大跨度鋼連廊應力、應變監測技術

中建三局第一建設工程有限責任公司 武漢 430040

1 工程概況

荊門政務中心由2棟4層、1棟15層的辦公樓（連體結構）及地下1層停車庫組成。15層的辦公樓采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，中間43 m跨連接體采用鋼結構。

鋼連廊分別位于辦公樓4層、12層和屋面層，跨度43 m，結構形式為大框架結構，質量約為1 700 t。鋼連廊中的鋼箱梁最大截面為1 800 mm×700 mm×30 mm×40 mm，桁架結構鋼箱梁截面1 400 mm×400 mm×20 mm×20 mm。連廊兩側固定于辦公樓鋼骨混凝土柱上，鋼骨柱截面為H型鋼，最大截面尺寸為700 mm×700 mm×20 mm×36 mm，鋼骨梁連接鋼骨柱，最大截面尺寸為400 mm×400 mm×36 mm×36 mm，總計用鋼質量約1 300 t（圖1）。

本工程鋼結構連廊安裝高度高，縱橫向跨度大，結構桿件眾多，質量較大。若采用常規高空散裝方案，需要搭設大量高空腳手架，高空組裝焊接工作量巨大，并且存在較大的安全質量風險。為了降低施工成本，提高施工安全性并縮短施工工期，本工程鋼連廊施工采用地面拼裝，然后整體液壓同步提升就位的施工工藝。

圖1 鋼結構細節分布示意

為了保證整體提升施工的安全及整體結構安全，有必要在施工階段對鋼連廊整體提升時的變形和受力情況進行監測，并結合有限元模型，對鋼結構在整個結構施工過程中進行數值模擬分析及安全評價[1,2]。

2 監測方法

2.1 應力監測

由于待測桿件較為分散，測試時間較長，擬采用JMZX-212AT數碼弦式應變計和JMZX-200X應變測試儀測試桿內力。該方法穩定性好，且不受測量導線長度影響，靈活方便，特別適合長期監測。

應力測試時，在每根監測桿的中央區段，沿桿軸方向在一條直徑上布置一個應變傳感器測量桿應變，利用桿截面積和材性試驗獲得的彈性模量計算桿應力。

JMZX-212AT記憶溫度型表面應變計用于長期監測各種結構受荷載作用下的表面應變、應力。JMZX-212AT記憶溫度型表面應變計量程±1 500 μ ε，靈敏度1 μ ε。安裝于鋼結構表面，鋼結構采用點焊方式安裝。內置電子編號、型號、標定參數，直接顯示結構應變， 存貯測值400～600 次。

為了保證監測數據的完整性，在監測桿件安裝就位之后、未受力之前安裝鋼弦式應變計。為保證鋼弦式應變計和桿件變形的一致性，兩者采用焊接連接。為了保證鋼弦式應變計的安裝成功率，防止由于施工造成的破損、移位、導線斷路等，布設時走線應盡量避免各種施工干擾因素，并做好相應的防護工作[3,4]。本工程主要是監測受力桿件的軸向應力，鋼弦式應變計應沿桿件軸向方向布置，由于安裝工藝限制，傳感元件的軸線與桿件的軸線不可避免地存在上下、左右偏差，安裝時應盡量保證兩軸線平行。

2.2 應變監測

本項目采用全站儀和數字水準儀測量位移。監測時在桿件未受力狀態下，在同一水平高度位置固定一組反光片，在鋼連廊整體提升過程中，實時對各個反光片進行測量記錄，得出桿件下撓應變。

3 監測點布置

根據本項目結構布置方案，選定表1中構件布置測點。

表1 測點數量一覽表

4 監控頻次

為了真實反映施工過程中結構的變化情況，所有監測項目在構件安裝之前安裝傳感器并調試，安裝完畢后均進行測試。

每層連廊在吊裝過程中測試5次，分別為吊裝前、連廊脫離臨時支撐時、提升到中間部位時（為保證測試人員安全，僅測位移，不測應變）、吊裝就位后、安裝就位后5個階段。同時，根據現場情況和業主方要求，可適當加密采樣頻次，以滿足施工安全要求，并應注意各監測項目之間的頻次協調。

每層連廊在安裝完畢后測試2次，分別為屋面板或樓面板安裝前、屋面或樓面裝修前。

測試工況安排如下：

初始值測試：在待測構件尚未受力時測試初值；

工況1：待測構件起吊懸空后；

工況2：待測構件起吊懸空，持荷24 h后；

工況3：待測構件起吊至10層時；

工況4：待測構件起吊到位，安裝臨時支撐后；

工況5：待測構件與連接構件焊接安裝完成；

工況6：屋面板或樓面板澆筑后。

5 監測結果

屋面層連廊在測試過程中，因現場測試條件限制，未測試工況3、工況4的應力情況，3-7#、3-8#測點傳感器因保護不當而在工況5時失效。測試結果中，最大應力發生在工況2時的3-6#測點，最大值為85.47 MPa，該測點為屋面層連廊中框梁的跨中測點。

屋面層連廊撓度測點在工況1到工況6期間的測試結果如表2所示，其中安裝吊裝過程中最大位移發生在工況2時的3-5#測點，最大值為38 mm，該測點為屋面層連廊61.800 m標高處T軸交11-16軸鋼箱梁（GKL2）的跨中測點；14層樓面板澆筑完成后，GKL1的跨中撓度為44.5 mm，GKL2的跨中撓度為65.5 mm。

表2 屋面層連廊位移測試結果

12層連廊在測試期間的結果如表3所示，測試過程中，因現場安裝程序調整，未測試部分工況的撓度情況。其中最大位移發生在工況1時的2-5#測點，最大值為37 mm，該測點為GKL1的跨中測點；樓面板澆筑完成后，HJ3的跨中撓度為23.5 mm，GKL1的跨中撓度為18.5 mm。

4層連廊在測試過程中，因現場安裝程序調整，亦未測試工況1～工況3的應力情況，1-3#、1-8#測點傳感器因保護不當在連廊提升過程中失效。測試結果中，最大應力發生在工況4時的1-12#測點，最大值為100.80 MPa，該測點為中桁架HJ2的支座腹桿測點；跨中下弦最大應力為84.63 MPa，發生在邊桁架HJ1的安裝完畢之后。

表3 12層連廊位移測試結果（單位：mm）

4層連廊在測試期間的結果如表4所示，測試過程中，因現場安裝程序調整，未測試工況1～工況3的撓度情況。其中最大位移發生在工況4時的1-2#測點，最大值為20 mm，該測點為邊桁架HJ1的跨中測點；樓面板澆筑完成后，邊桁架HJ1的跨中撓度為14 mm，中桁架HJ2的跨中撓度為15.5 mm。

6 結語

荊門政務中心工程鋼連廊提升施工通過上述應力、應變監測技術，達到結構施工階段結構安全的目的，目前工程結構施工已全部完畢，監測系統運行正常，反映結構施工階段各項指標均有效控制在安全允許范圍內[5,6]。

表4 4層連廊位移測試結果（單位：mm）