李天福，張 軍，王永泉，紀(jì) 常，董開發(fā)

(1.三江學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210012；2.南通大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；3.南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211199；4.中國(guó)人民解放軍94789部隊(duì)，江蘇 南京 210012；5.東南大學(xué)成賢學(xué)院土木與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210088)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)因其強(qiáng)度高、自重小、整體剛度大、抵抗變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大跨度建筑中。大跨度建筑在設(shè)計(jì)過(guò)程中均能滿足規(guī)范要求，但施工過(guò)程由于施工工藝等影響會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)位移或變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)施工完成后的實(shí)際受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)值存在一定差異。因此，為保證結(jié)構(gòu)施工安全有序，施工完成后能滿足預(yù)期設(shè)計(jì)使用功能和使用要求，對(duì)施工過(guò)程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)必不可少。

1 工程概況

東安湖體育館項(xiàng)目位于成都市龍泉驛區(qū)東安新城的東安湖體育中心，總建筑面積達(dá)19.5萬(wàn)m2，單體建筑高42.3m，總跨度108m。結(jié)構(gòu)形式采用下部混凝土勁性鋼柱框架結(jié)構(gòu)和大跨度箱形桁架屋蓋結(jié)構(gòu)。屋蓋結(jié)構(gòu)安裝采用三軌道累積滑移技術(shù)，其中，南北側(cè)框架結(jié)構(gòu)在滑移施工前進(jìn)行安裝及臨時(shí)固定，主桁架采用整體拼裝后累積滑移安裝。體育館鋼結(jié)構(gòu)形式為正交平面桁架，主桁架總長(zhǎng)度為108m，單榀最重約180t，共11榀；支撐點(diǎn)間距108m；屋蓋總長(zhǎng)145m，寬145m，最高點(diǎn)標(biāo)高為42.500m，鋼結(jié)構(gòu)總量約3 800t。截面主要為箱形，部分為H型鋼。本文以1-4體育館為例進(jìn)行分析。

2 施工過(guò)程結(jié)構(gòu)分析

桁架采用地面整體拼裝、分段吊裝的方式進(jìn)行安裝。地面拼裝采用臥拼，將桁架水平放置在胎架上，拼裝焊接完成后分段翻身吊裝。南北側(cè)框架結(jié)構(gòu)優(yōu)先進(jìn)行吊裝安裝，安裝完成后進(jìn)行臨時(shí)固定。主桁架采用80t汽車式起重機(jī)在地面分段散拼，然后采用300t履帶式起重機(jī)分段吊裝至組裝滑移平臺(tái)上，組裝完成后滑移1個(gè)節(jié)間臨時(shí)固定(第1次滑移為第1榀及懸挑桁架同時(shí)滑移)；組裝第2榀桁架，嵌補(bǔ)次桁架，完成后累積滑移1個(gè)節(jié)間，組裝下一榀桁架，直至全部桁架滑移到位，卸載就位(滑移吊裝須確?；炷吝_(dá)到100%設(shè)計(jì)強(qiáng)度)。拼裝過(guò)程需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行起拱，最大起拱值取200mm，結(jié)構(gòu)內(nèi)收值取10mm。其中，桁架拼裝起拱從中間向兩端桁架起拱值依次降低，采用雙向起拱。臥拼場(chǎng)地需進(jìn)行平整壓實(shí)并在上方鋪設(shè)300mm厚磚渣。桁架布置如圖1所示。

圖1 桁架布置

主體結(jié)構(gòu)主要分3個(gè)安裝階段。

1)平面桁架拼裝階段 箱形桁架散件運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，進(jìn)行地面整體拼裝，為降低拼裝高度，減少高空作業(yè)量，選用臥拼，整體拼裝后分段進(jìn)行焊接。

2)平面桁架吊裝階段 桁架拼裝完成后，使用300t履帶式起重機(jī)進(jìn)行分段吊裝至高空胎架就位拼裝為整體。

3)累積滑移階段 在兩端鉸支座及中間位置設(shè)置滑移軌道，平面桁架在高空胎架上拼裝為整體，然后進(jìn)行累積滑移?；撇捎?組爬行器提供動(dòng)力，就位后拆除胎架并安裝鉸支座。

主體結(jié)構(gòu)安裝完成后進(jìn)行屋面板鋪裝，屋蓋安裝如圖2所示。

圖2 屋蓋安裝

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)內(nèi)容為胎架拆除前至屋面板安裝完成過(guò)程中桁架關(guān)鍵桿件應(yīng)力和位移。

3.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采用BGK-4000振弦式表面應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測(cè)對(duì)象為桁架關(guān)鍵桿件89個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。振弦式表面應(yīng)變計(jì)以弦振頻率和弦張力的變化關(guān)系測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變并輸出振弦自振頻率信號(hào)，在測(cè)量中受原應(yīng)力場(chǎng)干擾小，性能穩(wěn)定，具有智能識(shí)別功能。將應(yīng)變計(jì)底座焊接在鋼結(jié)構(gòu)表面以監(jiān)測(cè)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變，內(nèi)置的溫度傳感器可同時(shí)監(jiān)測(cè)安裝位置溫度，標(biāo)準(zhǔn)量程為3 000με，測(cè)量精度為±0.001με，非線性度<0.005，系統(tǒng)靈敏度為1.0με，測(cè)溫范圍是-20～80℃，應(yīng)變計(jì)長(zhǎng)150mm。

3.2 位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確，精度達(dá)到規(guī)范要求，使用NTS-332R10M全站儀監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)豎向位移，利用VWD-100J位移計(jì)測(cè)量支座位移變化。

3.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

結(jié)構(gòu)安全控制以保證結(jié)構(gòu)軸向較大應(yīng)力和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)較大位移變形在設(shè)計(jì)范圍為主。本次監(jiān)測(cè)預(yù)先模擬實(shí)際工程工況，在只考慮桿件自重的情況下進(jìn)行有限元分析，通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果，找到最不利應(yīng)力位置，確定89根桁架關(guān)鍵桿件應(yīng)力、豎向位移、支座水平位移的監(jiān)測(cè)。桁架關(guān)鍵桿件應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)共72個(gè)，豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)共11個(gè)，支座水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)共6個(gè)。部分應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，豎向位移及支座水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置分別如圖4,5所示。

圖3 部分應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖4 豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖5 支座水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 頂推過(guò)程監(jiān)測(cè)分析

桁架頂推過(guò)程采用滑移施工，施工過(guò)程中同步監(jiān)測(cè)控制，根據(jù)預(yù)先通過(guò)計(jì)算得到的滑移頂推工況各頂推點(diǎn)反力值，在計(jì)算機(jī)同步控制系統(tǒng)中，設(shè)定每臺(tái)液壓爬行器最大頂推力。當(dāng)遇到頂推力超出設(shè)定值時(shí)，液壓爬行器自動(dòng)采取溢流卸載，以防現(xiàn)頂推點(diǎn)荷載分布嚴(yán)重不均，對(duì)結(jié)構(gòu)或臨時(shí)設(shè)施造成破壞。在液壓爬行器停止工作或遇到停電等情況時(shí)，液壓回路中的自鎖裝置及機(jī)械自鎖系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)，自動(dòng)鎖緊滑移軌道，確?；畦旒馨踩?。

為直觀地監(jiān)測(cè)滑移的同步性和滑移狀態(tài)，初始滑移時(shí)以50mm作為最小滑移單位，在軌道上做標(biāo)記，并編號(hào)?；七^(guò)程中隨時(shí)觀測(cè)各控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)軌道上標(biāo)尺偏差情況，準(zhǔn)確了解滑移狀態(tài)，并做好記錄。如發(fā)現(xiàn)同步偏差較大時(shí)，應(yīng)立即對(duì)單臺(tái)爬行器進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制調(diào)整，并分析初始滑移記錄數(shù)據(jù)，報(bào)審項(xiàng)目總工程師及監(jiān)控單位工程師審核，詳細(xì)分析記錄數(shù)據(jù)原因并在后續(xù)滑移施工過(guò)程中做相應(yīng)調(diào)整。

為保證監(jiān)測(cè)滑移過(guò)程中頂推點(diǎn)荷載變化和滑移狀態(tài)各控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)的偏差調(diào)整，通過(guò)MIDAS GEN對(duì)滑移施工全過(guò)程進(jìn)行有限元分析，建立胎架拆除前模型，由于空間桁架和屋面板未安裝，故只考慮桿件自重；支座條件為柱頂雙向鉸支座、單向鉸支座支承，臨時(shí)胎架支撐。

4.1.1頂推過(guò)程應(yīng)力對(duì)比分析

頂推過(guò)程中，采用自動(dòng)化采集儀采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力，將其與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與理論應(yīng)力對(duì)比 MPa

由表1可知，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值為-200～100MPa。其中桁架應(yīng)力最大實(shí)測(cè)值出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-10-1處，為-132.80MPa；1-4-10-7監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值僅為1.73MPa。在安裝過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-10-1實(shí)測(cè)值與理論值存在明顯偏差，分析原因?yàn)楹附舆^(guò)程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力過(guò)大。桁架應(yīng)力最大理論值出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-7-3處，值為-193.70MPa，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于桁架中間位置，其對(duì)稱監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-7-5理論值僅為78.60MPa。在計(jì)算分析過(guò)程中，桁架中間位置受支座約束影響較大，導(dǎo)致桁架質(zhì)量分布不均，產(chǎn)生的荷載不同，故此處偏差較大。實(shí)測(cè)值的波動(dòng)區(qū)間小于理論值，實(shí)測(cè)證明各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力相對(duì)穩(wěn)定。理論值和實(shí)測(cè)值最大偏差為209.08MPa，出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-7-3處。實(shí)測(cè)值僅為理論值的8%，說(shuō)明桁架上、下桿理論值和實(shí)測(cè)值相差甚大；理論值與實(shí)測(cè)值最小偏差為0.74MPa，出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-7-4處，說(shuō)明桁架中間斜拉桿處理論值和實(shí)測(cè)值基本一致。

4.1.2豎向位移監(jiān)測(cè)分析

胎架拆除和屋面安裝過(guò)程中均存在應(yīng)力偏差，不同應(yīng)力偏差值導(dǎo)致的位移變形也有所區(qū)別，因此用位移計(jì)對(duì)豎向位移的11個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。豎向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示，不同階段豎向位移監(jiān)測(cè)曲線如圖6所示。

表2 豎向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖6 不同階段豎向位移監(jiān)測(cè)曲線

由表2及圖6可知，屋面安裝后豎向位移約為胎架拆除后的2倍。最邊緣的2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-6-1，1-4-6-5位移變形最小，兩點(diǎn)在屋面安裝后僅向下變形2mm；位于軸線中間的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-4-2，1-4-6-3，1-4-8-2是對(duì)應(yīng)軸網(wǎng)豎向位移最大的位置，屋面安裝后分別向下變形120，168，117mm，其中位于最中間的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-6-3位移值最大。由此可知，在同一軸線上，胎架拆除后和屋面安裝后的位移變形值由中間向兩邊逐漸遞減，胎架拆除和屋面安裝對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響最大。

4.1.3支座水平位移監(jiān)測(cè)分析

胎架拆除和屋面安裝過(guò)程中均存在應(yīng)力偏差，不僅會(huì)導(dǎo)致桁架豎向位移，也會(huì)導(dǎo)致一定的支座水平位移，支座水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如表3所示，不同階段支座水平位移監(jiān)測(cè)曲線如圖7所示。

表3 支座水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果 mm

圖7 不同階段支座水平位移監(jiān)測(cè)曲線

水平位移6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分為3組對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由表3及圖7可知，每組對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)呈中心對(duì)稱，位移數(shù)值相同，方向相反；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在屋面安裝后的位移約為胎架拆卸后的2倍；中間監(jiān)測(cè)點(diǎn)支座位移大于兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)支座位移。

4.2 卸載過(guò)程對(duì)稱監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比分析

屋蓋網(wǎng)架卸載會(huì)形成空間受力，使桁架內(nèi)力重分布。為保證桁架安全卸載，需在卸載過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，以便隨時(shí)調(diào)控?；七^(guò)程中，各點(diǎn)的同步性是卸載過(guò)程中的重點(diǎn)，監(jiān)測(cè)各對(duì)稱測(cè)點(diǎn)應(yīng)力，分析其同一時(shí)刻的應(yīng)力偏差顯得更重要。因此，選取2021-01-29，2021-01-30，2021-02-01的監(jiān)測(cè)應(yīng)力進(jìn)行分析。部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力如表4所示。

由表4可知，卸載過(guò)程中，2021-01-29，2021-01-31豎向桁架監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-2-3，1-4-9-3的應(yīng)力偏差值較大(偏差值均為相對(duì)值)，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-2-3由受拉變?yōu)槭軌?，偏差值達(dá)57.6MPa；對(duì)稱監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-2-5應(yīng)力變化穩(wěn)定，壓應(yīng)力逐漸減小，偏差值僅為2.5MPa。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-9-3壓應(yīng)力增大，偏差值達(dá)34.4MPa，對(duì)稱監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-9-5則由受壓轉(zhuǎn)為受拉，偏差值為18.9MPa。位于豎向桁架中間的1-4-3～1-4-8包含的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化基本穩(wěn)定，偏差值變化幅度≤10MPa。橫向桁架監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值高于豎向桁架，整個(gè)屋蓋下弦的監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力值出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-F-5，由60MPa增長(zhǎng)至88.1MPa。

表4 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力 MPa

2021-01-31，2021-02-01屋蓋下弦豎向桁架應(yīng)力呈左側(cè)變化小、右側(cè)變化大的趨勢(shì)，其中右側(cè)桁架監(jiān)測(cè)點(diǎn)與其對(duì)稱監(jiān)測(cè)點(diǎn)偏差值的變化值明顯增大。位于豎向桁架左側(cè)的1-4-2～1-4-5測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化基本穩(wěn)定，偏差值≤7MPa。測(cè)點(diǎn)1-4-7-3的應(yīng)力由4.7MPa變?yōu)?42.5MPa，偏差值為47.2MPa；對(duì)稱監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-7-5的偏差值為18.2MPa，二者的相對(duì)偏差值達(dá)65.4MPa。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-4-F-5應(yīng)力持續(xù)增大，達(dá)101.4MPa?？芍谖萆w下弦中橫向桁架的應(yīng)力狀態(tài)最不穩(wěn)定。

桁架應(yīng)力受溫度影響較大，桁架卸載過(guò)程中的環(huán)境溫度處于一直變化中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力產(chǎn)生一定偏差。從應(yīng)力分布情況看，相對(duì)于豎向桁架，橫向桁架在溫度變化影響下產(chǎn)生了一定應(yīng)力偏差，在安裝過(guò)程中的穩(wěn)定性相對(duì)較差。

5 結(jié)語(yǔ)

1)有限元分析過(guò)程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力受支座約束，會(huì)產(chǎn)生重量分布不均的狀況，使桁架荷載不同，在理論計(jì)算分析中產(chǎn)生偏差值；實(shí)測(cè)過(guò)程中，由于焊接對(duì)桁架產(chǎn)生的焊接應(yīng)力及安裝過(guò)程中產(chǎn)生的安裝偏差，使實(shí)測(cè)應(yīng)力出現(xiàn)偏差。實(shí)測(cè)偏差與理論偏差的相對(duì)偏差值主要是由于桁架焊接過(guò)程中的焊接應(yīng)力較大。

2)屋面安裝后桁架位移為胎架拆除后的2倍左右。在同一軸線上，胎架拆除和屋面安裝的位移由中間向兩邊逐漸遞減；在同一平面內(nèi)，中間位置的胎架拆除和屋面安裝對(duì)結(jié)構(gòu)位移影響最大。對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的支座水平位移大小一致、方向相反。

3)對(duì)桁架卸載過(guò)程中不同時(shí)間的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)比分析，可知桁架受溫度影響較大，屋面下弦橫向桁架的安裝穩(wěn)定性比豎向桁架差。