陳景鎮(zhèn) 胡澤銘 林華湘 林乙真

（1.中國(guó)建筑第四工程局有限公司， 福建 廈門(mén) 361000；2.中建四局建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

在鋼結(jié)構(gòu)工程中，受作業(yè)環(huán)境的影響，屋面管桁架施工通常需要將吊裝設(shè)備架設(shè)在地下室結(jié)構(gòu)頂板上，但是通常設(shè)計(jì)單位僅考慮施工荷載5kN/m2，該荷載值無(wú)法滿足施工需求，須對(duì)結(jié)構(gòu)頂板回頂加固，增加承載力。目前，常見(jiàn)的回頂方案為搭設(shè)扣件式鋼管腳手架進(jìn)行的回頂加固，但是其存在一定的缺陷，該方案會(huì)使原結(jié)構(gòu)板直接受力，且承受上部荷載的能力有限。該項(xiàng)目應(yīng)用“路基箱+路基梁的托換結(jié)構(gòu)”，地下室支撐H 型鋼立柱的受力體系，因?yàn)椤癏”形鋼立柱具有良好的支撐性，所以可以增加整體結(jié)構(gòu)的承載力。這次采用該回頂方案作為監(jiān)測(cè)研究對(duì)象。

為保障回頂區(qū)域頂板施工作業(yè)安全，應(yīng)及時(shí)了解施工中這些部位與構(gòu)件的工作狀態(tài)，從而及時(shí)采取補(bǔ)救措施，須采用大數(shù)據(jù)分析及監(jiān)測(cè)技術(shù)。該文旨在研發(fā)一套高精度的監(jiān)測(cè)方法，以便于發(fā)現(xiàn)頂板結(jié)構(gòu)的異常變形，及時(shí)預(yù)警并采取措施，防止事故發(fā)生。力學(xué)中的應(yīng)變檢測(cè)法及傾斜觀測(cè)是對(duì)工程結(jié)構(gòu)形變、建筑物的基礎(chǔ)和主體結(jié)構(gòu)傾斜變化的有效檢測(cè)方法，確保結(jié)構(gòu)物受力和變形在施工過(guò)程中始終處于受控狀態(tài)，以上述2 項(xiàng)方法為核心進(jìn)行討論，研究一套大型設(shè)備頂板作業(yè)回頂鋼立柱的監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1 工程概況

廈門(mén)新會(huì)展中心-會(huì)議中心對(duì)標(biāo)國(guó)際最先進(jìn)會(huì)議中心，項(xiàng)目具有大中型各類(lèi)會(huì)議、宴會(huì)、多邊會(huì)談和新聞發(fā)布等功能，配備數(shù)字會(huì)議系統(tǒng)、同聲傳譯、遠(yuǎn)程視頻會(huì)議和電視轉(zhuǎn)播系統(tǒng)等功能，總用地面積10.7 萬(wàn)m2，地上4 層，地下1層，總建筑面積23.11 萬(wàn)m2，有1.1 萬(wàn)m2的超大型萬(wàn)人會(huì)議室，是全國(guó)最大的無(wú)柱多功能會(huì)議室。項(xiàng)目主體采用鋼框架+空間管桁架結(jié)構(gòu)形式，用鋼量達(dá)56 000 t，會(huì)議中心效果圖如圖1 所示。

圖1 會(huì)議中心效果圖

2 監(jiān)測(cè)區(qū)域概況

該工程鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量約為5.6 萬(wàn)t，鋼結(jié)構(gòu)安裝內(nèi)容主要包括鋼立柱、鋼梁、鋼桁架和屋面管桁架等。該工程平面尺寸225m×246m，上部主體鋼結(jié)構(gòu)采用5 臺(tái)T1200-64 塔吊吊裝施工（80m 臂長(zhǎng)，末端吊重15t）。5 臺(tái)T1200-64 塔吊半徑≤50m 范圍內(nèi)起重能力≥15.6t，中間81m 跨區(qū)段周邊塔吊無(wú)法覆蓋，塔吊覆蓋不到部位采用汽車(chē)吊和履帶吊，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的180mm 厚的地下室頂板不滿足履帶吊行走的要求，為滿足吊裝作業(yè)要求，需要對(duì)使用150t 和350t 履帶吊進(jìn)行吊裝的行走路線進(jìn)行地下室回頂加強(qiáng)；為了準(zhǔn)確了解上部吊裝過(guò)程中鋼立柱受力大小及傾斜變形情況，保障工程安全，對(duì)回頂鋼立柱設(shè)置傾斜觀測(cè)/應(yīng)變測(cè)試，上部轉(zhuǎn)換梁設(shè)置沉降/變形量監(jiān)測(cè)，進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)回頂支撐柱和轉(zhuǎn)換梁的變形情況。

3 回頂鋼立柱的監(jiān)測(cè)監(jiān)控措施

3.1 監(jiān)測(cè)目的

工程平面尺寸225m×246m，上部主體鋼結(jié)構(gòu)采用5 臺(tái)塔吊吊裝施工，塔吊臂長(zhǎng)80m，中間81m 跨周?chē)鷧^(qū)段塔吊無(wú)法覆蓋，須采用350t 履帶吊配合吊裝，因地下室頂板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)板厚180mm，為常規(guī)設(shè)計(jì)，施工荷載取值5.0kN/m2。地下室頂板無(wú)法滿足350t 履帶吊行走和作業(yè)要求，因此須對(duì)地下室頂板履帶吊行走路線進(jìn)行回頂加固。同時(shí)，考慮架設(shè)大型吊裝設(shè)備行走作業(yè)，結(jié)構(gòu)承受荷載大，如果發(fā)生意外，很可能導(dǎo)致不可挽回的損失，因此除了可靠的回頂支撐結(jié)構(gòu)外，還需要擬定一套安全適用的監(jiān)測(cè)方法，從而保障大型設(shè)備于頂板作業(yè)過(guò)程安全。該研究對(duì)大型設(shè)備回頂線路的監(jiān)測(cè)體系進(jìn)行精細(xì)化拆分，將其分為地上及地下2 個(gè)部分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)變力數(shù)據(jù)及傾斜參數(shù)，評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性，保證在整個(gè)實(shí)施過(guò)程中均處于安全值范圍內(nèi)：1）地下部分-回頂鋼立柱數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。采用高精度全站儀利用投點(diǎn)法及坐標(biāo)控制進(jìn)行測(cè)量，提供在履帶吊吊裝狀態(tài)下的回頂鋼立柱應(yīng)變和傾斜等參數(shù)的監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況，判斷該區(qū)域地下室回頂鋼立柱是否增設(shè)斜撐或水平桿，掌握地下室結(jié)構(gòu)的施工狀態(tài)，保障施工安全。2）地上部分-轉(zhuǎn)換梁數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。采用應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便實(shí)時(shí)掌握履帶吊行走及作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的水平推力，為及時(shí)增設(shè)橡膠墊減少振動(dòng)或控制吊裝荷載提供數(shù)據(jù)支持。3） BIM 智慧平臺(tái)數(shù)據(jù)分析。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳云端監(jiān)控平臺(tái)，綜合運(yùn)用多項(xiàng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，分析評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)安全性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全預(yù)警。

3.2 布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)

該項(xiàng)目大型設(shè)備行走線路回頂區(qū)域面積約5700km2，回頂支撐鋼立柱設(shè)置按3m 的間隔布置，為確保研究監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量及布置的合理性，在地下監(jiān)測(cè)部分根據(jù)回頂區(qū)域的圖紙，基于Revit 建立三維模型出圖，統(tǒng)計(jì)出回頂鋼立柱數(shù)量，利用BIM 技術(shù)提前規(guī)劃觀測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取應(yīng)綜合考慮重要性、代表性和隨機(jī)性原則，項(xiàng)目最終選取在154 根鋼立柱上布設(shè)應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)，并在每根鋼立柱中間位置布設(shè)2 個(gè)振弦式表面應(yīng)變計(jì)，即監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)數(shù)量為308 點(diǎn)，編號(hào)為“Y1～Y154”[1]。并選取大型設(shè)備行走線路縱橫向交叉區(qū)域和最大吊裝荷載區(qū)域等重要節(jié)點(diǎn)的16 個(gè)應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)和16 個(gè)傾斜觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集儲(chǔ)存。地上部分轉(zhuǎn)換梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取依據(jù)地下室鋼立柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直投影位置所對(duì)應(yīng)的上部轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行設(shè)置，在地上轉(zhuǎn)換梁位置相應(yīng)地布置了154 個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為“X1～X154”。

3.3 地下部分鋼立柱監(jiān)測(cè)

3.3.1 鋼立柱應(yīng)變測(cè)試

為保證研究數(shù)據(jù)的可靠性，該項(xiàng)目回頂監(jiān)測(cè)采用目前應(yīng)用最廣且效果最佳的“電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量技術(shù)”，該變測(cè)試系統(tǒng)由應(yīng)變計(jì)、安裝夾具以及信號(hào)傳輸電纜等組成[2]。當(dāng)被監(jiān)測(cè)的地下室鋼立柱發(fā)生變形時(shí)，將帶動(dòng)表面應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生變形，變形通過(guò)前、后端座傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率。電磁線圈激振振弦并測(cè)量其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測(cè)出引起被測(cè)結(jié)構(gòu)物變形的應(yīng)變量；并且可同步測(cè)出布設(shè)點(diǎn)的溫度值[3]。

同時(shí)為減少數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差，對(duì)大型設(shè)備行走線路縱橫向交叉區(qū)域和最大吊裝荷載區(qū)域等重要節(jié)點(diǎn)的16 個(gè)重要應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)，每根立柱中間位置布設(shè)2 個(gè)振弦式表面應(yīng)變計(jì)，即測(cè)點(diǎn)數(shù)量為32 點(diǎn)，編號(hào)為“Y77～Y106”，使用無(wú)線型振旋傳感器采發(fā)儀進(jìn)行自動(dòng)采集儲(chǔ)存，通過(guò)簡(jiǎn)單配置快捷地搭設(shè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)查看和數(shù)據(jù)下載，以便及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

3.3.1.1 安裝流程

該研究為提高數(shù)據(jù)的精確度，設(shè)計(jì)1 套標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)變計(jì)安裝流程：先將夾具裝上安裝試棒，兩夾具間距為100mm，鎖緊螺釘孔。再將裝有安裝試棒的夾具焊接在回頂鋼立柱表面，拆下安裝試棒，最后將應(yīng)變計(jì)從夾具一端放入，直到應(yīng)變計(jì)沒(méi)有電纜的一端與夾具外邊沿平齊為止。當(dāng)表面應(yīng)變計(jì)安裝定位后及時(shí)測(cè)量?jī)x器初值，根據(jù)儀器編號(hào)和設(shè)計(jì)編號(hào)進(jìn)行記錄并存檔，現(xiàn)場(chǎng)要采取措施，嚴(yán)格保護(hù)好儀器的引出申纜，確保使用效果。安裝示意圖如圖2 所示。

圖2 安裝示意圖

3.3.1.2 計(jì)算方法

每次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用數(shù)字式頻率計(jì)測(cè)出傳感器的即時(shí)頻率，將每次觀測(cè)的數(shù)據(jù)記錄在觀測(cè)表內(nèi)，或自動(dòng)上傳自數(shù)據(jù)庫(kù)，并計(jì)算該點(diǎn)的即時(shí)應(yīng)變數(shù)據(jù)，如公式（1）所示。

式中：?c為應(yīng)變?cè)隽?（μc）；K為傳感器標(biāo)定系數(shù) （μc/ Hz2） ；fi為測(cè)試頻率（Hz）；f0為初始頻率（Hz）；?P為鋼立柱荷載（kN）；E為鋼立柱彈性模量（MPa）；A為鋼立柱截面面積（m2）。

3.3.2 鋼立柱傾斜觀測(cè)

3.3.2.1 觀測(cè)方法

在研究模擬中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上部荷載過(guò)大時(shí)，鋼立柱可能會(huì)產(chǎn)生傾斜變形，如果發(fā)生該現(xiàn)象，須及時(shí)增加斜撐，以保障結(jié)構(gòu)安全，因此對(duì)鋼立柱的傾斜度進(jìn)行監(jiān)測(cè)是有必要的。該研究采用鋼立柱頂部觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)底部固定點(diǎn)的傾斜值及傾斜方向的監(jiān)測(cè)方法，采用天寶全站儀 S9 （精度：一測(cè)回水平方向誤差 0.5″）投點(diǎn)法或坐標(biāo)控制，施工前讀取基數(shù)2 次。將反射片粘貼在鋼立柱待測(cè)面的上，通過(guò)高精度全站儀直接觀測(cè)鋼立柱在傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，獲取鋼立柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)的底部平距L1及頂部點(diǎn)平距L2，進(jìn)而計(jì)算鋼立柱整體傾斜和位移。

計(jì)算方法如公式（2）所示。

式中：Q為傾斜值；L1為底部點(diǎn)平距，m；L2為頂部點(diǎn)平距，m；H為底部點(diǎn)與頂部點(diǎn)高差，m。

3.3.2.2 測(cè)點(diǎn)布置

鋼立柱的傾斜觀測(cè)布置點(diǎn)為在應(yīng)變自動(dòng)采集測(cè)試點(diǎn)相應(yīng)的回頂鋼立柱的2 個(gè)方向，編號(hào)為“Q1～Q16”的每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)采用反射片粘貼在鋼立柱的頂部和底部。

3.4 地上部分轉(zhuǎn)換梁監(jiān)測(cè)

該研究通過(guò)BIM 技術(shù)結(jié)合MIDAS 軟件計(jì)算，在施工階段，由于轉(zhuǎn)換梁受到上部結(jié)構(gòu)荷載和預(yù)加應(yīng)力的影響，在垂直方向產(chǎn)生撓曲變形，在整體結(jié)構(gòu)、約束形式等情況下，也有可能產(chǎn)生側(cè)向變形。如果轉(zhuǎn)換梁的變形過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)荷載過(guò)大，降低整體回頂技術(shù)的安全性。因此，在使用階段對(duì)轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行精確的變形監(jiān)測(cè)是整個(gè)監(jiān)測(cè)工作中的重點(diǎn)。

在選取地上部分轉(zhuǎn)換梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)地下室鋼立柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直投影位置所對(duì)應(yīng)的上部轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行設(shè)置，在地上轉(zhuǎn)換梁位置相應(yīng)地布置154 個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，地上轉(zhuǎn)換梁監(jiān)測(cè)是通過(guò)高精度全站儀測(cè)定轉(zhuǎn)換梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并利用卷尺輔助監(jiān)測(cè)鋼梁和結(jié)構(gòu)頂板間的間隙，根據(jù)各階段的觀測(cè)數(shù)據(jù)換算轉(zhuǎn)換梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量和變形量，實(shí)現(xiàn)回頂線路上大型設(shè)備吊裝過(guò)程中轉(zhuǎn)換梁沉降變形情況的實(shí)時(shí)反饋。

3.5 預(yù)警值與預(yù)警處理

為了真實(shí)、及時(shí)、準(zhǔn)確地反映施工現(xiàn)場(chǎng)回頂線路監(jiān)測(cè)信息，測(cè)試數(shù)據(jù)包括以下過(guò)程：測(cè)點(diǎn)埋設(shè)→數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)收集→數(shù)據(jù)輸入→BIM 智慧平臺(tái)采集→生成圖表→信息反饋。1）為保證數(shù)據(jù)的可靠性，減少隨機(jī)誤差，采用自動(dòng)化與專(zhuān)人數(shù)據(jù)采集相結(jié)合的方式，在重要節(jié)點(diǎn)利用無(wú)線信號(hào)自動(dòng)傳輸儲(chǔ)存，其余節(jié)點(diǎn)采用專(zhuān)人專(zhuān)項(xiàng)負(fù)責(zé)，并及時(shí)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入大數(shù)據(jù)平臺(tái)儲(chǔ)存，以便對(duì)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行初步分析，如發(fā)現(xiàn)安全狀況有可疑情況，如監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)預(yù)警值或出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常變化，立即開(kāi)展進(jìn)一步測(cè)試數(shù)據(jù)分析和驗(yàn)證，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采取控制措施。2）將測(cè)試數(shù)據(jù)輸入BIM 智慧平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合該項(xiàng)目施工進(jìn)程及巡視信息進(jìn)行綜合分析并形成測(cè)試成果報(bào)表。3）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集后的3 個(gè)工作日內(nèi)將測(cè)試成果報(bào)送有關(guān)單位；全部測(cè)試結(jié)束后，一個(gè)月后形成最終報(bào)告，相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)、圖表和數(shù)據(jù)分析結(jié)論需書(shū)面形式提交，以供各方進(jìn)行查詢。4）在實(shí)際施工中，鋼立柱軸力預(yù)警值為800kN，為保障履帶吊行走及作業(yè)安全，特別是該項(xiàng)目81m跨屋蓋管桁架采用350t 履帶吊雙機(jī)協(xié)同吊裝區(qū)域，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值達(dá)到或超過(guò)預(yù)警值時(shí)，須馬上停止施工，及時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理工程師及其他相關(guān)單位，共同協(xié)商制定有效的措施補(bǔ)救，預(yù)防可能出現(xiàn)的事故。

3.6 監(jiān)測(cè)結(jié)果

該研究為驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作是否正常，首先進(jìn)行模擬變形監(jiān)測(cè)，如圖3 所示，該次工況模擬在該區(qū)域內(nèi)堆放吊裝鋼立柱，并在測(cè)試點(diǎn)Y151 西側(cè)30m 處停放一輛350t 吊車(chē)；Y130 北側(cè)30m 處停放一輛350t 吊車(chē)；Y38 南側(cè)30m 處停放一輛150t 吊車(chē)；Y76 東側(cè)停放一輛150t 吊車(chē)，經(jīng)變形檢測(cè)顯示鋼立柱最大軸力值725.6kN，與預(yù)警值800kN 相差74.4kN，小于預(yù)警值，且與現(xiàn)成荷載數(shù)據(jù)較為一致，該結(jié)果表明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常工作。

圖3 地下室應(yīng)力測(cè)試表

其次，該研究對(duì)正式施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)內(nèi)力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該項(xiàng)目所采用的回頂結(jié)構(gòu)在整體施工過(guò)程中承載力良好，沒(méi)有顯著的超大波動(dòng)與異常，隨著時(shí)間的發(fā)展，結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)值逐漸趨于平穩(wěn)，該結(jié)果驗(yàn)證該項(xiàng)目采用的回頂結(jié)構(gòu)具有較高的承載能力，上部吊裝荷載均被回頂結(jié)構(gòu)吸收，回頂結(jié)構(gòu)受力未達(dá)預(yù)警值且無(wú)呈現(xiàn)變形態(tài)，保證地下室頂板的結(jié)構(gòu)完整，保障其安全。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)上部履帶吊作業(yè)時(shí)，監(jiān)測(cè)的154 個(gè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)均未達(dá)到預(yù)警值，滿足頂板結(jié)構(gòu)安全的要求。該研究成果可通過(guò)上述的監(jiān)測(cè)取得的大量可靠資料，準(zhǔn)確地掌握上部吊裝過(guò)程中地下室回頂鋼立柱受力大小及傾斜變形情況；對(duì)變形觀測(cè)資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，做出變形的幾何分析及物理解釋?zhuān)摮晒粌H是檢驗(yàn)工程設(shè)計(jì)理論的實(shí)踐途徑，而且是修正現(xiàn)行設(shè)計(jì)理論和經(jīng)驗(yàn)常數(shù)的重要依據(jù)。