談超高層建筑結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測實施方法★

秦 海

(國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100013)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測作為保障重大工程結(jié)構(gòu)安全的重要技術(shù)，近些年來在世界范圍內(nèi)得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用［1，2］。國內(nèi)外許多超高層結(jié)構(gòu)在施工期間和使用期間引入了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，以便實時掌握結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息。新加坡在一棟66層辦公樓中安裝了加速度計、應(yīng)變計和GPS(Global Positioning System)用以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的靜力和動力特性［3］;世界最高建筑“迪拜塔”中設(shè)置了加速度計、位移計、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用以觀測結(jié)構(gòu)在風(fēng)或地震作用下的動力響應(yīng)［4］;經(jīng)貿(mào)大廈通過安裝傾斜傳感器、加速度傳感器、GPS獲取結(jié)構(gòu)信息，確保結(jié)構(gòu)在施工期間的安全［5］;上海中心大廈通過安裝一套完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)，實時掌握了結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，為施工安全和運營維護提供了保障［6］。目前國內(nèi)外在超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的研究主要集中在傳感器系統(tǒng)布置優(yōu)化、監(jiān)測結(jié)果分析和安全評估方法上［7，8］，而對健康監(jiān)測現(xiàn)場實施過程中存在的不規(guī)范、效率低、有效性差等問題研究較少，本文以在建的某超高層為例(WHGC)，指出其施工期監(jiān)測的重點內(nèi)容，并就相關(guān)監(jiān)測內(nèi)容給出現(xiàn)場實施方法，以期為超高層建筑結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測現(xiàn)場實施提供參考。

1 工程概況

WHGC總建筑面積約 7.1萬 m2，地下 5層，地上120層，建筑高度超過600 m，為“鋼骨巨型柱框架+型鋼混凝土核心筒+伸臂桁架”結(jié)構(gòu)體系，該體系由內(nèi)置異形型鋼混凝土巨柱、內(nèi)置型鋼或鋼板(鋼骨柱)的鋼筋混凝土核心筒、連接核心筒與外框的伸臂桁架、約束結(jié)構(gòu)變形的環(huán)帶桁架以及對應(yīng)樓層結(jié)構(gòu)鋼梁、組合樓板組成，如圖1所示。結(jié)構(gòu)施工采用外框架和核心筒同時進行，具體施工工藝流程為:核心筒施工→外框鋼結(jié)構(gòu)安裝→外框柱混凝土及水平樓板施工→幕墻施工，施工現(xiàn)場如圖2所示。

2 WHGC施工監(jiān)測內(nèi)容

2.1 關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力監(jiān)測

WHGC應(yīng)力監(jiān)測主要是針對結(jié)構(gòu)的豎向承重構(gòu)件和抗側(cè)構(gòu)件，包括核心筒剪力墻、巨柱，伸臂桁架，環(huán)帶桁架。這些構(gòu)件屬于結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件和抗側(cè)構(gòu)件，其損傷會造成整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低。特別是施工期間，受施工荷載和現(xiàn)場環(huán)境影響，構(gòu)件受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)設(shè)計的受力狀態(tài)可能不太一樣，這給施工帶來一定的安全隱患。在此期間進行應(yīng)力監(jiān)測，不僅能夠?qū)崟r掌握結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)施工過程中存在的風(fēng)險，為施工單位調(diào)整施工方案提供依據(jù)，同時監(jiān)測數(shù)據(jù)可以用于校核設(shè)計模型。

2.2 不均勻豎向變形監(jiān)測

WHGC的高度和自重遠遠超過普通建筑，且采用核心筒超前外框架施工，因此在施工過程中核心筒和外框巨柱不可避免的產(chǎn)生豎向變形及變形差。同時，WHGC各層構(gòu)件承受的荷載并不完全相同，不同層的構(gòu)件截面形式也有所不同，因此在設(shè)計和施工階段如果沒有考慮豎向變形的作用，會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響;結(jié)構(gòu)的連接梁和伸臂桁架因豎向變形差產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，從而降低結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性;較大的豎向變形對幕墻電梯安裝、機電消防管道的定位有一定的影響。所以對于超高層建筑來說，施工期間豎向變形監(jiān)測是必不可少的一項工作。

2.3 沉降監(jiān)測

圖1 WHGC結(jié)構(gòu)示意圖

WHGC屬于高度超限的超高層建筑，結(jié)構(gòu)施工過程中，在上部施工荷載和周圍環(huán)境影響下，基礎(chǔ)可能會產(chǎn)生不均勻沉降。而過大的不均勻沉降會造成建筑主體結(jié)構(gòu)破壞，甚至發(fā)生倒塌，造成巨大的經(jīng)濟損失，危害人身安全。因此有必要開展WHGC施工過程沉降監(jiān)測工作，指導(dǎo)正確施工，確保在整個施工過程中，基礎(chǔ)不會發(fā)生影響結(jié)構(gòu)安全的不均勻沉降，見圖1，圖2。

3 施工監(jiān)測現(xiàn)場實施方法

3.1 應(yīng)力監(jiān)測現(xiàn)場實施

結(jié)合WHGC施工特點，應(yīng)力監(jiān)測采用適應(yīng)性強，且性能穩(wěn)定可靠的振弦傳感器，其監(jiān)測原理是:振弦頻率與弦拉力成正比，通過獲取弦的頻率數(shù)據(jù)來計算出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力。應(yīng)力監(jiān)測現(xiàn)場實施包括傳感器安裝、數(shù)據(jù)采集。

1)傳感器安裝。為獲取監(jiān)測點從構(gòu)件成型直至塔樓結(jié)構(gòu)竣工全過程的應(yīng)力變化情況，應(yīng)按照事前制定的監(jiān)測方案完成傳感器布設(shè)。值得注意的是:監(jiān)測方案中監(jiān)測點位置是以WHGC施工過程模擬和方案制定者的經(jīng)驗確定的，而現(xiàn)場實際施工情況往往和前期計算假定有所區(qū)別，另外監(jiān)測方案無法準(zhǔn)確確定傳感器的具體位置。因此確定傳感器安裝位置時應(yīng)以監(jiān)測方案為指導(dǎo)，并綜合考慮現(xiàn)場實際施工情況和易于維護。WHGC振弦傳感器安裝方式分為表貼式和埋入式，表貼式又分為鋼結(jié)構(gòu)表貼式和混凝土表貼式。鋼結(jié)構(gòu)表貼式傳感器應(yīng)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝焊接穩(wěn)固后及時安裝;混凝土表貼式傳感器應(yīng)在現(xiàn)場拆模清理后及時安裝，傳感器現(xiàn)場安裝如圖3所示。埋入式傳感器應(yīng)在鋼骨架安裝焊接穩(wěn)定后及時安裝，以免錯過時機無法完成安裝，傳感器現(xiàn)場安裝如圖4所示。埋入式傳感器安裝后，后續(xù)施工步驟包括綁扎鋼筋、支模、澆筑混凝土，而這些施工工序都易造成傳感器損壞，因此在安裝后應(yīng)向現(xiàn)場作業(yè)隊伍進行監(jiān)測設(shè)備保護意識宣傳，另外加大現(xiàn)場巡視頻次，確保傳感器在混凝土澆筑完成時監(jiān)測點完好無損。

圖2 施工現(xiàn)場圖

圖3 表貼式傳感器現(xiàn)場安裝圖

圖4 埋入式傳感器現(xiàn)場安裝圖

2)數(shù)據(jù)采集。目前數(shù)據(jù)采集的方式可分為人工采集和自動化采集。自動化采集是通過設(shè)計連接線路將傳感器集中到采集系統(tǒng)，利用采集系統(tǒng)實時獲取應(yīng)力監(jiān)測點處應(yīng)力值;人工采集是通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備單點采集數(shù)據(jù)。超高層施工期間現(xiàn)場環(huán)境極為復(fù)雜，且現(xiàn)場傳感器極為分散，要完成自動化采集需要設(shè)計大量的連接線路和一定數(shù)目的采集系統(tǒng)，這將大大增加監(jiān)測成本。實際上，WHGC施工速度維持在4 d/層～5 d/層，且隨著施工高度的增加速度會逐漸降低，施工期間荷載隨時間變化不大，因此WHGC選擇成本較低的人工采集方式。混凝土監(jiān)測點處采集頻率定為4 d;鋼結(jié)構(gòu)對溫度變化較為敏感，因此鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測點采集頻率定為4 d，采集時選擇當(dāng)天溫度較高和較低時分別采集一次。

3.2 豎向變形監(jiān)測現(xiàn)場實施

WHGC豎向變形監(jiān)測采用五角基座(配同型號的伸長頭)、水準(zhǔn)儀和全站儀。其監(jiān)測原理是:利用施工單位提供的水平控制網(wǎng)點，通過全站儀將標(biāo)高引測到監(jiān)測樓層的引測點，再以引測點為基準(zhǔn)，通過水準(zhǔn)儀獲取監(jiān)測點位的高程信息，從而計算出結(jié)構(gòu)的豎向位移。

1)基座安裝。監(jiān)測點使用五角基座，其優(yōu)點在于:基座與結(jié)構(gòu)外表面平齊，不會影響現(xiàn)場施工。基座是通過在核心筒和外框巨柱混凝土表面鉆孔安裝，具體如圖5所示。同時為獲取好的測量效果，在滿足監(jiān)測目的前提下，基座應(yīng)安裝在可視性較好的位置。

2)數(shù)據(jù)采集。WHGC豎向變形監(jiān)測數(shù)據(jù)通過人工測量方式進行獲取。測量應(yīng)選擇光線良好且風(fēng)速較小的天氣進行，另外，測量時應(yīng)避開現(xiàn)場混凝土澆筑時段，減小施工環(huán)境對測量結(jié)果的影響。WHGC正常施工速度在4 d～5 d每層，因此采集頻率定為每月一次，如遇到現(xiàn)場開停工或其他突發(fā)事件，也應(yīng)進行采集。整個施工監(jiān)測過程中，應(yīng)加強對監(jiān)測點進行巡視檢查，確保監(jiān)測點處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 基座安裝現(xiàn)場圖

3.3 沉降監(jiān)測現(xiàn)場實施

沉降監(jiān)測是基于施工單位的平面控制網(wǎng)點，通過水準(zhǔn)儀測量各沉降監(jiān)測點的高程，進一步得到結(jié)構(gòu)的沉降速率。

WHGC沉降監(jiān)測包括基礎(chǔ)沉降監(jiān)測和后澆帶兩側(cè)沉降監(jiān)測，因此監(jiān)測點布置在核心筒一層剪力墻和后澆帶兩側(cè)，具體監(jiān)測點位詳見圖6，其中Q1～Q12為基礎(chǔ)沉降監(jiān)測點、N1～N17～W1～W17為后澆帶兩側(cè)沉降監(jiān)測點，BM1～BM3為施工單位提供的3個基準(zhǔn)點。

圖6 沉降監(jiān)測點位圖

1)基座和沉降釘布設(shè)。

基礎(chǔ)沉降監(jiān)測點與豎向位移監(jiān)測點一樣，采用五角基座配同型號伸長頭方法，后澆帶兩側(cè)監(jiān)測點則采用沉降釘。考慮到后澆帶兩側(cè)為各材料堆場區(qū)，監(jiān)測點容易遭到覆蓋或破壞，現(xiàn)場埋設(shè)好沉降釘后應(yīng)做好保護措施。

2)數(shù)據(jù)采集。

與豎向變形一樣，沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)采集也定為每月一次，如遇到現(xiàn)場開停工或其他突發(fā)事件，也應(yīng)進行采集。另外，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常或沉降速率明顯過快，應(yīng)該進行復(fù)測，并在一定時間內(nèi)進行加密測量，直至沉降恢復(fù)穩(wěn)定。

4 結(jié)語

結(jié)合WHGC主塔樓監(jiān)測項目，重點介紹了關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力、豎向變形和沉降監(jiān)測現(xiàn)場實施方法。應(yīng)力監(jiān)測現(xiàn)場實施需要把握好傳感器安裝時間和位置，并通過向現(xiàn)場作業(yè)隊伍進行監(jiān)測設(shè)備保護意識宣傳和現(xiàn)場巡視確保傳感器不遭到破壞，另外根據(jù)超高層施工進度，建議采數(shù)頻率為4 d。豎向變形監(jiān)測和沉降監(jiān)測現(xiàn)場實施需要將監(jiān)測點設(shè)置在可視性、通透性較好的地方，另外根據(jù)超高層施工進度，數(shù)據(jù)采集頻率為1月，采集數(shù)據(jù)時應(yīng)避開混凝土澆筑和陰雨天。

需要注意的是:監(jiān)測的實施需要項目團隊結(jié)合現(xiàn)場施工環(huán)境，不斷進行優(yōu)化，來獲取最佳的實施方案。