郭文峰,葉 鵬,張 立,溫沛綱,陳光澤,蔣柏旺,龐維釗,周 云,3

(1.保利華南實(shí)業(yè)有限公司,廣東 佛山 528000; 2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410082; 3.湖南大學(xué)工程結(jié)構(gòu)損傷診斷湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410082)

0 引言

高層連體結(jié)構(gòu)是復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)體系的一種,通常指2棟或多棟高層建筑之間由若干個(gè)連接體互相連接,從而達(dá)到對(duì)建筑造型及使用功能的要求,并能夠滿足高層建筑高質(zhì)量發(fā)展要求及消防、觀光需求,但連體結(jié)構(gòu)在造型優(yōu)美的同時(shí),給施工帶來更大挑戰(zhàn)。自20世紀(jì)90年代以來,隨著建筑結(jié)構(gòu)形式的不斷發(fā)展,各類高層連體結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn),因獨(dú)特造型和宏偉氣勢,其應(yīng)用也越來越廣泛,很多成為了地區(qū)地標(biāo)性建筑物,如“蘇州東方之門”“中央電視臺(tái)新樓”“深圳東海超高層公寓”等。根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1],剛性連接體可協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)整體變形,提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性,在一定程度上減少建筑材料使用。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是指利用現(xiàn)場無損監(jiān)測方式獲得結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息,分析包括結(jié)構(gòu)反應(yīng)在內(nèi)的各種特征,以便了解結(jié)果因損傷或退化造成的改變[2]。

目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究不勝枚舉,經(jīng)過廣泛應(yīng)用,證明了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的可靠性。Ni等[3]對(duì)廣州塔進(jìn)行了施工及運(yùn)營階段實(shí)時(shí)健康監(jiān)測,分析了施工過程中汶川地震及多次臺(tái)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。Xia等[4]結(jié)合施工階段有限元分析和現(xiàn)場監(jiān)測,進(jìn)一步研究了廣州塔應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)展過程,為評(píng)估結(jié)構(gòu)安全性提供了判斷依據(jù)。Kijewski等[5]設(shè)計(jì)了SmartSync結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng),并對(duì)世界最高建筑哈利法塔進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,對(duì)其在風(fēng)和地震激勵(lì)下進(jìn)行了概念驗(yàn)證。Roussel等[6]對(duì)新加坡達(dá)土嶺組屋進(jìn)行了施工和使用階段的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測,采用統(tǒng)計(jì)分析方法評(píng)估建筑物結(jié)構(gòu)性能。Gao等[7]針對(duì)武漢長江航運(yùn)中心大廈進(jìn)行了結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測及數(shù)值分析,通過對(duì)比實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)有限元模型進(jìn)行校核并模擬其他施工情況,為超高層復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)施工階段的研究提供了新思路。

針對(duì)超高層復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究相對(duì)較少,完海鷹等[8]對(duì)淮北礦業(yè)辦公中心樓高空連廊重型鋼結(jié)構(gòu)整體提升施工控制技術(shù)進(jìn)行分析,并對(duì)施工過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移進(jìn)行全面動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。劉沛等[9]對(duì)河南建設(shè)大廈的“凱旋門”式雙塔連體建筑進(jìn)行分析與設(shè)計(jì),采用ETABS和SATWE對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析。倪國榮等[10]研究分析了多層支座大跨連廊支座反力監(jiān)測方案,基于有限元模型改進(jìn)了桁架節(jié)點(diǎn)模型,在實(shí)際工程中起到了指導(dǎo)作用。葉琳遠(yuǎn)[11]對(duì)騰訊濱海大廈進(jìn)行了鋼桁架施工階段應(yīng)變監(jiān)測,對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位內(nèi)力狀態(tài)進(jìn)行研究。張旭輝等[12]對(duì)某鋼連廊吊裝施工過程進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測,分析了邊界條件轉(zhuǎn)變及溫度變化對(duì)連廊應(yīng)力的影響。

本文以廣東佛山保利瓏門超高層連體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)施工吊裝過程中一整套結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的安全保障策略,通過對(duì)連廊結(jié)構(gòu)合理布設(shè)應(yīng)變傳感器,獲取在吊裝階段結(jié)構(gòu)不同體系轉(zhuǎn)換過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù),通過建立有限元模型,對(duì)比分析計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性能評(píng)估,從而保障連體結(jié)構(gòu)安全提升。

1 工程概況

保利瓏門位于廣東省佛山市,為佛山中軸線位置處地標(biāo)性建筑物,由2幢地上41層塔樓組成,建筑高度141.5m,第1～2層底盤相連,2層以上分為東、西塔樓,在40,41層及天面層設(shè)置連體結(jié)構(gòu),跨度約為46m,屬于大跨連體結(jié)構(gòu)?？偨ㄖ娣e約11.2萬m2,單塔建筑平面布置規(guī)則,平面尺寸為37.9m×32.3m,采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系,塔樓2層及以下采用型鋼柱+剪力墻結(jié)構(gòu),其余部分采用剪力墻結(jié)構(gòu)。

連體結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件為3榀鋼管混凝土拱,內(nèi)設(shè)3層混凝土樓板,總用鋼量為1 200t。吊裝前鋼管混凝土灌注完畢,總提升量為1 310t,連廊吊裝至結(jié)構(gòu)40層后與設(shè)置在東、西塔樓上的3組牛腿焊接形成門式結(jié)構(gòu),如圖1所示。鋼連廊屋蓋整體結(jié)構(gòu)主要由主桁架、次桁架及鋼管混凝土拱組成,在每層鋼板上設(shè)置抗剪件使混凝土板與鋼梁整體受力。

圖1 建筑結(jié)構(gòu)

2 鋼連廊吊裝施工方案

鋼連廊采用液壓同步提升技術(shù)整體吊裝,即采用地面整體拼裝→建立提升系統(tǒng)→整體液壓提升→合龍焊接[13]施工工藝完成連體結(jié)構(gòu)整體安裝。具體流程為:地面鋼結(jié)構(gòu)整體拼裝→鋼連廊預(yù)提升0.5m→鋼連廊正式提升→鋼連廊提升至對(duì)應(yīng)高度微調(diào)就位并臨時(shí)固定→鋼連廊與塔樓焊接并拆除臨時(shí)性支撐→釋放液壓索力→澆筑混凝土樓板。

在兩塔樓底位置搭設(shè)臨時(shí)拼裝平臺(tái),完成鋼連廊底部拼裝,同時(shí)在兩側(cè)塔樓頂層共設(shè)置6個(gè)提升吊點(diǎn),每個(gè)吊點(diǎn)搭設(shè)2臺(tái)同型號(hào)液壓提升器(TL-HPS-60),每臺(tái)液壓提升器處共有12根鋼絞線,下吊點(diǎn)布置于被提升連廊下弦桿懸挑端部,為優(yōu)化鋼連廊在吊裝過程中的受力性能,降低部分桿件在吊裝過程中的受力,在下吊點(diǎn)位置設(shè)置臨時(shí)支撐,如圖2所示,臨時(shí)支撐在連廊與塔樓焊接完成后切割拆除。

圖2 鋼連廊吊點(diǎn)布置

3 鋼連廊施工全過程監(jiān)測

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)選擇

由于該工程結(jié)構(gòu)具有跨度及自重大、構(gòu)件類型多及施工過程復(fù)雜等特征,因此,監(jiān)測吊裝安全具有重要意義。項(xiàng)目監(jiān)測目的是保障連廊整體全過程安全提升,對(duì)連廊提升過程中引起的結(jié)構(gòu)安全性問題進(jìn)行評(píng)估,預(yù)防由施工誤差、操作失誤引起的結(jié)構(gòu)損傷、失穩(wěn)甚至破壞。湖南大學(xué)大型土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)本連廊吊裝過程,建立了以關(guān)鍵桿件應(yīng)力水平觀測為主的監(jiān)測系統(tǒng),健康監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和管理子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估子系統(tǒng)4大模塊組成,如圖3所示。本研究主要介紹超高層連體結(jié)構(gòu)整體提升過程中連廊應(yīng)變監(jiān)測內(nèi)容。

3.2 測點(diǎn)布置

根據(jù)初步結(jié)構(gòu)有限元分析及對(duì)結(jié)構(gòu)幾何特征和受力特點(diǎn)的分析,在鋼連廊關(guān)鍵構(gòu)件上共安裝21個(gè)JMZX-212HAT型振弦式應(yīng)變傳感器(量程為 ±1 500με,靈敏度為1με),通過焊接固定于鋼結(jié)構(gòu)表面,傳感器布置在各施工步驟中內(nèi)力較大區(qū)域(1層型鋼梁)、內(nèi)力方向發(fā)生變化的構(gòu)件(吊柱)及主要受力構(gòu)件(鋼管混凝土拱)上,傳感器方向沿構(gòu)件主要受力方向。應(yīng)變測點(diǎn)布置方案如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)測點(diǎn)布置方案

各層傳感器布置位置如圖4所示,傳感器通過JMZ-4SX水工電纜線匯集至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成數(shù)模轉(zhuǎn)換,再通過無線收發(fā)模塊將應(yīng)變數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理,通過設(shè)置閾值對(duì)結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)預(yù)警。監(jiān)測過程中,信號(hào)采樣頻率設(shè)置為3min/次,通過蓄電池+太陽能電池板提供應(yīng)變采集用電,每層采集器相互串聯(lián)通過信號(hào)線與位于監(jiān)測總站上的控制器相連從而實(shí)現(xiàn)供電和無線傳輸數(shù)據(jù)。

3.3 吊裝進(jìn)程

所監(jiān)測的鋼連廊于2022年7月8日10:00左右開始吊裝工作,至2022年11月19日完成混凝土樓板澆筑,施工進(jìn)程如表2所示。

表2 施工進(jìn)程

3.4 監(jiān)測結(jié)果

以鋼連廊起吊初始時(shí)刻為應(yīng)變零點(diǎn),整個(gè)施工過程監(jiān)測所得結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)如圖5所示,部分傳感器在使用過程中發(fā)生損壞,但仍監(jiān)測到部分關(guān)鍵施工階段產(chǎn)生的應(yīng)變。在提升過程中,結(jié)構(gòu)測點(diǎn)處的應(yīng)變?cè)诮Y(jié)構(gòu)吊裝時(shí)的幾個(gè)關(guān)鍵步驟中,由于邊界條件及外覆荷載的改變,變化幅值為-250～300με,在結(jié)構(gòu)安裝過程中,受施工擾動(dòng)及環(huán)境溫度影響,應(yīng)變數(shù)據(jù)產(chǎn)生了20～100με的波動(dòng),在提升過程中波動(dòng)較小,表明吊裝過程整體平穩(wěn)。

圖5 實(shí)時(shí)應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果

連廊預(yù)提升階段,結(jié)構(gòu)由簡支靜置狀態(tài)變?yōu)樘嵘隣顟B(tài),邊界條件發(fā)生轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傳力路徑發(fā)生變化,各測點(diǎn)處應(yīng)變數(shù)據(jù)變化顯著,此時(shí)索纜產(chǎn)生的索力通過臨時(shí)支撐傳遞至鋼管混凝土拱,主要受力構(gòu)件鋼管混凝土拱受到較大壓應(yīng)變,如圖5a所示;各層間荷載通過吊柱傳遞至拱,吊柱受力由受壓轉(zhuǎn)為受拉,產(chǎn)生了較大拉應(yīng)變,如圖5b所示;在整體結(jié)構(gòu)提升至指定位置后,即開展鋼管混凝土拱、主桁架與塔樓預(yù)留牛腿的焊接工作,焊接時(shí)間為07-15—07-28。由圖5可知,焊接過程中,鋼連廊整體并未受到較大影響,應(yīng)變波動(dòng)較小;在連廊與塔樓焊接完成后,即拆除臨時(shí)支撐,此時(shí)結(jié)構(gòu)傳力路徑發(fā)生變化,索纜產(chǎn)生的索力在臨時(shí)支撐拆除后通過下弦桿傳遞,致使下弦桿產(chǎn)生了較大應(yīng)變,此應(yīng)變?cè)谒髁︶尫藕鬁p小,如圖5c所示,下弦桿重新處于低應(yīng)力狀態(tài);混凝土澆筑階段,結(jié)構(gòu)受力體系不再轉(zhuǎn)變,由于層間荷載增大,吊柱及鋼管混凝土拱應(yīng)變逐步穩(wěn)定增大,應(yīng)變變化穩(wěn)定。

4 吊裝過程有限元模擬

采用SAP2000有限元分析軟件建立鋼連廊有限元模型,如圖6所示。采用歐拉梁單元(Euler beam element)模擬型鋼梁和型鋼柱,用4結(jié)點(diǎn)薄殼單元(thin shell element)模擬樓板,每個(gè)結(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度,分別對(duì)桁架結(jié)構(gòu)和樓板進(jìn)行建模,共937個(gè)梁單元,634個(gè)結(jié)點(diǎn),5 031個(gè)自由度,模型邊界條件及上覆荷載均按實(shí)際情況設(shè)置。有限元分析主要考慮結(jié)構(gòu)自重及布置在結(jié)構(gòu)上的恒荷載,計(jì)算模型在不同工況下,由于邊界條件變化、部分臨時(shí)構(gòu)件拆除及澆筑混凝土樓板導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化。計(jì)算工況如圖7所示。

圖6 鋼連廊有限元模型

圖7 有限元模擬工況

通過各工況有限元模型獲取安裝在結(jié)構(gòu)上各傳感器布設(shè)位置內(nèi)力。應(yīng)變則通過式(1),(2)獲得。

(1)

(2)

式中:M為SAP2000模型得到的彎矩值;N為得到的軸力值;Wz為截面抵抗矩系數(shù);A為截面面積;E為彈性模量;σ為傳感器位置應(yīng)力;ε為傳感器位置應(yīng)變。

4.1 鋼連廊簡支狀態(tài)有限元分析

鋼連廊簡支靜置于拼裝平臺(tái)上,邊界條件通過現(xiàn)場實(shí)際觀測確定,結(jié)構(gòu)自重通過吊柱與臨時(shí)支撐傳遞至支撐處,此階段主要受力構(gòu)件鋼管混凝土拱并未受到較大內(nèi)力(見圖8)。

圖8 簡支狀態(tài)鋼連廊內(nèi)力

4.2 連廊預(yù)提升階段有限元分析

鋼連廊預(yù)提升階段,邊界條件發(fā)生改變,結(jié)構(gòu)由靜置簡支狀態(tài)變?yōu)橛蛇B廊兩側(cè)6組索纜提供拉力的吊起狀態(tài),內(nèi)力變化最大構(gòu)件為鋼管混凝土拱(見圖9),其軸力增大1 913kN,各層吊柱軸力方向均發(fā)生改變,拱在此階段作為主要受力構(gòu)件承受較大軸力,此階段最大應(yīng)力變化出現(xiàn)在臨時(shí)支撐處,為-58MPa。

圖9 預(yù)提升狀態(tài)鋼連廊內(nèi)力

4.3 焊接及臨時(shí)支撐拆除階段有限元分析

提升至預(yù)定高度后,鋼管混凝土拱與塔樓連接并拆除臨時(shí)支撐,結(jié)構(gòu)主要傳力路徑(索纜→臨時(shí)支撐→鋼管混凝土拱)發(fā)生變化,由于臨時(shí)支撐的拆除,鋼混凝土拱內(nèi)力直接傳遞至主體結(jié)構(gòu)牛腿上,索纜提供的拉力通過下弦桿進(jìn)行傳遞,致使下弦桿處產(chǎn)生了-903kN·m 彎矩(見圖10),鋼管混凝土拱及吊柱內(nèi)力變化均略微增大,此階段最大應(yīng)力變化出現(xiàn)在下弦桿處,為29MPa。

圖10 臨時(shí)支撐拆除后鋼連廊內(nèi)力

4.4 索力釋放階段有限元分析

索力釋放階段下弦桿彎矩消失,下弦桿由高應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)入低應(yīng)力狀態(tài),由于鋼連廊與塔樓已焊接,結(jié)構(gòu)受力體系不再改變,鋼連廊其他構(gòu)件處受到的影響較小,此階段最大應(yīng)力變化出現(xiàn)在下弦桿下吊點(diǎn)處(見圖11),為-28MPa。

圖11 索力釋放后鋼連廊內(nèi)力

4.5 混凝土澆筑階段有限元分析

混凝土澆筑階段,結(jié)構(gòu)層間荷載不斷增大,各層間吊柱受到的拉力增大,內(nèi)力變化最大的構(gòu)件為鋼管混凝土拱,其軸力增大3 715kN(見圖12)。這表明鋼連廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,鋼管混凝土拱作為主要受力構(gòu)件承受較大內(nèi)力,此階段最大應(yīng)力變化出現(xiàn)在鋼管混凝土拱上,為-24MPa。

圖12 混凝土樓板澆筑后鋼連廊內(nèi)力

4.6 實(shí)測應(yīng)變與有限元模擬應(yīng)變對(duì)比分析

利用建立的有限元模型計(jì)算出各施工階段理論應(yīng)變值,與測點(diǎn)處實(shí)測應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比。測試值取每個(gè)關(guān)鍵施工階段前后應(yīng)變數(shù)據(jù)平均值,以1層型鋼梁L3、2層型鋼梁L20、1層吊柱L12、鋼管混凝土拱L18為例進(jìn)行說明,吊裝完成后各施工階段實(shí)測應(yīng)變與理論應(yīng)變對(duì)比如表3所示。

表3 吊裝完成后實(shí)測與有限元模擬應(yīng)變對(duì)比

對(duì)比理論計(jì)算值與實(shí)測值可以看出,對(duì)于桁架桿系結(jié)構(gòu),有限元理論計(jì)算值能較準(zhǔn)確地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平。由于鋼連廊吊裝施工過程中的不可控性及有限元模型不精確,造成理論應(yīng)變與實(shí)測應(yīng)變有差別,但隨著結(jié)構(gòu)受力增大,結(jié)構(gòu)實(shí)測值與理論值越來越接近,利用現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測與有限元模型模擬分析能有效指導(dǎo)施工及識(shí)別結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)。L18測點(diǎn)處實(shí)測值在任一施工階段皆略大于理論值,該處理論值計(jì)算采用平截面假定,考慮到L18測點(diǎn)處為鋼管混凝土,分析可能原因?yàn)殇摴芑炷琉そY(jié)滑移,導(dǎo)致理論計(jì)算所取截面剛度比結(jié)構(gòu)實(shí)際截面剛度大,從而導(dǎo)致理論計(jì)算值偏小。

5 結(jié)語

本文基于廣東佛山保利瓏門超高層連體結(jié)構(gòu)吊裝,對(duì)其大跨鋼連廊吊裝及安裝環(huán)節(jié)進(jìn)行全過程實(shí)時(shí)監(jiān)測,從而為整體結(jié)構(gòu)施工過程的順利進(jìn)行提供保障。通過分析監(jiān)測所得結(jié)構(gòu)特征應(yīng)變響應(yīng),得到以下結(jié)論。

1) 對(duì)該工程中鋼連廊吊裝及安裝進(jìn)行全過程實(shí)時(shí)監(jiān)測,結(jié)果表明所測得關(guān)鍵構(gòu)件處應(yīng)變響應(yīng)均未達(dá)到相應(yīng)材料屈服強(qiáng)度,表明施工過程中結(jié)構(gòu)材料處于彈性工作狀態(tài)。同時(shí),應(yīng)變數(shù)據(jù)在提升過程中波動(dòng)較小,表明吊裝過程整體平穩(wěn)。

2) 吊裝過程中,鋼連廊應(yīng)變變化主要發(fā)生在預(yù)提升階段及混凝土樓板澆筑階段;鋼連廊從靜置時(shí)的簡支狀態(tài)至提升狀態(tài),因其邊界條件的變化造成的結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布,使拱頂軸力增大1 913kN;在混凝土樓板澆筑階段,外覆荷載的變化使拱頂軸力增大3 715kN。以上2個(gè)階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化顯著,證明進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的必要性。

3) 對(duì)于桁架桿系結(jié)構(gòu),有限元理論計(jì)算值能較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平,利用理論值與實(shí)測值對(duì)比分析,準(zhǔn)確識(shí)別各階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力,實(shí)時(shí)分析整個(gè)過程安全程度,以確保鋼連廊吊裝安全。