復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)多點(diǎn)同步提升施工與監(jiān)測技術(shù)研究*

謝甫哲, 陳丙輝, 袁小軍, 趙昱喬, 吳一帆

(1 江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2 江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，南京 210028)

0 引言

大跨空間鋼結(jié)構(gòu)因具有跨越能力強(qiáng)、形式多樣和剛度大等優(yōu)點(diǎn)在體育館、會展中心等工業(yè)與民用建筑中廣泛應(yīng)用[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的體量和跨度越來越大、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,對建造時間和效率方面的要求也越來越高,這些都對施工技術(shù)提出了更高要求。

基于液壓動力系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體提升施工技術(shù)是近些年發(fā)展起來的一種新型大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)安裝方法,它具有工程質(zhì)量高、施工周期短和經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)[2],在大跨空間結(jié)構(gòu)的施工中有廣泛的應(yīng)用[3-5]。莫濤濤[6]以港珠澳大橋珠?？诎朵撐萆w工程為例,對大跨度鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體提升施工技術(shù)進(jìn)行了研究。張帥彬等[7]對某1 000t大跨鋼桁架結(jié)構(gòu)在整體提升過程中的受力性能和施工方案的合理性等進(jìn)行了分析。鄭江等[8]基于廣州新白云機(jī)場大跨度鋼屋蓋結(jié)構(gòu)對多點(diǎn)同步提升施工技術(shù)進(jìn)行了研究,分析了施工階段的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和提升位移不一致對結(jié)構(gòu)的影響。唐陽明等[9]對2層空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在整體提升過程中的力學(xué)行為進(jìn)行了數(shù)值分析。

目前,對于大跨空間結(jié)構(gòu)的整體提升技術(shù)的理論和仿真分析研究尚不完善,特別是體量大、體型復(fù)雜等情況下的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)分析與控制技術(shù)還不成熟,缺少工程實(shí)測數(shù)據(jù)的支持[10-11]。因此,對整體提升過程中結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行仿真分析和監(jiān)控是十分必要的。

南京某大跨度場館具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜和體量大等特點(diǎn),本文以該場館為例,對其在多點(diǎn)同步提升過程中的受力狀態(tài)和監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究,為發(fā)展大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)提供參考。

1 工程概況

南京某大跨度場館(圖1)建筑總面積約為9.73萬m2。建筑呈不規(guī)則的回字形平面,回字形平面中部為中央大廳,主屋面標(biāo)高為31.8m,中央大廳部分屋面標(biāo)高為43.35m。該工程地下兩層為框架結(jié)構(gòu),地上四層為鋼筋混凝土筒體-鋼桁架結(jié)構(gòu)。

圖1 南京某大跨度場館

地上鋼結(jié)構(gòu)部分主要由核心筒和鋼桁架(17榀)、主梁和交叉支撐等構(gòu)成,如圖2所示。鋼桁架以核心筒為基礎(chǔ),縱橫向交叉構(gòu)成一圈雙層框架結(jié)構(gòu)。整體長度為147.46m,寬度為103.29m,最大跨度約為60m,結(jié)構(gòu)高度為31.76～39.3m。鋼結(jié)構(gòu)總量約1.4萬t,主要材質(zhì)為Q345C、Q345GJC。

圖2 上部鋼結(jié)構(gòu)與核心筒示意圖

鋼桁架結(jié)構(gòu)為雙層體系(局部四層),桁架高度為14.2m,如圖3所示。桁架弦桿為焊接H形,腹桿為焊接箱形構(gòu)件。

圖3 典型鋼桁架立面圖

2 工程難點(diǎn)與方案對策

2.1 工程難點(diǎn)

南京某大跨度場館鋼結(jié)構(gòu)部分的施工主要有以下難點(diǎn):1)工程量大(如鋼結(jié)構(gòu)的總量約1.4萬t,樓承板的安裝面積約3萬m2)、交叉作業(yè)多且工期緊;2)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則,需要采取有效措施保證鋼桁架在施工過程中的剛度和整體穩(wěn)定性;3)安裝精度要求高,特別是懸挑鋼結(jié)構(gòu)部分,需要有足夠的精度確保后期安裝結(jié)構(gòu)順利合龍。

2.2 施工與監(jiān)測方案

針對本工程的施工難點(diǎn),傳統(tǒng)的高空散裝法不能滿足施工要求,主要因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)被劃分得過于零碎,高空拼裝量大、工效低,安裝質(zhì)量和工期難以保障。結(jié)合工程實(shí)際情況,本工程的施工方案為:以核心筒和預(yù)裝桁架(即提升前預(yù)先安裝于核心筒周圍的桁架,如圖4所示)為基點(diǎn),通過“地面組裝、多點(diǎn)同步整體提升”的施工方式將鋼桁架及鋼梁等鋼結(jié)構(gòu)(總重約7 000t)提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高(實(shí)際提升高度約16m)。

圖4 預(yù)裝桁架分布示意圖(僅顯示桁架和核心筒)

本次提升共設(shè)置了29個提升點(diǎn),其中“塔架南區(qū)”和“塔架北區(qū)”的8個點(diǎn)為胎架提升(胎架示意圖見圖5),其余21個點(diǎn)均采用臨時支架提升(臨時支架固定于核心筒或者預(yù)裝桁架的頂部),如圖6所示,圖中N1～N4分別表示1#～4#核心筒。

圖5 胎架示意圖

圖6 提升點(diǎn)分布與臨時支架示意圖

在整體提升過程中,被提升結(jié)構(gòu)的受力形式、邊界條件和內(nèi)力分布狀態(tài)等與正常使用時的情況有很大的不同。因此,為保證施工的安全,需要對被提升結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工階段的分析設(shè)計(jì),并且對結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

該大跨度場館在提升過程中監(jiān)控方案的主要內(nèi)容:1)基于對提升施工過程的分析,確定位移、應(yīng)變等監(jiān)測點(diǎn);2)針對監(jiān)測內(nèi)容,選取合理的監(jiān)測設(shè)備,形成科學(xué)的監(jiān)測平臺。

3 結(jié)構(gòu)提升過程分析

為掌握結(jié)構(gòu)在提升過程中的受力狀態(tài),本文基于提升方案對提升施工過程進(jìn)行了模擬分析。結(jié)構(gòu)分析時主要考慮了2種情況:1)同步提升;2)不同步提升。其中對同步提升情況進(jìn)行計(jì)算主要是為了解提升方案順利實(shí)施條件下各提升點(diǎn)的拉力、結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力的分布等情況;而對不同步提升的計(jì)算主要是為了分析結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的不利狀態(tài)并由此制定對策。

3.1 同步提升分析

采用MIDAS Gen軟件分析了自重(包括鋼構(gòu)件和組合樓板)作用下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),為考慮施工過程中的動力效應(yīng),將結(jié)構(gòu)重力乘以1.2的放大系數(shù)。

圖7(a)為被提升結(jié)構(gòu)的變形圖,可見左右兩端桁架的變形較大(最大豎向位移約為43mm,對應(yīng)鋼桁架跨度為56m),其他部位的變形均在10mm左右。結(jié)構(gòu)在提升過程中的應(yīng)力比如圖7(b)所示,其中鋼桁架的最大應(yīng)力比為0.66(位于預(yù)裝桁架上),提升支架的最大應(yīng)力比為0.87。

圖7 同步提升分析結(jié)果

基于同步提升的分析結(jié)果可見,同步提升過程中被提升結(jié)構(gòu)和提升支架均是安全的,但位移和提升點(diǎn)的拉力(表1)分布表明該結(jié)構(gòu)的豎向剛度不均勻(薄弱部位如圖7(b)所示),這容易導(dǎo)致提升不同步的情況。

表1 各提升點(diǎn)同步提升和不同步提升時的提升力和位移

由于施工階段與設(shè)計(jì)使用階段的邊界條件不同,本文基于提升階段的邊界條件(各提升點(diǎn)為鉸接支座)對提升階段結(jié)構(gòu)的線彈性整體穩(wěn)定性能進(jìn)行了分析,得到結(jié)構(gòu)最低階整體穩(wěn)定系數(shù)為6.6(如圖8所示,整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)水平屈曲的模態(tài)),表明結(jié)構(gòu)具有較好的整體穩(wěn)定性能。

圖8 結(jié)構(gòu)提升階段的第一階屈曲模態(tài)

3.2 不同步提升分析

在提升過程中,可能出現(xiàn)由于提升設(shè)備卡殼或者摩擦力過大等原因?qū)е聠吸c(diǎn)或多點(diǎn)與結(jié)構(gòu)整體提升不同步的情況,這種情況可能會使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞或?qū)е绿嵘┕と蝿?wù)失敗,故需要對不同步提升的情況進(jìn)行分析。不同步提升分析主要通過提升力和不同步位移兩個指標(biāo)來控制。根據(jù)提升系統(tǒng)的要求,本工程在不同步提升過程中的提升力不大于同步提升力的1.2倍,同時,不同步提升位移不大于20mm。本文對單點(diǎn)和多點(diǎn)不同步提升的情況進(jìn)行了計(jì)算,即分別對可能的不同步提升點(diǎn)施加1.2倍的同步提升荷載(如表1中提升點(diǎn)N1-1的同步提升荷載為487kN,當(dāng)考慮其不同步提升狀況時,將該點(diǎn)的提升力改為1.2×487kN=584.4kN;如為位移加載,則在該點(diǎn)施加20mm豎向位移荷載),再對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。

表1為單點(diǎn)不同步提升分析結(jié)果。由表1可見,當(dāng)本工程出現(xiàn)不同步提升時,大部分不同步提升點(diǎn)的受力是由不同步提升力控制的(因?yàn)樘嵘_(dá)到提升系統(tǒng)允許的1.2倍時,最大不同步提升位移小于系統(tǒng)允許值20mm);部分提升點(diǎn)由于被提升位置的結(jié)構(gòu)剛度較小,產(chǎn)生了超過20mm的不同步位移,這些點(diǎn)在提升過程將通過位移進(jìn)行控制。

單點(diǎn)不同步提升的分析結(jié)果顯示當(dāng)不同步提升點(diǎn)的力和位移均小于允許值時,被提升結(jié)構(gòu)的承載力滿足要求。圖9為提升點(diǎn)N4-3(最不利不同步提升點(diǎn))的應(yīng)力比,被提升結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力比為0.79(比同步提升結(jié)果增大約20%)。

圖9 提升點(diǎn)N4-3不同步提升結(jié)構(gòu)應(yīng)力比

此外,在不同步提升過程中,提升支架的變形較小(最大豎向位移約為3mm),應(yīng)力比略有提升(最大約為0.94),滿足施工的要求。

除單點(diǎn)不同步分析外,本文還對每個核心筒區(qū)域可能同時出現(xiàn)的多點(diǎn)不同步情況進(jìn)行了分析(如考慮N4核心筒區(qū)域的提升點(diǎn)與其他三個核心筒區(qū)域的提升不同步)。分析結(jié)果顯示該情況下,結(jié)構(gòu)的受力仍由不同步提升力控制,位移變化較小(大部分提升點(diǎn)的位移在20mm以內(nèi))。圖10為N4核心筒區(qū)域提升點(diǎn)均產(chǎn)生不同步提升情況時的應(yīng)力比(最不利情況),被提升結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力比為0.89(比同步提升結(jié)果增大約35%)。提升支架的變形仍然比較小(最大豎向位移約為9mm),應(yīng)力比為0.98。因此,區(qū)域多點(diǎn)不同步提升的分析結(jié)果顯示當(dāng)不同步提升點(diǎn)的力和位移均小于允許值時,被提升結(jié)構(gòu)的承載力滿足要求。

圖10 N4核心筒區(qū)域多個提升點(diǎn)不同步提升結(jié)構(gòu)應(yīng)力比

計(jì)算結(jié)果顯示被提升結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與不同步提升點(diǎn)的距離有很大關(guān)系,距離越遠(yuǎn)受到的影響越小,這與文獻(xiàn)[8-9]的分析結(jié)果相同。總體上,本工程的不同步提升對其他提升點(diǎn)區(qū)域的影響較小(位移影響在5mm左右,不超過10mm)。

3.3 監(jiān)測閾值

在對結(jié)構(gòu)提升過程進(jìn)行監(jiān)測時需要及時判斷結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)是否在合理范圍內(nèi)?；谕教嵘筒煌教嵘姆治鼋Y(jié)果,考慮提升系統(tǒng)的不同步荷載允許范圍在±20%,本工程對結(jié)構(gòu)在提升過程中的受力狀態(tài)采用兩階段監(jiān)控:1)以同步提升結(jié)果的(100%±5%)為預(yù)警值,當(dāng)某監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測參數(shù)達(dá)到預(yù)警值時開始重點(diǎn)關(guān)注該點(diǎn);2)以同步提升結(jié)果的(100%±10%)為警戒限值,當(dāng)任何一個監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測參數(shù)達(dá)到該值時,停止提升施工并開展分析和檢查。

4 測點(diǎn)布置

在提升過程中,通過整體監(jiān)測系統(tǒng)平臺對被提升結(jié)構(gòu)及提升支架等結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測(同一測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集間隔為30s),如圖11所示。

圖11 整體監(jiān)測系統(tǒng)布置示意圖

根據(jù)同步提升和不同步提升分析的結(jié)果,應(yīng)變測點(diǎn)主要布置在結(jié)構(gòu)受力較大的部位,如圖12所示(圖6中的軸)。本工程共有421個應(yīng)變測點(diǎn),測量儀器為振弦式表面應(yīng)變計(jì)。

圖12 應(yīng)變和位移測點(diǎn)布置示意圖

位移測點(diǎn)主要布置于提升點(diǎn)和桁架結(jié)構(gòu)的跨中部位(圖12),采用壓差式靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測鋼桁架的變形;采用Nova TS60超高精度全站儀和SmartMonitor智能全自動監(jiān)測系統(tǒng)(實(shí)時傳輸數(shù)據(jù))監(jiān)測支架和胎架等提升點(diǎn)處的位移。

5 監(jiān)測結(jié)果分析

由于監(jiān)測點(diǎn)較多,本文選取了其中代表性的監(jiān)測結(jié)果,如圖13和表2所示。圖13中正號表示受拉,負(fù)號表示受壓,三個測點(diǎn)(編號YL1～YL3)的位置如圖12所示;表2列出了N3、N4核心筒周邊提升點(diǎn)的實(shí)測位移(由于N3、N4核心筒周邊的被提升鋼結(jié)構(gòu)跨度大且剛度變化復(fù)雜,本文以這兩個核心筒周邊提升點(diǎn)為例),表中負(fù)號表示位移方向豎直向下。

表2 位移實(shí)測值與理論值比較

圖13 實(shí)測應(yīng)力與理論值對比

在進(jìn)行整體提升前,施工單位對空間鋼結(jié)構(gòu)預(yù)提升30cm并穩(wěn)定24h,若監(jiān)測結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)受力良好,再進(jìn)行進(jìn)一步的整體提升施工;圖13中提升時間刻度為0對應(yīng)的為預(yù)提升的應(yīng)力狀態(tài)。結(jié)構(gòu)整體提升總用時8h,接著再監(jiān)測結(jié)構(gòu)72h以確定結(jié)構(gòu)處于平穩(wěn)的受力狀態(tài),之后再開展后續(xù)的合龍施工;圖13中給出了穩(wěn)定3h的應(yīng)力變化情況,可見結(jié)構(gòu)的應(yīng)力已基本趨于平穩(wěn)。

圖13顯示測點(diǎn)YL1在開始階段可能出現(xiàn)了提升不同步現(xiàn)象導(dǎo)致應(yīng)力偏大,但隨后應(yīng)力迅速減小,不同步情況得到緩解,隨后提升狀態(tài)的波動不大;測點(diǎn)YL2位于下弦桿中部,其應(yīng)力在提升過程中的變化較小,基本處于同步提升狀態(tài);測點(diǎn)YL3在提升過程中也出現(xiàn)了不同步的現(xiàn)象,但最終桿件的應(yīng)力也趨于正常值并保持平穩(wěn)。

表2顯示提升點(diǎn)N3-2和N4-2(位置如圖6所示)的位移較大,這主要是由于這兩點(diǎn)處于外伸懸挑的位置;其他提升點(diǎn)的位移均很小(不超過10mm)。

在提升過程中,被提升結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為39mm(理論值為33mm),位置在N3和N4核心筒之間的外圍桁架跨中部位,如圖6中B點(diǎn)所示(實(shí)際豎向位移與跨度的比值約為1/1 290),此位置在結(jié)構(gòu)合龍卸載后的豎向位移為69mm(理論值為59mm)。被提升結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為115MPa(理論值為106MPa),位置如圖12中桿件G-1所示,此位置在結(jié)構(gòu)合龍后的實(shí)測應(yīng)力為25MPa(該桿件為臨時構(gòu)件,在結(jié)構(gòu)合龍后去除)。

由此可見,結(jié)構(gòu)桿件在提升過程中總體的應(yīng)力略有波動但均在警戒限值內(nèi),提升點(diǎn)的實(shí)測位移與計(jì)算結(jié)果接近,表明本工程在提升過程中結(jié)構(gòu)的總體受力狀態(tài)與理論分析結(jié)果接近,內(nèi)力和位移都處于可控范圍內(nèi),施工過程安全穩(wěn)定。

6 結(jié)論

(1)對南京某大跨度場館的施工階段分析顯示結(jié)構(gòu)剛度不均勻處易發(fā)生不同步提升情況,且不同步提升對整體提升施工的危害較大。因此,對于大型復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)建議在采用多點(diǎn)整體提升施工法時,需要重點(diǎn)關(guān)注由于結(jié)構(gòu)剛度的不均勻、提升系統(tǒng)不完善等導(dǎo)致的不同步提升情況,對單點(diǎn)和多點(diǎn)不同步提升產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的監(jiān)控方案。

(2)本文的分析結(jié)果顯示被提升結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與不同步提升點(diǎn)的距離有很大關(guān)系,距離越遠(yuǎn)受到的影響越小。本工程的不同步提升對其他提升點(diǎn)區(qū)域的影響較小(在5mm左右),大部分不同步提升點(diǎn)主要表現(xiàn)為內(nèi)力的增大。

(3)在對結(jié)構(gòu)提升過程進(jìn)行監(jiān)測時,為及時準(zhǔn)確評估結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)是否在合理范圍內(nèi),保證施工安全性,建議基于同步提升和不同步提升分析結(jié)果,科學(xué)合理地確定相關(guān)的監(jiān)測閾值。本工程采用兩階段監(jiān)控方法較好地保證了施工的安全性,為同類工程施工提供參考。

(4)基于對結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果的對比,結(jié)果顯示該大跨度場館在提升過程中的總體受力狀態(tài)與理論分析結(jié)果接近,內(nèi)力和位移都處于可控范圍內(nèi),施工過程安全穩(wěn)定。