大截面型鋼混凝土梁施工對策及智能監控

王東云 殷志堅 王培勝 周益眾 戴瑩芝 龔安燦 李 強

1. 浙江省二建建設集團有限公司 浙江 寧波 315202；2. 河南工業大學土木工程學院 河南 鄭州 450001；3. 溫州肯恩大學 浙江 溫州 325060；4. 浙大寧波理工學院土木建筑工程學院 浙江 寧波 315100

大截面型鋼混凝土梁是采用大尺寸截面型鋼梁與混凝土共同組成的結構受力體系，其通過減小軸向壓力，提高了結構穩定性，在使用過程中具有防火防腐蝕、提高剛度與承載力等優點[1-2]。

隨著我國建筑水平與建造能力的不斷提高，型鋼混凝土梁得到了廣泛應用。但由于我國型鋼混凝土梁的研究與發展較晚，在民用建筑使用中產生了很多施工問題，比如型鋼梁安裝定位不準、梁板節點細部做法不明確以及節點處混凝土澆筑質量不良等[3-4]。

針對型鋼梁安裝定位不準的問題，李磊等[5]提出了在安裝過程中實時校核標高、軸線并通過高強螺栓連接而后焊接的解決方法。

針對節點細部做法不明確的問題，蔣永生等[6]優化型鋼混凝土梁節點配筋設計，提出了新型節點設計方法。

針對節點處混凝土澆筑質量不良的問題，高勇剛等[7]優化節點鋼筋布置，采取預留穿筋孔、繞開鋼柱等措施，王成[8]則通過將細石混凝土強度提高一個等級，并對布料點位鋼筋進行局部松脫，取得了較好的施工效果。

隨著物聯網監測技術的發展，基于物聯網技術的智能監控正在逐步使用。物聯網智能監控是利用物聯網的特點，通過傳感器獲取結構特征參數，利用通信網絡實現數據自動采集與傳輸[9]。通過相關軟件處理后，可以在后結構施工過程中實時監測已建前結構的性能變化情況，對其安全狀況進行評估[10]。

王穎[11]采用Zigbee無線通信技術（動態組網，抗干擾性強），實時監測隧道內各種有關施工安全的參數，確保安全施工和實現精確化管理。

王亞瓊等[12]對接觸力進行施工監控量測，降低了工程造價并進行了科學有效的監控和預警。

孔令威[13]通過結構受力分析得出撓度在型鋼梁中跨較大，并在型鋼梁中跨及立柱底部安裝了撓度監測設備進行監測。

蔣田勇等[14]在型鋼梁翼緣板內安裝傳感器對結構界面進行損傷監測，通過分析信號幅值，監測和評價了界面損傷狀況。

可以看出，目前對于隧道及部分普通型鋼混凝土結構的監測應用較多，而針對大截面型鋼混凝土梁智能監控的研究還相對缺乏。

本文以溫州肯恩大學學習與活動中心項目為研究對象，針對大截面型鋼混凝土梁施工過程中存在的若干問題，給出了相應的施工對策。并通過無線傳感設備獲取大截面型鋼混凝土梁的應變和位移信息，通過分析監控數據，探究上層結構施工時對下層大截面型鋼混凝土梁的影響，進行了大截面型鋼混凝土梁的智能監控。

1 工程概況

溫州肯恩大學學習與活動中心工程，總建筑面積24 498.36 m2，建筑高度31.165 m。型鋼采用Q345B，型鋼梁混凝土采用C30混凝土，型鋼梁凈長均為18.9 m，梁沿軸線方向有2種截面形式：800 mm×2 750 mm、800 mm×2 200 mm。在結構施工過程中，大截面型鋼混凝土梁位于結構3層，具體位置如圖1所示。

圖1 大截面型鋼混凝土梁結構位置

2 大截面型鋼混凝土梁施工問題及對策

在大截面型鋼混凝土梁施工過程中，項目人員發現有型鋼混凝土梁與疊合板連接不合格、型鋼混凝土梁連接節點存在孔洞等病害現象。為此，項目部成員以項目實際情況為主線，通過理論學習、現場實踐學習、頭腦風暴法，從人、機、料、法、環、測六個角度，歸集出影響型鋼混凝土梁施工質量的因素。提出在施工過程中導致質量問題的三個要因：型鋼梁安裝位置定位不準、梁板節點細部做法不明確和節點處混凝土澆筑質量不良。

2.1 型鋼梁安裝位置定位不準

大截面型鋼混凝土梁截面尺寸大，節點施工質量要求高。型鋼梁與鋼筋連接的部位多且箍筋排布密集等原因會造成型鋼梁的定位不準。

在型鋼梁安裝的相關工程案例中，蔡建軍等[15]使用大節段吊裝方法采取分階段實時調整措施，對大橋鋼箱梁的安裝架設進行控制，肖洪濤等[16]在大跨度鋼結構安裝中采用分區域吊裝措施，鋼梁安裝時用全站儀進行定位，保證了安裝精度。以上學者研究表明，采取分階段實時調整技術與測量精度實時控制技術能夠起到較好的施工效果。

對策實施：針對型鋼梁吊裝定位問題成立專項施工小組，進行鋼梁質量控制方案多方討論會，并確定施工方案如下：

1）做好預埋件的安裝定位復查，即鋼梁與混凝土柱的預埋件，鋼梁與圓鋼柱安裝加勁板的連接，并在吊裝前做好梁底板鋪設工作。

2）根據現場實際情況，低層采用吊車吊裝，高層用塔吊進行吊裝。先將梁吊裝做臨時連接并找正位置，中心線互相對準，在安裝過程中，利用水平調節絲桿來調節垂直度。安裝型鋼梁時，施工人員觀測并實時調整其軸線、標高、垂直度偏差值并根據觀察結果調整模板間隙（圖2、圖3），符合規范要求后用高強螺栓暫時連接。

圖2 施工過程實測實量

圖3 實時調整模板間隙

3）在高強螺栓連接后，采用人工測量復核。人工復核其軸線、標高、垂直度偏差值，確保型鋼梁安裝符合規范要求，無誤后再進行對接焊接。

2.2 梁板節點細部做法不明確

疊合板與型鋼梁連接節點處鋼筋排布密集，鋼筋施工不能滿足鋼結構的組裝要求，節點詳圖深化的過程中存在缺陷。

在明確細部構造做法的相關案例中，柴文靜等[17]通過使用有限元軟件分析型鋼混凝土梁柱節點，采取針對細部結構的合理措施，明確了型鋼混凝土組合結構的構造。田東等[18]、張雪龍等[19]采用BIM技術針對建筑結構細部構造設計了三維數據模型，解決了細部構造復雜造成的施工困難問題。

對策實施：項目部采用BIM技術與現場施工相結合的方式。一方面使用BIM技術以可視化的角度引導，一方面以緊抓現場標準施工為手段，使梁板細部做法與BIM技術形成緊密銜接。BIM結構3D模型如圖4所示。

圖4 BIM結構3D模型

嚴格按照圖紙進行大截面型鋼梁施工，在梁板鋼筋綁扎過程中與BIM圖認真比對，確保節點細部構造準確合理，現場實施如圖5所示。

圖5 型鋼梁板節點現場施工

2.3 節點處混凝土澆筑質量不良

型鋼混凝土梁節點處大量的梁柱縱筋、箍筋與型鋼交叉，配筋構造復雜，且型鋼骨架含有栓釘，梁寬較窄，加之下翼緣板空間較小，混凝土的澆筑極易造成漏振或大面積蜂窩（圖6），且在澆筑過程中，振動棒不易插拔。另外，模板合縫不嚴等也易引起混凝土澆筑困難產生漏漿（圖7）。

圖6 大截面型鋼梁底部蜂窩麻面

圖7 疊合板與大截面型鋼混凝土梁交接處漏漿

在處理節點混凝土澆筑不良的相關工程案例中，張玉品等[20]優化了大截面型鋼混凝土梁的配筋設計；黃昕等[21]、李玉梅等[22]優化施工工藝，使梁邊部鋼筋繞開鋼柱并將鋼筋以傾斜角度繞行，同時在混凝土澆筑時制定專項方案，保證了混凝土的澆筑質量。

對策實施：實施方案主要從鋼筋和混凝土這2個方面來考慮。

2.3.1 鋼筋方面

針對梁柱縱筋、箍筋與型鋼交叉的問題，在型鋼腹板部分，通過開孔使梁主筋順利穿過，開孔時選擇機械打孔方式，避免明火。對于其他不能打孔的，采取改道等措施解決。

針對梁底縱筋和疊合板縱筋過密的問題，加大鋼筋間距定位措施，按照規范綁扎確保相鄰鋼筋間距均勻，避免由于布置位置不準造成鋼筋積聚。并在鋼筋密集區對鋼筋采取區域留孔措施。

2.3.2 混凝土方面

針對混凝土澆筑困難的問題，在滿足混凝土配合比及各種規范的前提下適當調整混凝土粗骨料粒徑（最大公稱粒徑不大于25 mm）來滿足澆筑要求。澆筑的具體操作要點如下：

1）由于型鋼梁柱節點部位鋼筋多，合模后不易掌握內部鋼筋情況，故指導現場施工者熟悉內部鋼筋總體布置。對于鋼筋過密、振動棒下不去區域，采取區域留孔措施，對鋼筋位置進行微調，保證底部施工振搗空間。

2）混凝土振搗時以混凝土表面出現浮漿，且不再下沉為實施標準。

3）振搗棒不碰到鋼筋、模板，澆筑過程中由專人看管，發現問題及時解決。

為驗證以上采取的措施是否有效，項目總工及工段負責人現場檢查施工質量，結果表明截面尺寸符合圖紙設計，施工質量符合規范要求，無孔洞、蜂窩麻面等外觀質量缺陷，證明采取的措施取得了良好效果。大截面型鋼混凝土梁拆模后現場如圖8所示。

圖8 拆模后大截面型鋼混凝土梁

3 基于物聯網技術的大截面型鋼混凝土梁監測控制

3.1 監測設計

該項目建造的多功能廳采用型鋼柱加框支型鋼梁，其頂部的大截面型鋼混凝土梁施工較復雜且面臨其他工段施工的干擾風險，為防止由于型鋼梁質量控制不良導致的施工質量問題，項目技術人員采用在大截面型鋼梁上安裝振弦式應變計、振弦式測縫計等傳感器，利用無線傳輸功能，實時獲取型鋼混凝土梁的應變和位移等信息。

型鋼梁應變監測設備選取基康BGK-4000振弦式應變計，測量應變精度可達0.01 με，應變計采用環氧樹脂膠固定安裝在型鋼梁側面梁底位置。型鋼梁的下撓監測設備為基康BGK-4420振弦式裂縫計，測量精度可達0.01 μm，裂縫計通過鉆孔固定安裝在A型鋼梁跨中梁底位置。安裝測試位置如圖9、圖10所示。

圖9 多功能廳頂部結構平面

圖10 A型鋼梁立面及測點布置

3.2 監測過程及結果分析

以圖9編號A、B的大截面型鋼梁為研究對象，采用物聯網監控系統加以人工巡檢的方式對其進行施工期安全保護監測。該系統根據有關研究和相應技術規范，對圖9、圖10所示的位置進行重點監控，監控內容包括型鋼梁的應變和下撓。以A型鋼梁為例，每根梁設置3處應變傳感器監測位置，3個位置編號分別為A-Y1、A-Y2、A-Y3（A-Y1表示A型鋼梁Y1位置），另外編號為A的型鋼梁另設1根位移傳感器測量該梁的下撓。

儀器監測時間從8月28日至9月28日，共31 d，監測期間內，工程進行了型鋼梁處內架的拆除、5層梁板的支模及澆筑等過程，為方便分析上部結構施工對型鋼梁的影響，對型鋼梁區域進行結構簡化，如圖11所示。

圖11 監測前后局部結構變化

在監測的31 d內，工程先后進行了5層梁板支模架的安裝、多功能廳內架的拆除、多功能廳相鄰區域和所在區域的5層梁板澆筑及養護，對A、B型鋼梁下撓、應變進行監測，并對各施工階段的數據進行處理，結果如圖12～圖15所示。

圖12 監測位移

圖14 B型鋼梁應變變化情況

圖15 A、B型鋼梁相同位置應變對比

由圖12可以看出：型鋼梁總體呈下撓趨勢。在開始監測后的1 d內，梁下拱增大，因該區域4層自那天起開始搭設5層梁板支模架，在開始監測的15 d后，5層梁板相鄰區域進行澆筑，型鋼梁下撓再次明顯增大。在監測的20 d后，該區域5層梁板進行澆筑，但型鋼梁的下撓趨于穩定。在監測的31 d時間里，型鋼梁的總下撓約為0.45 mm。根據組合結構設計規范，其應變、位移測試數據滿足大截面型鋼梁安全規范，說明上部結構施工時，型鋼梁下撓值很小，結構處于安全狀態。

由圖13、圖14可以看出：A型鋼梁監控期間Y1、Y2、Y3處應變最大值為19、50、67 με，應變最小值分別為－75、－37、－40 με；B型鋼梁Y1、Y2、Y3處應變最大值為25、38、90 με，應變最小值分別為－37、－35、－40 με。

通過兩根型鋼梁對比（圖15）看出，在開始監測19 d之后，A-Y3處應變與B-Y3處應變大小基本一致，但A-Y1處應變與B-Y1處應變相差約40 με，兩梁Y2處應變相差約10 με。但通過施工圖紙了解到A-Y1位置配筋率比B-Y1配筋率大。

綜合上述信息，分析Y1處應變差值較大的主要原因是型鋼梁、柱節點施工時存在差異。由于型鋼梁中節點處大量的梁柱縱筋、箍筋與型鋼交叉，造成澆筑質量不佳。另外，Y1位置構造比Y3位置復雜，故Y1位置兩根型鋼梁應變有40 με的應變差，而Y3位置兩根型鋼梁應變相差不大。

4 結語

基于溫州肯恩大學學習與活動中心項目對大截面型鋼混凝土梁施工過程中的問題進行分析，同時采用基于物聯網傳輸技術的監測方法，對大截面型鋼混凝土梁進行智能監控。根據工程施工對策及智能監控結果分析，可以得出以下結論：

1）大截面型鋼混凝土梁在施工過程中的主要問題是型鋼梁安裝定位不良和細部構造不明確，以及梁柱節點混凝土澆筑質量不良。

2）為應對施工問題而采取的措施是有效的，且與相關文獻的案例處理方法具有相似之處，能夠達到較好的處理效果。

3）根據大截面型鋼混凝土梁智能監控的數據可以得出下撓處于安全狀態，而應變的變化趨勢與施工時結構應變的變化趨勢一致。

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