大跨度钢桁架结构施工监测与卸载分析.pdf

-33-第7 期大跨度钢桁架结构施工监测与卸载分析浦磊1，2，汤东婴1，2，魏晓斌1，2，孙正华1，2（1.江苏省建筑工程质量检测中心有限公司，江苏 南京 210033；2.江苏省建筑科学研究院有限公司，江苏 南京 210008）【摘要】大跨度空间结构施工阶段所受荷载复杂，结构的平均风险率高、失效概率大，为了保证施工安全和施工质量，开展完备的施工监测以指导合理施工至关重要。某博物馆采用大跨度钢桁架结构，桁架最大跨度为 220 m，按照结构健康监测方法实施施工期监测并进行卸载分析。通过对该工程卸载阶段应力、变形及倾角进行监测，大部分测点前期变化较大，后期趋于平稳，监测数据基本在有限元计算值范围内。部分区域的铅垂向位移超过有限元计算值，建议在运营期健康监测阶段加强监测。利用有限元分析和现场监测的方法能有效指导施工，确保卸载过程安全可靠。【关键词】大跨度；钢桁架结构；卸载；施工监测；有限元法【中图分类号】TU758.11【文献标志码】A【文章编号】16713702（2023）070033070引言随着我国经济建设的快速发展各类工程建设项目规模日益扩大，重大工程项目包括高耸结构、大跨结构、超高层结构以及一些复杂异形结构等日益增多。大型复杂建筑物从开始施工建设到投入使用，再到若干年后进入老化维修阶段的整个生命周期过程中，施工阶段因结构的潜在缺陷、材料性质的时变性、所受荷载的复杂性以及结构抗力的不成熟性，结构的平均风险率最高、失效概率最大。经典的设计方法只提供了结构一次受载后使用阶段的安全验算，施工过程的结构受力分析与一次成形的受力分析存在很大的不同 1-3，结构受力分析和结基金项目：“十四五”国家重点研发计划项目“住宅工程质量保障体系及关键技术研究”（2021YFF0602000）；住房和城乡建设部项目“周边环境影响下既有建筑风险监测与预警评估技术研究”（K20221278）作者简介：浦磊，男，工程师，研究方向为建筑结构及检测监测。Construction Monitoring and Unloading Analysis of Long-Span Steel Truss StructurePU Lei1，2，TANG Dongying1，2，WEI Xiaobin1，2，SUN Zhenghua1，2（1.Jiangsu Construction Engineering Quality Inspection Center Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210033，China；2.Jiangsu Institute of Building Science Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210008，China）Abstract：The load of long-span spatial structure in the construction stage is complex，the average risk rate of the structure is high，and the failure probability is large.In order to ensure the construction safety and construction quality，it is very important to carry out complete construction monitoring to guide reasonable construction.A museum adopted a large span steel truss structure with a maximum span of 220 m.According to the structural health monitoring method，the construction period monitoring and unloading analysis were carried out.Through the monitoring of stress，deformation and inclination in the unloading stage of the project，most measuring points changed greatly in the early stage，and tended to be stable in the later stage.The monitoring data were basically within the range of finite element calculation value.The vertical displacement of lead in some areas exceeded the finite element calculation value，and it was recommended to strengthen the monitoring in the health monitoring stage of the operation period.The method of finite element analysis and field monitoring could effectively guide the construction and ensure the safety and reliability of unloading process.Keywords：long span；steel truss structures；unloading；construction monitoring；finite element methoduality Test质量检测Q2023年第41卷第7期-34-uality Test质量检测Q工程质量第41卷构状态控制更为复杂。在施工过程中结构可能因失去平衡而倾覆，或由于结构失稳而倒塌，或由于局部构件或节点强度不足而破坏，几乎每年都有结构在施工期间发生事故。例如辽宁省营口市经济技术开发区营口港在建锅炉房工程施工过程中发生钢结构屋顶网架坍塌事故，内蒙古新丰热电有限责任公司网架工程坍塌事故等。众多建筑型式中，钢结构具有刚度柔、跨度大、安装度高、建筑造型复杂，与混凝土结构交叉施工等特点，根据有关部门统计，在钢结构的安全事故中，由于施工缺陷而引起的各种破坏，如失稳以及过度应力集中，次应力所造成的破坏等占相当的比例4。论文针对某博物馆大跨空间结构开展施工监测，通过卸载阶段监测分析，为卸载施工的顺利进行提供技术支持，研究成果对类似工程的施工也有参考意义。1工程概况该工程为博物馆建筑，主要包括下部钢框架结构和屋盖钢桁架结构，最大结构标高为 36.85 m，桁架最大跨度为 220 m，属于大跨度钢桁架结构，该工程外观实景如图 1 所示。屋盖桁架结构主要由两端 13 根格构柱、7 榀主桁架、318 榀次桁架和 2 组 X 型交叉桁架组成。屋盖桁架结构内部包含 4 根支撑柱，位于树形支撑和 V 形支撑（见图 2、图 3）下方。主桁架采用大跨度六边形空间管桁架结构，截面尺寸约为 2.8 m3.3 m。次桁架为平面桁架，由圆管组成，单榀截面尺寸约为5 m1.4 m。该工程结构体系较为复杂，结构安全等级高，施工难度大。在博物馆的施工阶段开展监测，通过对各阶段的应力、变形等监测信息进行分析，可以对施工过程是否符合设计、规范要求及施工质量进行评价，同时能发现潜在的结构损伤，确保结构施工安全。2监测方案大跨度空间钢结构常用的安装方法有搭设满堂脚手架支撑散拼、整体提升、分块吊装和分片累积滑移等多种方式5-8。该工程屋盖为大跨空间桁架结构，主桁架两端采用斜向格构柱支撑，结构复杂、受力大。施工过程中，桁架由于跨度大、重量大，在分段点设置临时支撑胎架，采用 500 t、250 t 履带吊以及 100 t 汽车吊分段吊装，然后进行高空组合。屋面结构施工完成后，再分区段分次卸载，形成最终的结构体系。施工过程中，结构受力逐渐增加，并在卸载时完成结构的转换和内力的重新分配。该工程支撑胎架采用 1.5 m 标准节段四肢格构柱，支撑胎架为各桁架节段的主要竖向承重构件。针对项目特点和施工情况，该工程的监测重点为屋盖桁架、内部支撑柱、两端格构柱，这些部位存在结构受力图 1工程外观实景图 2钢桁架屋盖平面图图 3钢桁架屋盖轴测图-35-第7 期转换、应力大的特点。2.1监测内容监测系统设计遵循下述原则。以结构安全性为主的监测原则；功能与成本的最优化原则；系统的稳定性和可靠性原则；关键部件优先与兼顾全面性原则；实时与后续运营期监测相结合原则。基于以上原则，根据项目结构特点和有限元数值模拟结果，结合同类钢结构工程施工经验，选择应力应变、变形和倾角3项监测内容。应力应变监测中经常采用的是振弦式应变计。结构试验中常用的电阻应变片存在漂零现象，在长期监测中稳定性差，很少使用；光纤光栅传感方法也可用于钢结构施工监测9，10，但是监测成本较高，另外施工现场工序交叉、环境复杂，信号传输光纤容易受破坏，目前应用较少；故采用 BM102 型高耐久性振弦式应变计，量程 10 000，精度 1。结构位移与变形监测，一般通过全站仪实现，目前利用激光三维扫描和机器视觉的新型监测方法还处在研究阶段11。建筑领域在施工期和健康监测的倾角仪精度应为 0.01 以上，选用MEMS102 型高精度倾角仪，量程30，精度：0.01。2.2测点布置2.2.1应力应变测点选取屋面桁架、支撑胎架以及内部支撑柱布置测点，具体布置情况如下。1）屋盖桁架。在桁架跨中及两端、和支撑胎架连接处布设应力应变测点，包括上下弦杆和上下层加肋杆。选取第二榀和第六榀桁架布置测点，共计 9 个测点，测点说明如表 1 所示，测点位置如图 4、图 5 所示。2）内部支撑柱。在东南侧树形支撑柱（见图 2）及其撑杆上布置应力应变测点，如图 6 所示。3）支撑胎架。选取第二榀和第六榀跨中位置的支撑胎架，在胎架中部位置的四根立杆处布置应力应变测点，计 24=8 个测点，如图 4、图 5 所示。2.2.2位移监测测点该钢结构跨度远超过 24 m，在屋盖大跨跨中、两侧端部及 4 分点靠近胎架位置的下弦杆设置位移测点，同时选取第七榀桁架南侧格构柱支座处设置 1 个测点，共计 44 个测点，测点编号如图 7 所示。2.2.3倾角监测测点对第二榀和第六榀桁架的两端格构柱和支撑胎架进表 1应力应变测点描述测点编号测点描述YB1-XX第二榀桁架北侧端部，6729 号下弦杆YB1-SX第二榀桁架北侧端部，6739 号上弦杆YB1-XL第二榀桁架北侧端部，7607 号下层加肋杆YB2-SL支撑胎架连接处，7322 号上层加肋杆YB2-XL支撑胎架连接处，7363 号下层加肋杆YB3-SX第二榀桁架跨中，6120 号上弦杆YB3-XX第二榀桁架跨中，6114 号下弦杆YB4-XL第二榀桁架南侧端部，7001 号下层加肋杆YB4-SX第二榀桁架南侧端部，5525 号上弦杆YB4-XX第二榀桁架南侧端部，5516 号下弦杆YB5-XX第六榀桁架北侧端部，2576 号下弦杆YB5-SX第六榀桁架北侧端部，2595 号上弦杆YB5-XL第六榀桁架北侧端部，2001 号下层加肋杆YB6-SX支撑胎架连接处，2352 号上弦杆YB6-XX支撑胎架连接处，2334 号下弦杆YB7-SL支撑胎架连接处，1812 号上层加肋杆YB7-XL支撑胎架连接处，1856 号下层加肋杆YB8-SL支撑胎架连接处，1611 号上层加肋杆YB8-XL支撑胎架连接处，1655 号下层加肋杆YB9-XL第六榀桁架南侧端部，1355 号下层加肋杆YB9-XX第六榀桁架南侧端部，1034 号下弦杆YB9-SX第六榀桁架南侧端部，1053 号上弦杆图 4第二榀桁架测点布置图（注：YB 为应变测点，D 为变形测点，Q 为倾角测点）图