東安湖體育館鋼屋蓋累積滑移施工監(jiān)測技術(shù)*

李天福，張 軍，王永泉，紀 常，董開發(fā)

(1.三江學院土木工程學院，江蘇 南京 210012；2.南通大學交通與土木工程學院，江蘇 南通 226019；3.南京工程學院建筑工程學院，江蘇 南京 211199；4.中國人民解放軍94789部隊，江蘇 南京 210012；5.東南大學成賢學院土木與交通工程學院，江蘇 南京 210088)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)因其強度高、自重小、整體剛度大、抵抗變形能力強等特點，被廣泛應用于大跨度建筑中。大跨度建筑在設計過程中均能滿足規(guī)范要求，但施工過程由于施工工藝等影響會發(fā)生結(jié)構(gòu)位移或變形，導致結(jié)構(gòu)施工完成后的實際受力狀態(tài)與設計值存在一定差異。因此，為保證結(jié)構(gòu)施工安全有序，施工完成后能滿足預期設計使用功能和使用要求，對施工過程中關(guān)鍵節(jié)點的實時監(jiān)測必不可少。

1 工程概況

東安湖體育館項目位于成都市龍泉驛區(qū)東安新城的東安湖體育中心，總建筑面積達19.5萬m2，單體建筑高42.3m，總跨度108m。結(jié)構(gòu)形式采用下部混凝土勁性鋼柱框架結(jié)構(gòu)和大跨度箱形桁架屋蓋結(jié)構(gòu)。屋蓋結(jié)構(gòu)安裝采用三軌道累積滑移技術(shù)，其中，南北側(cè)框架結(jié)構(gòu)在滑移施工前進行安裝及臨時固定，主桁架采用整體拼裝后累積滑移安裝。體育館鋼結(jié)構(gòu)形式為正交平面桁架，主桁架總長度為108m，單榀最重約180t，共11榀；支撐點間距108m；屋蓋總長145m，寬145m，最高點標高為42.500m，鋼結(jié)構(gòu)總量約3 800t。截面主要為箱形，部分為H型鋼。本文以1-4體育館為例進行分析。

2 施工過程結(jié)構(gòu)分析

桁架采用地面整體拼裝、分段吊裝的方式進行安裝。地面拼裝采用臥拼，將桁架水平放置在胎架上，拼裝焊接完成后分段翻身吊裝。南北側(cè)框架結(jié)構(gòu)優(yōu)先進行吊裝安裝，安裝完成后進行臨時固定。主桁架采用80t汽車式起重機在地面分段散拼，然后采用300t履帶式起重機分段吊裝至組裝滑移平臺上，組裝完成后滑移1個節(jié)間臨時固定(第1次滑移為第1榀及懸挑桁架同時滑移)；組裝第2榀桁架，嵌補次桁架，完成后累積滑移1個節(jié)間，組裝下一榀桁架，直至全部桁架滑移到位，卸載就位(滑移吊裝須確?；炷吝_到100%設計強度)。拼裝過程需對結(jié)構(gòu)進行起拱，最大起拱值取200mm，結(jié)構(gòu)內(nèi)收值取10mm。其中，桁架拼裝起拱從中間向兩端桁架起拱值依次降低，采用雙向起拱。臥拼場地需進行平整壓實并在上方鋪設300mm厚磚渣。桁架布置如圖1所示。

圖1 桁架布置

主體結(jié)構(gòu)主要分3個安裝階段。

1)平面桁架拼裝階段 箱形桁架散件運輸至現(xiàn)場后，進行地面整體拼裝，為降低拼裝高度，減少高空作業(yè)量，選用臥拼，整體拼裝后分段進行焊接。

2)平面桁架吊裝階段 桁架拼裝完成后，使用300t履帶式起重機進行分段吊裝至高空胎架就位拼裝為整體。

3)累積滑移階段 在兩端鉸支座及中間位置設置滑移軌道，平面桁架在高空胎架上拼裝為整體，然后進行累積滑移?；撇捎?組爬行器提供動力，就位后拆除胎架并安裝鉸支座。

主體結(jié)構(gòu)安裝完成后進行屋面板鋪裝，屋蓋安裝如圖2所示。

圖2 屋蓋安裝

3 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測內(nèi)容為胎架拆除前至屋面板安裝完成過程中桁架關(guān)鍵桿件應力和位移。

3.1 應力監(jiān)測系統(tǒng)

采用BGK-4000振弦式表面應變計，監(jiān)測對象為桁架關(guān)鍵桿件89個應力監(jiān)測點。振弦式表面應變計以弦振頻率和弦張力的變化關(guān)系測量監(jiān)測點應變并輸出振弦自振頻率信號，在測量中受原應力場干擾小，性能穩(wěn)定，具有智能識別功能。將應變計底座焊接在鋼結(jié)構(gòu)表面以監(jiān)測鋼結(jié)構(gòu)應變，內(nèi)置的溫度傳感器可同時監(jiān)測安裝位置溫度，標準量程為3 000με，測量精度為±0.001με，非線性度<0.005，系統(tǒng)靈敏度為1.0με，測溫范圍是-20～80℃，應變計長150mm。

3.2 位移監(jiān)測系統(tǒng)

為保證監(jiān)測點準確，精度達到規(guī)范要求，使用NTS-332R10M全站儀監(jiān)測施工過程中結(jié)構(gòu)各測點豎向位移，利用VWD-100J位移計測量支座位移變化。

3.3 監(jiān)測點布置

結(jié)構(gòu)安全控制以保證結(jié)構(gòu)軸向較大應力和關(guān)鍵節(jié)點較大位移變形在設計范圍為主。本次監(jiān)測預先模擬實際工程工況，在只考慮桿件自重的情況下進行有限元分析，通過有限元計算結(jié)果，找到最不利應力位置，確定89根桁架關(guān)鍵桿件應力、豎向位移、支座水平位移的監(jiān)測。桁架關(guān)鍵桿件應力監(jiān)測點共72個，豎向位移監(jiān)測點共11個，支座水平位移監(jiān)測點共6個。部分應力監(jiān)測點布置如圖3所示，豎向位移及支座水平位移監(jiān)測點布置分別如圖4,5所示。

圖3 部分應力監(jiān)測點布置

圖4 豎向位移監(jiān)測點布置

圖5 支座水平位移監(jiān)測點布置

4 監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 頂推過程監(jiān)測分析

桁架頂推過程采用滑移施工，施工過程中同步監(jiān)測控制，根據(jù)預先通過計算得到的滑移頂推工況各頂推點反力值，在計算機同步控制系統(tǒng)中，設定每臺液壓爬行器最大頂推力。當遇到頂推力超出設定值時，液壓爬行器自動采取溢流卸載，以防現(xiàn)頂推點荷載分布嚴重不均，對結(jié)構(gòu)或臨時設施造成破壞。在液壓爬行器停止工作或遇到停電等情況時，液壓回路中的自鎖裝置及機械自鎖系統(tǒng)會啟動，自動鎖緊滑移軌道，確?；畦旒馨踩?。

為直觀地監(jiān)測滑移的同步性和滑移狀態(tài)，初始滑移時以50mm作為最小滑移單位，在軌道上做標記，并編號?；七^程中隨時觀測各控制監(jiān)測點相對軌道上標尺偏差情況，準確了解滑移狀態(tài)，并做好記錄。如發(fā)現(xiàn)同步偏差較大時，應立即對單臺爬行器進行點動控制調(diào)整，并分析初始滑移記錄數(shù)據(jù)，報審項目總工程師及監(jiān)控單位工程師審核，詳細分析記錄數(shù)據(jù)原因并在后續(xù)滑移施工過程中做相應調(diào)整。

為保證監(jiān)測滑移過程中頂推點荷載變化和滑移狀態(tài)各控制監(jiān)測點的偏差調(diào)整，通過MIDAS GEN對滑移施工全過程進行有限元分析，建立胎架拆除前模型，由于空間桁架和屋面板未安裝，故只考慮桿件自重；支座條件為柱頂雙向鉸支座、單向鉸支座支承，臨時胎架支撐。

4.1.1頂推過程應力對比分析

頂推過程中，采用自動化采集儀采集監(jiān)測點應力，將其與理論計算值進行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 部分監(jiān)測點實測與理論應力對比 MPa

由表1可知，測點應力值為-200～100MPa。其中桁架應力最大實測值出現(xiàn)在監(jiān)測點1-4-10-1處，為-132.80MPa；1-4-10-7監(jiān)測點實測值僅為1.73MPa。在安裝過程中監(jiān)測點1-4-10-1實測值與理論值存在明顯偏差，分析原因為焊接過程中產(chǎn)生的焊接應力過大。桁架應力最大理論值出現(xiàn)在監(jiān)測點1-4-7-3處，值為-193.70MPa，該監(jiān)測點位于桁架中間位置，其對稱監(jiān)測點1-4-7-5理論值僅為78.60MPa。在計算分析過程中，桁架中間位置受支座約束影響較大，導致桁架質(zhì)量分布不均，產(chǎn)生的荷載不同，故此處偏差較大。實測值的波動區(qū)間小于理論值，實測證明各監(jiān)測點應力相對穩(wěn)定。理論值和實測值最大偏差為209.08MPa，出現(xiàn)在監(jiān)測點1-4-7-3處。實測值僅為理論值的8%，說明桁架上、下桿理論值和實測值相差甚大；理論值與實測值最小偏差為0.74MPa，出現(xiàn)在監(jiān)測點1-4-7-4處，說明桁架中間斜拉桿處理論值和實測值基本一致。

4.1.2豎向位移監(jiān)測分析

胎架拆除和屋面安裝過程中均存在應力偏差，不同應力偏差值導致的位移變形也有所區(qū)別，因此用位移計對豎向位移的11個測點進行監(jiān)測。豎向位移監(jiān)測結(jié)果如表2所示，不同階段豎向位移監(jiān)測曲線如圖6所示。

表2 豎向位移監(jiān)測結(jié)果

圖6 不同階段豎向位移監(jiān)測曲線

由表2及圖6可知，屋面安裝后豎向位移約為胎架拆除后的2倍。最邊緣的2個監(jiān)測點1-4-6-1，1-4-6-5位移變形最小，兩點在屋面安裝后僅向下變形2mm；位于軸線中間的監(jiān)測點1-4-4-2，1-4-6-3，1-4-8-2是對應軸網(wǎng)豎向位移最大的位置，屋面安裝后分別向下變形120，168，117mm，其中位于最中間的監(jiān)測點1-4-6-3位移值最大。由此可知，在同一軸線上，胎架拆除后和屋面安裝后的位移變形值由中間向兩邊逐漸遞減，胎架拆除和屋面安裝對結(jié)構(gòu)變形影響最大。

4.1.3支座水平位移監(jiān)測分析

胎架拆除和屋面安裝過程中均存在應力偏差，不僅會導致桁架豎向位移，也會導致一定的支座水平位移，支座水平位移監(jiān)測結(jié)果如表3所示，不同階段支座水平位移監(jiān)測曲線如圖7所示。

表3 支座水平位移監(jiān)測結(jié)果 mm

圖7 不同階段支座水平位移監(jiān)測曲線

水平位移6個監(jiān)測點分為3組對應監(jiān)測點。由表3及圖7可知，每組對應監(jiān)測點呈中心對稱，位移數(shù)值相同，方向相反；各監(jiān)測點在屋面安裝后的位移約為胎架拆卸后的2倍；中間監(jiān)測點支座位移大于兩側(cè)監(jiān)測點支座位移。

4.2 卸載過程對稱監(jiān)測點應力對比分析

屋蓋網(wǎng)架卸載會形成空間受力，使桁架內(nèi)力重分布。為保證桁架安全卸載，需在卸載過程中實時監(jiān)測內(nèi)部應力狀態(tài)，以便隨時調(diào)控?；七^程中，各點的同步性是卸載過程中的重點，監(jiān)測各對稱測點應力，分析其同一時刻的應力偏差顯得更重要。因此，選取2021-01-29，2021-01-30，2021-02-01的監(jiān)測應力進行分析。部分監(jiān)測點應力如表4所示。

由表4可知，卸載過程中，2021-01-29，2021-01-31豎向桁架監(jiān)測點1-4-2-3，1-4-9-3的應力偏差值較大(偏差值均為相對值)，其中監(jiān)測點1-4-2-3由受拉變?yōu)槭軌?，偏差值達57.6MPa；對稱監(jiān)測點1-4-2-5應力變化穩(wěn)定，壓應力逐漸減小，偏差值僅為2.5MPa。監(jiān)測點1-4-9-3壓應力增大，偏差值達34.4MPa，對稱監(jiān)測點1-4-9-5則由受壓轉(zhuǎn)為受拉，偏差值為18.9MPa。位于豎向桁架中間的1-4-3～1-4-8包含的監(jiān)測點應力變化基本穩(wěn)定，偏差值變化幅度≤10MPa。橫向桁架監(jiān)測點應力值高于豎向桁架，整個屋蓋下弦的監(jiān)測點最大應力值出現(xiàn)在監(jiān)測點1-4-F-5，由60MPa增長至88.1MPa。

表4 部分監(jiān)測點應力 MPa

2021-01-31，2021-02-01屋蓋下弦豎向桁架應力呈左側(cè)變化小、右側(cè)變化大的趨勢，其中右側(cè)桁架監(jiān)測點與其對稱監(jiān)測點偏差值的變化值明顯增大。位于豎向桁架左側(cè)的1-4-2～1-4-5測點應力變化基本穩(wěn)定，偏差值≤7MPa。測點1-4-7-3的應力由4.7MPa變?yōu)?42.5MPa，偏差值為47.2MPa；對稱監(jiān)測點1-4-7-5的偏差值為18.2MPa，二者的相對偏差值達65.4MPa。監(jiān)測點1-4-F-5應力持續(xù)增大，達101.4MPa?？芍谖萆w下弦中橫向桁架的應力狀態(tài)最不穩(wěn)定。

桁架應力受溫度影響較大，桁架卸載過程中的環(huán)境溫度處于一直變化中，監(jiān)測點應力產(chǎn)生一定偏差。從應力分布情況看，相對于豎向桁架，橫向桁架在溫度變化影響下產(chǎn)生了一定應力偏差，在安裝過程中的穩(wěn)定性相對較差。

5 結(jié)語

1)有限元分析過程中，監(jiān)測點應力受支座約束，會產(chǎn)生重量分布不均的狀況，使桁架荷載不同，在理論計算分析中產(chǎn)生偏差值；實測過程中，由于焊接對桁架產(chǎn)生的焊接應力及安裝過程中產(chǎn)生的安裝偏差，使實測應力出現(xiàn)偏差。實測偏差與理論偏差的相對偏差值主要是由于桁架焊接過程中的焊接應力較大。

2)屋面安裝后桁架位移為胎架拆除后的2倍左右。在同一軸線上，胎架拆除和屋面安裝的位移由中間向兩邊逐漸遞減；在同一平面內(nèi)，中間位置的胎架拆除和屋面安裝對結(jié)構(gòu)位移影響最大。對應監(jiān)測點的支座水平位移大小一致、方向相反。

3)對桁架卸載過程中不同時間的監(jiān)測點應力進行監(jiān)測對比分析，可知桁架受溫度影響較大，屋面下弦橫向桁架的安裝穩(wěn)定性比豎向桁架差。