大跨度鋼結(jié)構(gòu)全過程施工監(jiān)測及分析研究

余發(fā)強(qiáng)

（甘肅博睿重裝鋼橋梁有限公司，甘肅 蘭州 730300）

相比常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工規(guī)模龐大、工序復(fù)雜、施工方法和技術(shù)種類繁多，因此，在工程建設(shè)中，大跨度鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生危險事故的幾率要遠(yuǎn)高于其他結(jié)構(gòu)施工發(fā)生危險事故的幾率。一旦在施工中發(fā)生安全隱患或出現(xiàn)安全事故，不僅會對工程方造成重大的財(cái)產(chǎn)損失，還會造成人員傷亡和負(fù)面的社會影響[1]。因此，在必要的施工過程中，采取有效的措施，進(jìn)行全過程施工的監(jiān)測，進(jìn)而為施工過程提供全面的安全保障。

1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)實(shí)例

所研究的大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目位于城市開發(fā)區(qū)，主體結(jié)構(gòu)主要由現(xiàn)澆混凝土構(gòu)成，對此建筑的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，見表1。

表1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)實(shí)例

高強(qiáng)度鋼拉桿采用合金鋼制成，每一根桿的直徑都在12～22m之間，每一節(jié)之間都有四個相同的平行拉桿。

2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)全過程施工監(jiān)測

2.1 施工監(jiān)測點(diǎn)布置

將上述項(xiàng)目中的大跨度鋼結(jié)構(gòu)作為主要監(jiān)測對象，為實(shí)現(xiàn)對其應(yīng)力、變形和索力的監(jiān)測，結(jié)合項(xiàng)目施工階段的有限元模擬理論，對鋼結(jié)構(gòu)上各個受力不利位置進(jìn)行測點(diǎn)的布設(shè)，如圖1所示。

圖1 施工監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)示意圖

根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模大小，對測點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對上述項(xiàng)目規(guī)模，可設(shè)置300～350個測點(diǎn)。可以對同一個測點(diǎn)上的應(yīng)力、變形和索力進(jìn)行測定，在各個測點(diǎn)上安裝傳感器時，需要確保安裝方向與構(gòu)件的軸線保持一致。在每一個結(jié)構(gòu)斷面上都應(yīng)當(dāng)設(shè)置2～4個應(yīng)變測點(diǎn)[2]。針對測點(diǎn)上數(shù)據(jù)的采集，可選擇在每天凌晨、正午和下午，3個時段采集3次。每個測點(diǎn)的監(jiān)測流程都可按照圖2所示內(nèi)容進(jìn)行。

圖2 各測點(diǎn)監(jiān)測流程示意圖

2.2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)全過程施工應(yīng)力監(jiān)測

在大跨鋼結(jié)構(gòu)工程中，許多構(gòu)件的受力情況會有較大幅度的改變。結(jié)構(gòu)的失效往往以局部桿件失效為起點(diǎn)，對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵桿件應(yīng)力的變化進(jìn)行判斷，是判斷桿件和整體結(jié)構(gòu)是否處于安全狀態(tài)的最直接和最有效的方法。在大跨徑鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，應(yīng)力監(jiān)控起著關(guān)鍵作用。因此首先針對大跨度鋼結(jié)構(gòu)全過程施工中的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測[3]。采用電阻應(yīng)變片法進(jìn)行監(jiān)測，其基本原理是利用電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)，把電阻應(yīng)變片貼在被測桿件上，在桿件受到外力作用并發(fā)生變形時，電阻應(yīng)變片也會隨之發(fā)生同樣的變形[4]。應(yīng)變元件的變形主要是由于應(yīng)變元件的長度的改變，使其電阻值發(fā)生變化。由測試電阻值的變化計(jì)算出受試桿的應(yīng)變變化，由此得出被測桿件的應(yīng)力變化值[5]。根據(jù)這一論述，得出各個參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

上述計(jì)算公式中：R代表金屬電阻絲在初始狀態(tài)下的電阻值；ρ代表金屬材料本身的電阻率；μ代表金屬材料的泊松比；ε代表應(yīng)變數(shù)值；dR代表在外力荷載的作用下造成電阻絲被拉伸時產(chǎn)生的電阻變化數(shù)值；dρ代表金屬材料被拉伸后的電阻率變化數(shù)值。在一般情況下，金屬材料的電阻變化率與其長度之間存在正比例關(guān)系，若在監(jiān)測過程中所選擇的電阻絲符合理想條件，則可將上述公式進(jìn)一步簡化為：

上述計(jì)算公式中：Ks代表電阻絲的靈敏度系數(shù)。通過上述方式實(shí)現(xiàn)對大跨度鋼結(jié)構(gòu)全過程施工的應(yīng)力監(jiān)測。

2.3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)全過程施工變形監(jiān)測

施工過程中的變形監(jiān)測主要是對受監(jiān)測建筑物的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測量。關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的空間位置可以反映其空間形態(tài)，其運(yùn)動規(guī)律可以反映其變形特性。在大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程中，變形監(jiān)測是一項(xiàng)非常重要的工作。根據(jù)實(shí)測資料，可以確定結(jié)構(gòu)的空間位移是否符合工程要求，結(jié)構(gòu)形態(tài)符合設(shè)計(jì)要求，并可為工程調(diào)整提供理論基礎(chǔ)[6]。針對大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工，可直接采用常規(guī)大地測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對其變形的監(jiān)測。這種測量技術(shù)的基本原理是利用測距儀、全站儀等高精度的測量儀，測出各個測點(diǎn)之間的角度、邊長、高程、相對水平距離等數(shù)值的變化情況，以此來判斷建大跨度鋼結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)了變形。同時，將多種大地測量方法相結(jié)合能夠進(jìn)一步提高監(jiān)測的精度[7]。針對本文上述施工項(xiàng)目，采用高精度全站儀和若干個反光片，針對大跨度鋼結(jié)構(gòu)上的各個關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行變形監(jiān)測。其具體操作為：第一步，在監(jiān)控目標(biāo)位置上貼上反光板，確保反光板的位置在全站儀的視野之內(nèi)。第二步，利用多點(diǎn)定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全站儀在一次測量中使用的空間坐標(biāo)系統(tǒng)。第三步，假設(shè)在第一次測量過程中，得到了某一個目標(biāo)測點(diǎn)的坐標(biāo)為（x0，y0，z0），則在第二次測量中，記錄測量坐標(biāo)為（x1，y1，z1）。通過下述公式，得到目標(biāo)點(diǎn)在空間坐標(biāo)中的變形情況：

上述計(jì)算公式中，△x代表大跨度鋼結(jié)構(gòu)在水平方向上的變形量；△y代表大跨度鋼結(jié)構(gòu)在豎直方向上的變形量；△z代表大跨度鋼結(jié)構(gòu)在垂直方向上的變形量。根據(jù)上述論述內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對大跨度鋼結(jié)構(gòu)全過程施工中變形的監(jiān)測。

2.4 大跨度鋼結(jié)構(gòu)全過程施工索力監(jiān)測

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工中，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)是重要組成部分，同時也是容易出現(xiàn)索力問題的主要結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的張拉是一個非常復(fù)雜的過程。對弦支拱頂結(jié)構(gòu)，其施工監(jiān)控的重點(diǎn)是預(yù)應(yīng)力索力的監(jiān)控。根據(jù)索力監(jiān)控的結(jié)果，可以直觀地判定預(yù)應(yīng)力拉索張拉的施工是否安全、精確，確保在成形階段的弦支頂梁受力合理，滿足設(shè)計(jì)要求，監(jiān)測過程中，參照頻率法，使用索力動測儀進(jìn)行施工中索力數(shù)據(jù)的獲取。頻率法的監(jiān)測遵循弦振理論[8]。在確定一根弦的密度、長度并且線具備不可伸長條件時，其軸向張力也是固定不變的。當(dāng)弦在平面當(dāng)中進(jìn)行簡諧振動時，其固有頻率與張力之間存在下述關(guān)系：

上述計(jì)算公式中：f代表固有頻率；L代表拉索的長度；T代表張力；ρ代表弦的密度。在測得自振頻率后，根據(jù)上述公式可得出拉索的索力，以此實(shí)現(xiàn)對測點(diǎn)索力的監(jiān)測。

3 實(shí)證分析

所選的建筑工程項(xiàng)目具有形式新穎的特點(diǎn)，施工中，大型構(gòu)件和超長桿數(shù)量較多、整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為保證各施工單位的穩(wěn)定性，需要設(shè)置臨時支承，故采用現(xiàn)場裝配和整體吊裝的方法施工。盡管該方法施工會消耗大量的鋼材，但能確保大跨度、復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工的安全性，并能提高施工中節(jié)點(diǎn)定位的精度，降低次應(yīng)力。

大跨鋼結(jié)構(gòu)施工工序較多、施工技術(shù)復(fù)雜，因此，對其施工過程進(jìn)行合理的監(jiān)控，是確保工程質(zhì)量、安全，使成型結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵手段。

下述將從2個方面，進(jìn)行施工監(jiān)測方案的布置。

（1）應(yīng)力監(jiān)測：在工程建設(shè)中，鋼梁的受力會存在較大幅度的變化。在某些特定情況下，鋼結(jié)構(gòu)件的最大應(yīng)力值往往比成形后的應(yīng)力值要高得多，甚至接近設(shè)計(jì)值。所以，在工程建設(shè)中，必須對主要的桿件進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)控，以保證施工后鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果達(dá)到預(yù)設(shè)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測中，利用位置編碼型磁感應(yīng)數(shù)字應(yīng)變技術(shù)，輔助應(yīng)力監(jiān)控?zé)o線應(yīng)變儀。在鋼架起重前，先把測力儀裝在對應(yīng)桿上，將初始值調(diào)整為0。在施工期間，可以在監(jiān)控室內(nèi)24h不間斷地收集各種應(yīng)變數(shù)據(jù)。此種監(jiān)測方式得到的數(shù)據(jù)全面考慮了施工中吊裝、焊接等施工對鋼筋的受力影響，能較好地反映出結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力水平。

（2）變形監(jiān)測：根據(jù)變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)，可以確定結(jié)構(gòu)的空間位移、結(jié)構(gòu)形態(tài)是否符合施工誤差要求，為工程設(shè)計(jì)的調(diào)整提供參考。該結(jié)構(gòu)的監(jiān)測位移主要由空間總位移和垂直位移兩部分組成。監(jiān)測中，使用大地測量技術(shù)進(jìn)行位移監(jiān)測，將反射板粘貼到位移監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上，將其靠近節(jié)點(diǎn)桿。反光板上的十字線也是監(jiān)控點(diǎn)的位置，選取適當(dāng)?shù)亩鄠€觀測站，確保能觀察到全部觀測點(diǎn)的位移變化。采用全站儀對各觀測站的空間坐標(biāo)進(jìn)行測量，根據(jù)測量點(diǎn)的空間坐標(biāo)變化來判定測量點(diǎn)的空間運(yùn)動軌跡。

完成施工現(xiàn)場監(jiān)測準(zhǔn)備工作后，對某監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力監(jiān)測值與實(shí)測值進(jìn)行對比，其結(jié)果見圖3，下述試驗(yàn)結(jié)果中實(shí)測數(shù)據(jù)均由人工在現(xiàn)場測量得出。

圖3 某監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力監(jiān)測值與實(shí)測值對比結(jié)果

按照上述方式，獲取某監(jiān)測點(diǎn)的豎向變形監(jiān)測值與實(shí)測值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 某監(jiān)測點(diǎn)的豎向變形監(jiān)測值與實(shí)測值對比結(jié)果

4 結(jié)語

通過上述研究，得到如下幾個方面的結(jié)論：

（1）根據(jù)圖3某監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力監(jiān)測值與實(shí)測值對比結(jié)果，應(yīng)力監(jiān)測值與實(shí)測值兩條折線的變化趨勢一致，在同一時段階段下的監(jiān)測值與理論值相差較小，證明該方法的應(yīng)用可以起到提高應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果精度的顯著效果。

（2）根據(jù)表2某監(jiān)測點(diǎn)的豎向變形監(jiān)測值與實(shí)測值對比結(jié)果，監(jiān)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間的差值在±0.3以內(nèi)，最大監(jiān)測誤差為0.3mm，最小監(jiān)測誤差為0，證明該方法對于施工中鋼結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測較為準(zhǔn)確。