿、下弦桿、上腹桿和下腹桿，整體為四角錐體空間結(jié)構(gòu)。

2 大跨度預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架監(jiān)測施工技術(shù)

1)預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架施工時，首先利用BIM技術(shù)和有限元軟件等對網(wǎng)架本身、提升設(shè)備、提升設(shè)備附屬支座、預(yù)應(yīng)力節(jié)點在各工況下的受力情況進行計算分析，正式實施時通過預(yù)埋應(yīng)變片監(jiān)測各節(jié)點實際受力情況，并將監(jiān)測結(jié)果與計算結(jié)果進行對比分析，過程中同步控制，完美解決了大跨度預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架監(jiān)測的施工難題，保證網(wǎng)架施工安全。

2)在大跨度預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架實施前，利用BIM技術(shù)和有限元軟件分析網(wǎng)架在拼裝、初次提升、整體提升、受力點轉(zhuǎn)移、卸載等不同工況下各構(gòu)件、各節(jié)點及提升設(shè)備的吊點受力情況，優(yōu)化提升設(shè)備及點位布置，選擇經(jīng)濟適用、施工便捷的提升方案。

3)確定提升工藝及設(shè)備后，分析提升設(shè)備所附屬的混凝土網(wǎng)架柱在最大荷載下的受力，分別驗算機庫網(wǎng)架柱中受力最大、配筋最小、長度最大柱的受力情況，確保滿足要求。最后在預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架實施前，對預(yù)應(yīng)力節(jié)點進行深化設(shè)計，優(yōu)化鋼絞線布置形式、錨具節(jié)點受力情況及鋼絞線張拉后預(yù)應(yīng)力傳遞路徑，增加套管在支座鋼管內(nèi)約束力。正式實施時，通過預(yù)埋應(yīng)變片對上述各節(jié)點的實際受力情況進行實時監(jiān)測，并將實際數(shù)據(jù)與計算情況進行對比分析，確保網(wǎng)架實施的安全性。

3 主要施工方法

3.1 施工工藝流程

預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架監(jiān)測施工工藝流程為：網(wǎng)架受力分析→提升設(shè)備選擇→網(wǎng)架支撐柱受力分析→網(wǎng)架拼裝→網(wǎng)架提升→預(yù)應(yīng)力施工→網(wǎng)架監(jiān)測。

3.2 操作要點

3.2.1網(wǎng)架受力分析

1)采用通用有限元軟件SAP2000V14.1.0對預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架進行受力分析。模型分析中，網(wǎng)架節(jié)點均為剛接，桿件均采用梁單元模擬，梁按壓彎構(gòu)件計算，計算長度系數(shù)均取1.0。由于提升作業(yè)時間約2d，天氣因素在可控范圍內(nèi)，且屋蓋為鏤空結(jié)構(gòu)，承受的風(fēng)荷載較小，因此，提升工況分析中不考慮風(fēng)荷載及溫度荷載作用，主要考慮網(wǎng)架及檁條、馬道等附屬結(jié)構(gòu)自重。網(wǎng)架合計提升重量約2 000t，荷載分項系數(shù)取1.4。

2)各提升點同步上升過程中存在一定程度的高度偏差，因此，需考慮提升過程中各吊點不同步對結(jié)構(gòu)造成的影響。不同步主要對吊點周圍桿件應(yīng)力影響較大，根據(jù)工程經(jīng)驗，考慮1.2倍超載系數(shù)。驗算桿件強度時，總的分項系數(shù)為1.4×1.2=1.68，驗算網(wǎng)架變形時分項系數(shù)為1.0。

3)提升工況分析中，網(wǎng)架桿件應(yīng)力比控制在0.9以內(nèi)。根據(jù)JGJ 7—91《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》，受拉桿件長細比<300(支座附近<250)，受壓桿件長細比<180。不滿足上述條件的桿件需進行置換。網(wǎng)架提升時撓度計算如圖1所示。經(jīng)分析，網(wǎng)架提升過程中最大下?lián)霞s175mm<146 000/250=584mm，滿足規(guī)范要求，但部分桿件受力不滿足要求，需對該部分桿件進行替換。替換后重新計算分析，由桿件應(yīng)力比統(tǒng)計(見圖2)可知，預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架在各工況下所有桿件及節(jié)點受力均滿足要求，施工過程安全。

圖1 網(wǎng)架撓度計算(單位：mm)

圖2 桿件應(yīng)力比統(tǒng)計

3.2.2提升設(shè)備選擇

1)提升方法 網(wǎng)架采用原位拼裝、整體提升的方式進行安裝，即在地面完成機庫大廳和大門2個區(qū)域網(wǎng)架整體拼裝及焊接工作后，通過由17臺TLJ-600型、TLJ-2000型液壓提升器(利用15個支座點作為吊點，另外設(shè)置2個臨時吊點，如圖3所示)組成的提升系統(tǒng)將其整體提升至支座點位置。

圖3 提升點位布置

2)提升點位受力分析 提升的下吊點D1,D2結(jié)構(gòu)類似，均為臨時球，選取最大荷載點進行計算。選用ANSYS14.0軟件，采用solid185單元，鋼結(jié)構(gòu)材料楊氏模量E=2.1×1011Pa，泊松比ν=0.3，下吊點臨時桿(3根鋼管)截面三向約束。吊具計算結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，吊具最大應(yīng)力為210MPa<295MPa，下錨點最大豎向變形1.0mm，滿足提升要求。

圖4 吊具計算結(jié)果

3.2.3網(wǎng)架支撐柱受力分析

在提升工況下，混凝土網(wǎng)架支撐柱為偏心受壓構(gòu)件。為保證結(jié)構(gòu)安全，需對其進行承載力復(fù)核。提升點支撐柱特性如表1所示。

表1 提升點支撐柱特性

分別驗算機庫網(wǎng)架受力最大、配筋最小、長度最大的混凝土網(wǎng)架柱，結(jié)果均滿足要求。因此，提升反力對所有柱的影響均滿足要求，即結(jié)構(gòu)狀態(tài)為安全。

3.2.4網(wǎng)架拼裝

考慮網(wǎng)架焊接變形的特點，將整個網(wǎng)架劃分為9個平行區(qū)段，分別為機庫大廳A～H區(qū)和大門桁架J區(qū)，單個分區(qū)寬度為18m，如圖5所示。

圖5 飛機庫網(wǎng)架平面分區(qū)

3.2.5網(wǎng)架提升

1)當(dāng)機庫大廳網(wǎng)架第1次提升至3.5m高度與大門預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架區(qū)域中心平齊后，靜置24h用于網(wǎng)架焊接應(yīng)力的釋放。在此期間，檢查所有焊縫外觀質(zhì)量，修補出現(xiàn)裂紋等質(zhì)量問題的焊縫。

2)當(dāng)網(wǎng)架第2次整體提升至設(shè)計高度后，再次對網(wǎng)架下?lián)锨闆r進行復(fù)核，將實際測量結(jié)果與理論計算撓度值進行對比分析，作為高空補桿焊接和后期鋼管桁架中預(yù)應(yīng)力張拉的參考。

3)先通過計算機仿真分析計算得到鋼網(wǎng)架整體同步提升工況各吊點反力，再進行不同步最不利工況分析，得出安全范圍內(nèi)的最大吊點反力。在液壓同步提升系統(tǒng)中，依據(jù)計算數(shù)據(jù)相應(yīng)設(shè)定每臺液壓提升器的最大提升力。

4)在網(wǎng)架主要受力桿件中安裝應(yīng)變片，并及時監(jiān)測各桿件受力情況，當(dāng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)某吊點實際提升力有超出設(shè)定值的趨勢時，液壓提升系統(tǒng)自動采取溢流卸載，使該吊點提升反力控制在設(shè)定值之內(nèi)，以防出現(xiàn)各吊點提升反力分布嚴重不均，對永久結(jié)構(gòu)及臨時設(shè)施造成破壞。

3.2.6預(yù)應(yīng)力施工

鋼絞線張拉擬采用單根兩側(cè)同時張拉、循環(huán)反復(fù)張拉至設(shè)計要求的施工方案。

1)張拉錨固工藝流程 整理、清潔鋼絞線→安裝錨具、千斤頂→鋼絞線裝入千斤頂及工具錨內(nèi)楔緊→分級張拉至規(guī)定值→錨固→灌漿→切割多余鋼絞線→封錨。

圖6 桁架下弦鋼管

3)張拉采用張拉力和伸長值雙控，以張拉力控制為主。實施方法為：各級張拉力采用油壓表讀數(shù)控制，千斤頂和油壓表配套使用。根據(jù)千斤頂校準報告計算出預(yù)應(yīng)力筋各級張拉力相對應(yīng)的油壓表讀數(shù)。張拉時量測10%σcon→100%σcon張拉過程的預(yù)應(yīng)力筋伸長值，當(dāng)實際伸長值不在理論計算伸長值的94%～106%時，應(yīng)暫停張拉，找出原因并采取處理措施后，方可繼續(xù)張拉。

張拉過程中通過安裝的應(yīng)變片，分析監(jiān)測預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架受力，如出現(xiàn)桁架或網(wǎng)架變形過大等異常現(xiàn)象，應(yīng)及時匯報給相關(guān)負責(zé)人，并做好記錄。

3.2.7網(wǎng)架監(jiān)測

3.2.7.1計算機監(jiān)測監(jiān)控

1)液壓同步提升技術(shù)采用傳感檢測和計算機集中控制，通過數(shù)據(jù)反饋和控制指令傳遞，可實現(xiàn)同步動作、負載均衡、姿態(tài)矯正、應(yīng)力控制、操作閉鎖、過程顯示和故障報警等功能。

2)操作人員可在中央控制室，通過液壓同步計算機控制系統(tǒng)人機界面進行液壓頂推過程及相關(guān)數(shù)據(jù)的觀察和控制指令的發(fā)布。

3)通過計算機人機界面操作，可實現(xiàn)自動控制、順控(單行程動作)、手動控制及單臺提升器點動操作，從而達到鋼網(wǎng)架整體提升安裝工藝中所需的位移同步、安裝位移調(diào)整、單點微調(diào)等特殊要求。

4)提升就位后，測量人員應(yīng)通過測量儀器配合測量各監(jiān)測點位移的準確數(shù)值。

5)嚴格按專項施工方案進行整體提升，提升過程中，專業(yè)技術(shù)人員全面檢測液壓設(shè)備工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問題需立即上報，制定處理方案，使整個提升過程處于安全可控狀態(tài)。

3.2.7.2測量工具監(jiān)測監(jiān)控

1)第1階段為結(jié)構(gòu)剛離地、正式提升前，需對各吊點初始位置進行測量。根據(jù)測量結(jié)果，利用提升器調(diào)整各吊點高度，使其在同一高度上，保證結(jié)構(gòu)姿態(tài)滿足設(shè)計要求，同時通過預(yù)埋的應(yīng)變片觀察網(wǎng)架受力情況。

2)第2階段為正式提升階段。隨著提升高度的增加，每提升約2m進行1次網(wǎng)架受力監(jiān)測，每次監(jiān)測完成后，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果與理論計算對比分析的結(jié)果，實施掌控網(wǎng)架、提升設(shè)備、支撐柱受力狀態(tài)，直至各吊點提升至同一高度上。

3)第3階段為提升就位階段。當(dāng)結(jié)構(gòu)提升至距設(shè)計高度約20cm時，需對各吊點位置進行對口監(jiān)測，本階段提升器頻率需調(diào)低，配合測量人員進行對口測量，保證結(jié)構(gòu)桿件精確對口和受力安全。

4)第4階段為網(wǎng)架卸載階段。網(wǎng)架在高空補桿和永久支座施工完成后，網(wǎng)架受力部位將由提升架轉(zhuǎn)移至正式支座點。在卸載過程中需實時監(jiān)控網(wǎng)架受力和撓度值有無重大變化，并根據(jù)每個提升架監(jiān)測結(jié)果控制網(wǎng)架卸載速率，保證網(wǎng)架安全。

4 關(guān)鍵控制技術(shù)

1)建立TEKLA三維模型，并結(jié)合有限元軟件分析計算網(wǎng)架施工過程中可能產(chǎn)生的變形量，分析各桿件在不同階段的受力情況，對于不滿足要求的進行替換或補強。

2)根據(jù)預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架高差分布特點和施工工序，合理做好施工區(qū)段劃分，以控制小拼單元質(zhì)量為原則，通過發(fā)明鋼結(jié)構(gòu)球節(jié)點定位輔助裝置及定位方法，解決球節(jié)點定位難題，保證每個施工單元尺寸偏差滿足要求，進而保證預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架整體質(zhì)量符合要求。

3)預(yù)應(yīng)力張拉時，嚴格按設(shè)計要求，采用循環(huán)往復(fù)張拉的方式進行分級對稱張拉。

4)通過對不同階段網(wǎng)架受力情況進行監(jiān)測分析，與理論計算值比較，可及時做出預(yù)判，采取相應(yīng)的控制措施。

5 結(jié)語

采用大跨度預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架監(jiān)測技術(shù)能很好地監(jiān)測預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架在安裝、提升、預(yù)應(yīng)力張拉、卸載階段的受力情況，確保網(wǎng)架本身、提升設(shè)備、支撐點的受力均滿足要求，保證施工安全。