王東云 殷志堅 王培勝 周益眾 戴瑩芝 龔安燦 李 強

1. 浙江省二建建設(shè)集團有限公司 浙江 寧波 315202；2. 河南工業(yè)大學土木工程學院 河南 鄭州 450001；3. 溫州肯恩大學 浙江 溫州 325060；4. 浙大寧波理工學院土木建筑工程學院 浙江 寧波 315100

大截面型鋼混凝土梁是采用大尺寸截面型鋼梁與混凝土共同組成的結(jié)構(gòu)受力體系，其通過減小軸向壓力，提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在使用過程中具有防火防腐蝕、提高剛度與承載力等優(yōu)點[1-2]。

隨著我國建筑水平與建造能力的不斷提高，型鋼混凝土梁得到了廣泛應(yīng)用。但由于我國型鋼混凝土梁的研究與發(fā)展較晚，在民用建筑使用中產(chǎn)生了很多施工問題，比如型鋼梁安裝定位不準、梁板節(jié)點細部做法不明確以及節(jié)點處混凝土澆筑質(zhì)量不良等[3-4]。

針對型鋼梁安裝定位不準的問題，李磊等[5]提出了在安裝過程中實時校核標高、軸線并通過高強螺栓連接而后焊接的解決方法。

針對節(jié)點細部做法不明確的問題，蔣永生等[6]優(yōu)化型鋼混凝土梁節(jié)點配筋設(shè)計，提出了新型節(jié)點設(shè)計方法。

針對節(jié)點處混凝土澆筑質(zhì)量不良的問題，高勇剛等[7]優(yōu)化節(jié)點鋼筋布置，采取預留穿筋孔、繞開鋼柱等措施，王成[8]則通過將細石混凝土強度提高一個等級，并對布料點位鋼筋進行局部松脫，取得了較好的施工效果。

隨著物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能監(jiān)控正在逐步使用。物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控是利用物聯(lián)網(wǎng)的特點，通過傳感器獲取結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，利用通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集與傳輸[9]。通過相關(guān)軟件處理后，可以在后結(jié)構(gòu)施工過程中實時監(jiān)測已建前結(jié)構(gòu)的性能變化情況，對其安全狀況進行評估[10]。

王穎[11]采用Zigbee無線通信技術(shù)（動態(tài)組網(wǎng)，抗干擾性強），實時監(jiān)測隧道內(nèi)各種有關(guān)施工安全的參數(shù)，確保安全施工和實現(xiàn)精確化管理。

王亞瓊等[12]對接觸力進行施工監(jiān)控量測，降低了工程造價并進行了科學有效的監(jiān)控和預警。

孔令威[13]通過結(jié)構(gòu)受力分析得出撓度在型鋼梁中跨較大，并在型鋼梁中跨及立柱底部安裝了撓度監(jiān)測設(shè)備進行監(jiān)測。

蔣田勇等[14]在型鋼梁翼緣板內(nèi)安裝傳感器對結(jié)構(gòu)界面進行損傷監(jiān)測，通過分析信號幅值，監(jiān)測和評價了界面損傷狀況。

可以看出，目前對于隧道及部分普通型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測應(yīng)用較多，而針對大截面型鋼混凝土梁智能監(jiān)控的研究還相對缺乏。

本文以溫州肯恩大學學習與活動中心項目為研究對象，針對大截面型鋼混凝土梁施工過程中存在的若干問題，給出了相應(yīng)的施工對策。并通過無線傳感設(shè)備獲取大截面型鋼混凝土梁的應(yīng)變和位移信息，通過分析監(jiān)控數(shù)據(jù)，探究上層結(jié)構(gòu)施工時對下層大截面型鋼混凝土梁的影響，進行了大截面型鋼混凝土梁的智能監(jiān)控。

1 工程概況

溫州肯恩大學學習與活動中心工程，總建筑面積24 498.36 m2，建筑高度31.165 m。型鋼采用Q345B，型鋼梁混凝土采用C30混凝土，型鋼梁凈長均為18.9 m，梁沿軸線方向有2種截面形式：800 mm×2 750 mm、800 mm×2 200 mm。在結(jié)構(gòu)施工過程中，大截面型鋼混凝土梁位于結(jié)構(gòu)3層，具體位置如圖1所示。

圖1 大截面型鋼混凝土梁結(jié)構(gòu)位置

2 大截面型鋼混凝土梁施工問題及對策

在大截面型鋼混凝土梁施工過程中，項目人員發(fā)現(xiàn)有型鋼混凝土梁與疊合板連接不合格、型鋼混凝土梁連接節(jié)點存在孔洞等病害現(xiàn)象。為此，項目部成員以項目實際情況為主線，通過理論學習、現(xiàn)場實踐學習、頭腦風暴法，從人、機、料、法、環(huán)、測六個角度，歸集出影響型鋼混凝土梁施工質(zhì)量的因素。提出在施工過程中導致質(zhì)量問題的三個要因：型鋼梁安裝位置定位不準、梁板節(jié)點細部做法不明確和節(jié)點處混凝土澆筑質(zhì)量不良。

2.1 型鋼梁安裝位置定位不準

大截面型鋼混凝土梁截面尺寸大，節(jié)點施工質(zhì)量要求高。型鋼梁與鋼筋連接的部位多且箍筋排布密集等原因會造成型鋼梁的定位不準。

在型鋼梁安裝的相關(guān)工程案例中，蔡建軍等[15]使用大節(jié)段吊裝方法采取分階段實時調(diào)整措施，對大橋鋼箱梁的安裝架設(shè)進行控制，肖洪濤等[16]在大跨度鋼結(jié)構(gòu)安裝中采用分區(qū)域吊裝措施，鋼梁安裝時用全站儀進行定位，保證了安裝精度。以上學者研究表明，采取分階段實時調(diào)整技術(shù)與測量精度實時控制技術(shù)能夠起到較好的施工效果。

對策實施：針對型鋼梁吊裝定位問題成立專項施工小組，進行鋼梁質(zhì)量控制方案多方討論會，并確定施工方案如下：

1）做好預埋件的安裝定位復查，即鋼梁與混凝土柱的預埋件，鋼梁與圓鋼柱安裝加勁板的連接，并在吊裝前做好梁底板鋪設(shè)工作。

2）根據(jù)現(xiàn)場實際情況，低層采用吊車吊裝，高層用塔吊進行吊裝。先將梁吊裝做臨時連接并找正位置，中心線互相對準，在安裝過程中，利用水平調(diào)節(jié)絲桿來調(diào)節(jié)垂直度。安裝型鋼梁時，施工人員觀測并實時調(diào)整其軸線、標高、垂直度偏差值并根據(jù)觀察結(jié)果調(diào)整模板間隙（圖2、圖3），符合規(guī)范要求后用高強螺栓暫時連接。

圖2 施工過程實測實量

圖3 實時調(diào)整模板間隙

3）在高強螺栓連接后，采用人工測量復核。人工復核其軸線、標高、垂直度偏差值，確保型鋼梁安裝符合規(guī)范要求，無誤后再進行對接焊接。

2.2 梁板節(jié)點細部做法不明確

疊合板與型鋼梁連接節(jié)點處鋼筋排布密集，鋼筋施工不能滿足鋼結(jié)構(gòu)的組裝要求，節(jié)點詳圖深化的過程中存在缺陷。

在明確細部構(gòu)造做法的相關(guān)案例中，柴文靜等[17]通過使用有限元軟件分析型鋼混凝土梁柱節(jié)點，采取針對細部結(jié)構(gòu)的合理措施，明確了型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。田東等[18]、張雪龍等[19]采用BIM技術(shù)針對建筑結(jié)構(gòu)細部構(gòu)造設(shè)計了三維數(shù)據(jù)模型，解決了細部構(gòu)造復雜造成的施工困難問題。

對策實施：項目部采用BIM技術(shù)與現(xiàn)場施工相結(jié)合的方式。一方面使用BIM技術(shù)以可視化的角度引導，一方面以緊抓現(xiàn)場標準施工為手段，使梁板細部做法與BIM技術(shù)形成緊密銜接。BIM結(jié)構(gòu)3D模型如圖4所示。

圖4 BIM結(jié)構(gòu)3D模型

嚴格按照圖紙進行大截面型鋼梁施工，在梁板鋼筋綁扎過程中與BIM圖認真比對，確保節(jié)點細部構(gòu)造準確合理，現(xiàn)場實施如圖5所示。

圖5 型鋼梁板節(jié)點現(xiàn)場施工

2.3 節(jié)點處混凝土澆筑質(zhì)量不良

型鋼混凝土梁節(jié)點處大量的梁柱縱筋、箍筋與型鋼交叉，配筋構(gòu)造復雜，且型鋼骨架含有栓釘，梁寬較窄，加之下翼緣板空間較小，混凝土的澆筑極易造成漏振或大面積蜂窩（圖6），且在澆筑過程中，振動棒不易插拔。另外，模板合縫不嚴等也易引起混凝土澆筑困難產(chǎn)生漏漿（圖7）。

圖6 大截面型鋼梁底部蜂窩麻面

圖7 疊合板與大截面型鋼混凝土梁交接處漏漿

在處理節(jié)點混凝土澆筑不良的相關(guān)工程案例中，張玉品等[20]優(yōu)化了大截面型鋼混凝土梁的配筋設(shè)計；黃昕等[21]、李玉梅等[22]優(yōu)化施工工藝，使梁邊部鋼筋繞開鋼柱并將鋼筋以傾斜角度繞行，同時在混凝土澆筑時制定專項方案，保證了混凝土的澆筑質(zhì)量。

對策實施：實施方案主要從鋼筋和混凝土這2個方面來考慮。

2.3.1 鋼筋方面

針對梁柱縱筋、箍筋與型鋼交叉的問題，在型鋼腹板部分，通過開孔使梁主筋順利穿過，開孔時選擇機械打孔方式，避免明火。對于其他不能打孔的，采取改道等措施解決。

針對梁底縱筋和疊合板縱筋過密的問題，加大鋼筋間距定位措施，按照規(guī)范綁扎確保相鄰鋼筋間距均勻，避免由于布置位置不準造成鋼筋積聚。并在鋼筋密集區(qū)對鋼筋采取區(qū)域留孔措施。

2.3.2 混凝土方面

針對混凝土澆筑困難的問題，在滿足混凝土配合比及各種規(guī)范的前提下適當調(diào)整混凝土粗骨料粒徑（最大公稱粒徑不大于25 mm）來滿足澆筑要求。澆筑的具體操作要點如下：

1）由于型鋼梁柱節(jié)點部位鋼筋多，合模后不易掌握內(nèi)部鋼筋情況，故指導現(xiàn)場施工者熟悉內(nèi)部鋼筋總體布置。對于鋼筋過密、振動棒下不去區(qū)域，采取區(qū)域留孔措施，對鋼筋位置進行微調(diào)，保證底部施工振搗空間。

2）混凝土振搗時以混凝土表面出現(xiàn)浮漿，且不再下沉為實施標準。

3）振搗棒不碰到鋼筋、模板，澆筑過程中由專人看管，發(fā)現(xiàn)問題及時解決。

為驗證以上采取的措施是否有效，項目總工及工段負責人現(xiàn)場檢查施工質(zhì)量，結(jié)果表明截面尺寸符合圖紙設(shè)計，施工質(zhì)量符合規(guī)范要求，無孔洞、蜂窩麻面等外觀質(zhì)量缺陷，證明采取的措施取得了良好效果。大截面型鋼混凝土梁拆模后現(xiàn)場如圖8所示。

圖8 拆模后大截面型鋼混凝土梁

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大截面型鋼混凝土梁監(jiān)測控制

3.1 監(jiān)測設(shè)計

該項目建造的多功能廳采用型鋼柱加框支型鋼梁，其頂部的大截面型鋼混凝土梁施工較復雜且面臨其他工段施工的干擾風險，為防止由于型鋼梁質(zhì)量控制不良導致的施工質(zhì)量問題，項目技術(shù)人員采用在大截面型鋼梁上安裝振弦式應(yīng)變計、振弦式測縫計等傳感器，利用無線傳輸功能，實時獲取型鋼混凝土梁的應(yīng)變和位移等信息。

型鋼梁應(yīng)變監(jiān)測設(shè)備選取基康BGK-4000振弦式應(yīng)變計，測量應(yīng)變精度可達0.01 με，應(yīng)變計采用環(huán)氧樹脂膠固定安裝在型鋼梁側(cè)面梁底位置。型鋼梁的下?lián)媳O(jiān)測設(shè)備為基康BGK-4420振弦式裂縫計，測量精度可達0.01 μm，裂縫計通過鉆孔固定安裝在A型鋼梁跨中梁底位置。安裝測試位置如圖9、圖10所示。

圖9 多功能廳頂部結(jié)構(gòu)平面

圖10 A型鋼梁立面及測點布置

3.2 監(jiān)測過程及結(jié)果分析

以圖9編號A、B的大截面型鋼梁為研究對象，采用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)加以人工巡檢的方式對其進行施工期安全保護監(jiān)測。該系統(tǒng)根據(jù)有關(guān)研究和相應(yīng)技術(shù)規(guī)范，對圖9、圖10所示的位置進行重點監(jiān)控，監(jiān)控內(nèi)容包括型鋼梁的應(yīng)變和下?lián)稀Ｒ訟型鋼梁為例，每根梁設(shè)置3處應(yīng)變傳感器監(jiān)測位置，3個位置編號分別為A-Y1、A-Y2、A-Y3（A-Y1表示A型鋼梁Y1位置），另外編號為A的型鋼梁另設(shè)1根位移傳感器測量該梁的下?lián)稀?/p>

儀器監(jiān)測時間從8月28日至9月28日，共31 d，監(jiān)測期間內(nèi)，工程進行了型鋼梁處內(nèi)架的拆除、5層梁板的支模及澆筑等過程，為方便分析上部結(jié)構(gòu)施工對型鋼梁的影響，對型鋼梁區(qū)域進行結(jié)構(gòu)簡化，如圖11所示。

圖11 監(jiān)測前后局部結(jié)構(gòu)變化

在監(jiān)測的31 d內(nèi)，工程先后進行了5層梁板支模架的安裝、多功能廳內(nèi)架的拆除、多功能廳相鄰區(qū)域和所在區(qū)域的5層梁板澆筑及養(yǎng)護，對A、B型鋼梁下?lián)?、?yīng)變進行監(jiān)測，并對各施工階段的數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)果如圖12～圖15所示。

圖12 監(jiān)測位移

圖14 B型鋼梁應(yīng)變變化情況

圖15 A、B型鋼梁相同位置應(yīng)變對比

由圖12可以看出：型鋼梁總體呈下?lián)馅厔?。在開始監(jiān)測后的1 d內(nèi)，梁下拱增大，因該區(qū)域4層自那天起開始搭設(shè)5層梁板支模架，在開始監(jiān)測的15 d后，5層梁板相鄰區(qū)域進行澆筑，型鋼梁下?lián)显俅蚊黠@增大。在監(jiān)測的20 d后，該區(qū)域5層梁板進行澆筑，但型鋼梁的下?lián)馅呌诜€(wěn)定。在監(jiān)測的31 d時間里，型鋼梁的總下?lián)霞s為0.45 mm。根據(jù)組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，其應(yīng)變、位移測試數(shù)據(jù)滿足大截面型鋼梁安全規(guī)范，說明上部結(jié)構(gòu)施工時，型鋼梁下?lián)现岛苄。Y(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

由圖13、圖14可以看出：A型鋼梁監(jiān)控期間Y1、Y2、Y3處應(yīng)變最大值為19、50、67 με，應(yīng)變最小值分別為－75、－37、－40 με；B型鋼梁Y1、Y2、Y3處應(yīng)變最大值為25、38、90 με，應(yīng)變最小值分別為－37、－35、－40 με。

通過兩根型鋼梁對比（圖15）看出，在開始監(jiān)測19 d之后，A-Y3處應(yīng)變與B-Y3處應(yīng)變大小基本一致，但A-Y1處應(yīng)變與B-Y1處應(yīng)變相差約40 με，兩梁Y2處應(yīng)變相差約10 με。但通過施工圖紙了解到A-Y1位置配筋率比B-Y1配筋率大。

綜合上述信息，分析Y1處應(yīng)變差值較大的主要原因是型鋼梁、柱節(jié)點施工時存在差異。由于型鋼梁中節(jié)點處大量的梁柱縱筋、箍筋與型鋼交叉，造成澆筑質(zhì)量不佳。另外，Y1位置構(gòu)造比Y3位置復雜，故Y1位置兩根型鋼梁應(yīng)變有40 με的應(yīng)變差，而Y3位置兩根型鋼梁應(yīng)變相差不大。

4 結(jié)語

基于溫州肯恩大學學習與活動中心項目對大截面型鋼混凝土梁施工過程中的問題進行分析，同時采用基于物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)的監(jiān)測方法，對大截面型鋼混凝土梁進行智能監(jiān)控。根據(jù)工程施工對策及智能監(jiān)控結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論：

1）大截面型鋼混凝土梁在施工過程中的主要問題是型鋼梁安裝定位不良和細部構(gòu)造不明確，以及梁柱節(jié)點混凝土澆筑質(zhì)量不良。

2）為應(yīng)對施工問題而采取的措施是有效的，且與相關(guān)文獻的案例處理方法具有相似之處，能夠達到較好的處理效果。

3）根據(jù)大截面型鋼混凝土梁智能監(jiān)控的數(shù)據(jù)可以得出下?lián)咸幱诎踩珷顟B(tài)，而應(yīng)變的變化趨勢與施工時結(jié)構(gòu)應(yīng)變的變化趨勢一致。

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