型鋼反力支柱在交替頂升過(guò)程中的受力監(jiān)測(cè)分析

邊智慧，王鐵成，戴占彪

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072；2.河北省建筑科學(xué)研究院，石家莊050021；3.河北建研科技有限公司，石家莊050021）

隨著社會(huì)城鎮(zhèn)化速度的加快，城鎮(zhèn)規(guī)劃過(guò)程中由于地質(zhì)條件變遷和文物周?chē)貏?shì)抬高，很多有人文歷史價(jià)值的古建筑面臨著周?chē)h(huán)境變化帶來(lái)的侵蝕性破壞，需對(duì)這類建筑進(jìn)行整體頂升移位保護(hù)，并且在整體頂升移位保護(hù)過(guò)程中要保證古建筑人文歷史價(jià)值的完整性，有必要在施工過(guò)程中借助現(xiàn)代先進(jìn)的監(jiān)測(cè)手段對(duì)建筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并指導(dǎo)和完善施工方案，以保證古建筑的完整性和安全性。在現(xiàn)代特種結(jié)構(gòu)施工中也采取相應(yīng)的監(jiān)控措施對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［1－5］，并不斷地完善施工方案，保證工程安全順利的進(jìn)行。該文運(yùn)用高精度應(yīng)變測(cè)試儀對(duì)遇真宮整體頂升工程中交替頂升狀況下，對(duì)下部支撐型鋼反力柱的受力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不斷地改進(jìn)更新頂升方案確保其合理性，并指導(dǎo)頂升工程安全進(jìn)行。

1 工程概況

湖北省武當(dāng)山遇真宮位于湖北省武當(dāng)山旅游經(jīng)濟(jì)特區(qū)武當(dāng)鎮(zhèn)東4km處。遇真宮主體由中宮、西宮和東宮構(gòu)成，西宮與東宮的建筑已無(wú)存。現(xiàn)存的宮門(mén)、宮墻、龍虎殿、真仙殿殘跡、配殿等地面建筑為中宮的主體建筑。丹江口水庫(kù)作為南水北調(diào)工程中線工程的水源，需進(jìn)行加高。經(jīng)長(zhǎng)江水利委員會(huì)與地方政府協(xié)作勘查在原先選定的13處淹沒(méi)區(qū)的基礎(chǔ)上，于2003年新增遇真宮、孫家灣兩處防護(hù)區(qū)。丹江口大壩加高后，防護(hù)堤外庫(kù)水位持續(xù)高出堤內(nèi)8～19m，庫(kù)水將會(huì)向防護(hù)區(qū)內(nèi)滲漏，致使防護(hù)區(qū)內(nèi)地下水位提高，遇真宮因之面臨被水淹沒(méi)的危險(xiǎn)。有關(guān)方面決定，對(duì)遇真宮山門(mén)及兩翼琉璃墻體、東西宮門(mén)進(jìn)行整體頂升約15m，并對(duì)原址進(jìn)行回填。遇真宮整體為砌體結(jié)構(gòu)，歷經(jīng)時(shí)間較長(zhǎng)，表現(xiàn)出整體性差、松散特性。在整體頂升過(guò)程中，下部支撐結(jié)構(gòu)的受力情況會(huì)直接影響整個(gè)上部結(jié)構(gòu)的完整和安全。

2 監(jiān)測(cè)目的和監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)武當(dāng)山遇真宮整體頂升工程多工序、多循環(huán)、短行程超高度頂升以及結(jié)構(gòu)整體性差的情況。在頂升過(guò)程中，頂升方案的合理性引起區(qū)域性頂升壓力的差別，決定支撐上部建筑結(jié)構(gòu)是否能夠整體平穩(wěn)上升，下部反力支撐系統(tǒng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用，很有必要對(duì)整個(gè)反力支撐系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整和完善頂升方案。

2.1 監(jiān)測(cè)目的

上部結(jié)構(gòu)形式為磚石結(jié)構(gòu)，時(shí)間比較久遠(yuǎn)，風(fēng)化較嚴(yán)重，在復(fù)雜的頂升工序中支撐系統(tǒng)工程性能直接影響上部結(jié)構(gòu)的整體性，決定著整個(gè)頂升工程是否能夠順利進(jìn)行。為了保證整個(gè)頂升工程中建筑結(jié)構(gòu)完好無(wú)缺，采取在交替頂升復(fù)雜工序中對(duì)型鋼反力柱進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證整體頂升方案的合理性，以便及時(shí)的調(diào)整頂升方案采取必要的補(bǔ)救措施。

2.2 監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)頂升方案將山門(mén)整體劃分為四個(gè)區(qū)域，即A、B、C、D四個(gè)受力區(qū)，如圖1所示。A、B兩個(gè)區(qū)域關(guān)于結(jié)構(gòu)中軸受力對(duì)稱，其上部為琉璃瓦八字翼墻區(qū)域，重量比較輕，為低受力區(qū)域；C、D上部為山門(mén)所在區(qū)域，為高應(yīng)力區(qū)域；因A、B區(qū)域重心偏于D區(qū)域，在整個(gè)頂升方案中D區(qū)中部為最大受力區(qū)，對(duì)D區(qū)中部型鋼反力柱進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)區(qū)和測(cè)點(diǎn)分別見(jiàn)圖1和圖2所示。

在交替頂升中，大致分為整體頂升、交替回油收頂安裝型鋼反力柱、繼續(xù)整體頂升三個(gè)過(guò)程，主要對(duì)交替回油收頂安裝型鋼反力柱階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)并進(jìn)行數(shù)值分析，在此階段，有部分千斤頂回油，型鋼反力柱將暫時(shí)性退出工作，此時(shí)頂升持力點(diǎn)將減少，會(huì)出現(xiàn)壓力重分布現(xiàn)象，在應(yīng)力較大區(qū)域很可能出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，此時(shí)可對(duì)受力較大區(qū)域D中1、2、3號(hào)型鋼反力柱進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.3 監(jiān)測(cè)設(shè)備

監(jiān)測(cè)設(shè)備采用DH－3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)（如圖3所示），該系統(tǒng)每個(gè)板塊有60個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)限擴(kuò)展，交直流供電，以太網(wǎng)接口。對(duì)試樣進(jìn)行多種模式下應(yīng)變測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)有單次采樣、定時(shí)采樣、間隔采樣、連續(xù)采樣四種模式，連續(xù)采樣可進(jìn)行2Hz的采樣速率不間斷的采樣，可記錄整個(gè)試樣受壓狀態(tài)。內(nèi)部設(shè)有警戒參數(shù)設(shè)置通道，可預(yù)設(shè)警戒值進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超限報(bào)警。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

該文重點(diǎn)對(duì)頂升到位交替回油收頂安裝型鋼反力柱階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別對(duì)柱中截面、相鄰多柱加卸載過(guò)程的內(nèi)力變化情況，以及在此階段頂升壓力重分布對(duì)型鋼柱和上部結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析。

3.1 型鋼柱中截面監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在頂升過(guò)程中通過(guò)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)定報(bào)警參量即彈性極限應(yīng)變0.1%，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均在監(jiān)測(cè)報(bào)警值范圍之內(nèi)，則表明大體上型鋼反力柱均處于安全狀態(tài)；對(duì)于整體頂升工序的復(fù)雜性、施力反復(fù)性等因素，需對(duì)型鋼反力柱進(jìn)行更深層次的監(jiān)測(cè)，施工過(guò)程因素帶來(lái)的偏心受壓會(huì)對(duì)型鋼反力柱整體穩(wěn)定性和承載力帶來(lái)致命性影響。因此對(duì)在反復(fù)頂升過(guò)程中型鋼反力柱中截面強(qiáng)弱軸的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，應(yīng)變圖見(jiàn)圖4所示，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。

表1 交替頂升過(guò)程中柱中截面應(yīng)變值

由圖4和表1，可以發(fā)現(xiàn)在頂升過(guò)程中型鋼反力柱存在雙偏心，并且1、2、3號(hào)柱中部翼緣和腹板產(chǎn)生的橫向應(yīng)變存在一定的差值，根據(jù)文獻(xiàn)［7］中纖維模型法，強(qiáng)軸和弱軸的位移增量不成比例，截面的變形主軸產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)，表明型鋼反力柱存在一定量的扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)對(duì)柱的承載力有不利影響。

3.2 相鄰型鋼柱監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)交替頂升過(guò)程中1、2、3號(hào)型鋼反力柱進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，交替頂升中2號(hào)柱千斤頂?shù)轿换赜褪枕敚穗A段1、2、3號(hào)柱中應(yīng)變的變化值，各柱應(yīng)變值變化曲線見(jiàn)圖5。

從圖5中發(fā)現(xiàn)在交替頂升過(guò)程中，頂升到位后分區(qū)域分批次回油卸載千斤頂，在卸載前輔助千斤頂給壓，對(duì)2號(hào)柱批次進(jìn)行卸載，2號(hào)柱批次千斤頂退出工作，上部結(jié)構(gòu)壓力將重新分布。在曲線中，O點(diǎn)為頂升到位點(diǎn)，O點(diǎn)到D點(diǎn)為輔助頂給壓階段，對(duì)應(yīng)于頂升位移計(jì)的數(shù)值變化輔助頂分為三步給壓即OA、AB、BC段，在此過(guò)程中輔助頂將分擔(dān)上部結(jié)構(gòu)部分重量，主頂所承擔(dān)的荷載適當(dāng)減小，出現(xiàn)類似卸去部分荷載情況，曲線呈現(xiàn)上升階段，平均應(yīng)變?cè)?50×10－6左右；D點(diǎn)為2號(hào)柱批次開(kāi)始回油卸載時(shí)刻，DE為整個(gè)卸載過(guò)程，在此過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，2號(hào)柱批次卸載表現(xiàn)出回彈應(yīng)變的遞增，最大應(yīng)變值小于900×10－6，處于彈性階段；而1、3號(hào)批次柱在壓力重分布后所增加的壓應(yīng)變最大值在200×10－6左右，累積壓應(yīng)變均小于1 000×10－6，則型鋼反力柱尚處于彈性階段。說(shuō)明在交替頂升過(guò)程中，卸載區(qū)域和增設(shè)輔助頂?shù)姆椒群侠碛职踩?duì)于型鋼柱局部受力見(jiàn)圖6，在卸載后1、2、3號(hào)型鋼柱上中下三部分的應(yīng)變值表現(xiàn)出一定的趨勢(shì)，腹板上部應(yīng)變略大于翼緣，在下部應(yīng)力均勻擴(kuò)散翼緣承擔(dān)荷載大于腹板，表現(xiàn)出局部壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響分析

在交替頂升過(guò)程中針對(duì)于以上所監(jiān)測(cè)的現(xiàn)象和問(wèn)題進(jìn)行分析處理，采取了一定的措施避免對(duì)上部結(jié)構(gòu)帶來(lái)影響。1）對(duì)于在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，出現(xiàn)雙偏心扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可以在頂升過(guò)程中對(duì)偏心構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整以及制作過(guò)程中嚴(yán)格控制型鋼柱規(guī)格，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)正糾偏；2）在進(jìn)行卸載時(shí)，要合理的布置卸載區(qū)域以及合理布置輔助千斤頂，從根本上減小卸載過(guò)程對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，確保頂升工程安全順利進(jìn)行；3）在頂升過(guò)程中千斤頂和型鋼柱接觸面會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致鋼柱局部屈曲影響上部結(jié)構(gòu)的安全，在整個(gè)頂升過(guò)程中可通過(guò)布置合理的應(yīng)力擴(kuò)散構(gòu)件，如墊加鋼板、局部加強(qiáng)等措施進(jìn)行加強(qiáng)，避免出現(xiàn)反力柱上端引力集中。

4 結(jié) 論

遇真宮整體頂升工程中，通過(guò)對(duì)交替頂升過(guò)程中型鋼反力柱的受力監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出相關(guān)結(jié)論如下：

a.在交替頂升過(guò)程中，型鋼反力柱存在不同程度的偏心，通過(guò)及時(shí)的調(diào)整和嚴(yán)格控制，避免出現(xiàn)類似現(xiàn)象。

b.劃分合理的頂升卸載區(qū)域以及輔助千斤頂布置區(qū)域，在交替頂升過(guò)程中會(huì)減小對(duì)上部結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，使整個(gè)頂升工程順利進(jìn)行。

c.在整個(gè)頂升過(guò)程中，型鋼反力柱上端存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)影響上部結(jié)構(gòu)的安全，合理加設(shè)壓力擴(kuò)散裝置，避免出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

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