大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間張弦桁架施工全過程監(jiān)測與分析

翟 雷，李文濤，王永生，韓正虎，周勝利，袁 帥，王宏浩，吳 超

(中國建筑第二工程局有限公司華東公司，上海 200135)

0 引言

我國鋼結(jié)構(gòu)多按運營狀態(tài)設(shè)計，但施工過程中鋼結(jié)構(gòu)受力及構(gòu)件內(nèi)部變形等情況與運營階段有很大差別。尤其是大跨度空間張弦結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)形式和受力狀態(tài)非常復(fù)雜，施工過程中采用不同施工順序或施工方法，對結(jié)構(gòu)的影響均不同。因此，設(shè)計參數(shù)并不能很好地為施工過程中的結(jié)構(gòu)安全提供保障，施工過程中的累積誤差甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失衡倒塌。為保證鋼結(jié)構(gòu)施工過程的精確、安全、穩(wěn)定，須合理選擇施工方法及施工順序，同時針對結(jié)構(gòu)整體及關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行施工全過程健康監(jiān)測。

近幾年來，國內(nèi)對健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用與研究逐漸增多，但由于健康監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，成本較高，我國結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)多以橋梁結(jié)構(gòu)為主。如李鵬飛[1]對濱州黃河公路大橋健康監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)開展了研究；李愛群等[2]基于健康監(jiān)測數(shù)據(jù)對潤揚大橋進(jìn)行全生命周期監(jiān)測與分析。針對大跨度鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究較少。

本文對合肥濱湖國際會展中心二期項目施工全過程進(jìn)行監(jiān)測與分析，反向驗證設(shè)計的合理性，指導(dǎo)現(xiàn)場安全高效生產(chǎn)，并為后續(xù)類似工程施工提供參考。

1 工程概況

合肥濱湖國際會展中心二期項目位于安徽省合肥市濱湖新區(qū)，其中綜合展館結(jié)構(gòu)長192m、寬170m，下部為鋼框架結(jié)構(gòu)，上部為大跨度張弦桁架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)BIM三維效果如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)BIM三維效果

綜合展館鋼結(jié)構(gòu)主桁架共10榀，單跨144m，拱高10.7m，單榀重約165t。次桁架共36榀，單跨18m，單榀重約11t，均為倒三角桁架。主桁架兩端為鑄鋼節(jié)點，材質(zhì)為ZG20SiMn，西側(cè)支座為固定鉸接支座，東側(cè)支座為單向滑動支座。桁架下張拉索為半平行PE索，規(guī)格為φ7×586，1670級。索體直徑為218mm，為國內(nèi)民用建筑最大尺寸索體。最大索力為3 682.9kN。單品桁架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單榀桁架結(jié)構(gòu)示意(單位：m)

桁架為一端滑動、一端為固定支座，滑動端滑程為-270～50mm。

2 施工工藝

合肥濱湖國際會展中心二期綜合展館大跨度張弦桁架采用累積滑移的施工方法，綜合展館南側(cè)為桁架拼裝區(qū)，軸位置為桁架組裝滑移區(qū)。綜合展館結(jié)構(gòu)施工平面布置如圖3所示。

圖4 拼裝胎架及滑移軌道布置

桁架通過滑靴結(jié)構(gòu)與滑移軌道連接，滑靴結(jié)構(gòu)傳遞豎向荷載至滑移軌道、頂推設(shè)備。每個支座兩側(cè)各設(shè)置1個滑靴。支座處滑靴節(jié)點如圖5所示，支座處模型如圖6所示。

圖5 支座處滑靴節(jié)點詳圖

圖6 支座處模型

圖7 滑移梁立面

為保證滑移整體安全平穩(wěn)，安裝完成2榀桁架后，將第1組桁架滑移至胎架懸挑位置，掛索并分級張拉完成，屋蓋結(jié)構(gòu)累積滑移完成后(含原位吊裝部分)，安裝支座后進(jìn)行卸載，檁托可隨桁架吊裝前完成安裝。

3 施工全過程健康監(jiān)測

屋面為張弦空間桁架結(jié)構(gòu)，主桁架跨度為144m，跨度大，屋蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)鍵構(gòu)件節(jié)點多，且采用累積滑移施工，施工難度極大。根據(jù)GB 50982—2014《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[3]，對合肥濱湖國際會展中心二期項目的施工過程進(jìn)行監(jiān)測與分析，建立鋼結(jié)構(gòu)整體模型，通過有限元軟件模擬鋼構(gòu)件拼裝、空間桁架累積滑移、預(yù)應(yīng)力索張拉和支座卸載的施工全過程。對應(yīng)力水平較高的構(gòu)件及承受較大施工荷載的構(gòu)件節(jié)點進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，以確保結(jié)構(gòu)在施工及運營期間使用安全[4-6]。

施工階段監(jiān)測包括拉索索力、主要構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變及溫度(撐桿、弦桿、腹桿、倒三角抗風(fēng)柱)、屋蓋桁架變形、滑動支座位移。

健康監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)基站、服務(wù)平臺組成。數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)為在各測點安裝的監(jiān)測設(shè)備，每臺監(jiān)測設(shè)備連接1個數(shù)據(jù)傳送裝置，將設(shè)備采集數(shù)據(jù)實時傳送出去；施工現(xiàn)場設(shè)置1個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)基站，接收設(shè)備傳送出來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺服務(wù)平臺；服務(wù)平臺對中轉(zhuǎn)基站發(fā)送出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理存儲，可通過電腦、手機(jī)等終端隨時查看。所有數(shù)據(jù)傳輸均為無線傳輸，工作原理如圖8所示。

圖8 無線傳輸工作原理

分析不同構(gòu)件，針對其受力特點進(jìn)行測點布置[5]。

拉索為屋面桁架結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，施工時通過調(diào)整拉索索力進(jìn)行調(diào)差，使結(jié)構(gòu)接近設(shè)計狀態(tài)，索力偏差對施工過程中的結(jié)構(gòu)狀態(tài)產(chǎn)生重要影響，同時也確定了結(jié)構(gòu)施工完成后的實際狀態(tài)。屋蓋共10榀主桁架，每榀桁架下對應(yīng)1根拉索，對應(yīng)布置2個索力測點(見圖9)，分別布置在端部和跨中，共20個測點，每個測點有2個傳感器。

圖9 索力監(jiān)測點布設(shè)位置

每根拉索上有15根撐桿，選取其中4根進(jìn)行撐桿應(yīng)力應(yīng)變及溫度檢測，每根撐桿設(shè)置2個測點，10榀桁架共80個測點。

施工階段主桁架監(jiān)測點設(shè)置在上弦，根據(jù)模擬驗算結(jié)果，選取滑移時最大內(nèi)力位置，在三等分點各布置2個測點。主桁架弦桿之間連接腹桿選取8根，每根設(shè)置1個測點，如圖10所示。

圖10 桁架及撐桿監(jiān)測點布設(shè)位置

滑移施工時，滑移梁為關(guān)鍵受力構(gòu)件，其穩(wěn)定性關(guān)系到整個滑移過程的同步性和安全性[8-9]，根據(jù)滑移梁受力云圖，在2條滑移長軌的滑移梁上弦及八字撐處設(shè)置應(yīng)變傳感器，監(jiān)測滑移梁在滑移及張拉過程中的應(yīng)力應(yīng)變。監(jiān)測點布設(shè)如圖11所示。

圖11 滑移梁監(jiān)測點布設(shè)

4 健康監(jiān)測結(jié)果分析

應(yīng)力應(yīng)變傳感器2min發(fā)送1次監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)服務(wù)后臺進(jìn)行收集。針對不同施工工況，分別對不同類型構(gòu)件進(jìn)行分析。

4.1 桁架拼裝

桁架高空拼裝在高空拼裝胎架上獨立進(jìn)行，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，桁架拼裝工況下，其他結(jié)構(gòu)應(yīng)變波動很小。桁架拼裝完成前，滑移梁及前2榀桁架應(yīng)力幾乎無變化。

4.2 桁架卸載

桁架卸載時，該榀桁架荷載會作用在5道滑移梁上，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，桁架卸載工況下，滑移梁應(yīng)力隨卸載過程逐漸變小，其余桁架弦桿應(yīng)力變化不大。

4.3 桁架滑移

桁架滑移時，該榀桁架處于運動狀態(tài)，腹桿、弦桿應(yīng)力呈無規(guī)律變化。滑移梁八字撐在滑移過程中應(yīng)力逐漸變小，處于受壓狀態(tài)。

4.4 拉索張拉

拉索逐級張拉時，該榀桁架撐桿所受壓應(yīng)力隨張拉過程逐漸變大，表明撐桿所受壓力逐漸增大；桁架腹桿根據(jù)監(jiān)測位置不同，應(yīng)力變化會有所不同。拉索張拉工況下某桁架撐桿、腹桿測點應(yīng)力變化曲線如圖12所示。

圖12 拉索張拉工況下某桁架撐桿、腹桿測點應(yīng)力變化曲線

5 滑移施工模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

表1 各工況下索力計算數(shù)據(jù)

表2 各工況下滑移時桁架最大位移

根據(jù)施工過程模擬分析結(jié)果，滑移過程中桁架最大豎向位移為66.28mm。通過桁架變形監(jiān)測，桁架豎向變形值均在66mm以內(nèi)(見表3～5)，施工過程安全可控。

表3 桁架1變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

表4 桁架2變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

表5 桁架3變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

施工過程中，每榀桁架張拉對相鄰已張拉完的拉索索力有影響。選取第8根拉索張拉時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，模擬數(shù)據(jù)如表6所示。排除個別特殊數(shù)據(jù)，監(jiān)測所得各工況索力。經(jīng)計算，實測結(jié)果與模型計算結(jié)果最大偏差≤8%。實測結(jié)果如表7所示。

表6 拉索8張拉時其余拉索索力模擬值 kN

表7 拉索8張拉時各拉索索力實測值 kN

6 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

健康監(jiān)測系統(tǒng)針對不同構(gòu)件受力特點，以設(shè)計強度為參考，設(shè)置了三級應(yīng)力預(yù)警系統(tǒng)[9]，如表8所示。

表8 三級應(yīng)力預(yù)警系統(tǒng)

建立健康監(jiān)測預(yù)警響應(yīng)制度。在非極端荷載作用下，發(fā)生黃色預(yù)警時，對預(yù)警部位加大監(jiān)測頻率，直至預(yù)警解除；當(dāng)發(fā)生橙色預(yù)警時，停止該部位相關(guān)施工作業(yè)，項目部管理人員對傳感器及構(gòu)件進(jìn)行檢查，排查問題，直至預(yù)警解除；當(dāng)發(fā)生紅色預(yù)警時，停止該單體所有施工作業(yè)，深度分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力異常原因并組織鋼結(jié)構(gòu)專家對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估[10-11]。

7 結(jié)語

通過施工全過程實時監(jiān)測，驗證實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬計算結(jié)果偏差在8%以內(nèi)，模擬計算結(jié)果可為施工過程提供有效指導(dǎo)，證明施工方法可行性、安全性、適應(yīng)性。采用生死單元法對相同構(gòu)件在不同工況下的應(yīng)力變化進(jìn)行分析，動態(tài)了解各施工工況對整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，從而為安全施工提供指導(dǎo)。施工過程設(shè)置的監(jiān)測設(shè)備，運營階段仍可使用，做到結(jié)構(gòu)全生命周期的健康監(jiān)測。