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 5第六榀桁架测点布置图（YB 为应变测点，D 为变形测点，Q 为倾角测点）图 6东南侧树形支撑柱应力应变测点布置图浦磊等：大跨度钢桁架结构施工监测与卸载分析-36-uality Test质量检测Q工程质量第41卷行监测。测点布置在格构柱和支撑胎架的顶部杆件，格构柱及支撑胎架测点布置如图 4、图 5 中 Q1Q8 所示。3卸载阶段分析本项目的卸载过程是结构体系逐步转换过程，结构本身的杆件内力和支撑的受力均会产生变化。屋盖的卸载分区域进行，先整体卸载南北两侧格构柱的支撑，使得格构柱较早参与结构受力，再整体卸载桁架下部的支撑。将支撑胎架按照北侧、中间、南侧分为 3 个批次，卸载时按照“北侧南侧中间”的顺序循环卸载，直到卸载结束。整体卸载是钢结构施工中最容易发生安全性事故的环节，卸载过程确认上一步卸载的监测数据满足施工要求后，再进行下一步卸载。支撑胎架顶部使用 H400300810 设置转换平台，如图 8 所示，在上部设置多块 4 mm 厚钢板和和弧形固定挡块。桁架安装过程中为两侧固定挡块受力，在卸载开始前，顶升千斤顶将桁架向上微微顶起。从空隙间撤出部分辅助定位支撑顶部的调整垫块，同时慢慢回落千斤顶。根据类似工程的施工经验，前 3 次回落控制在20 mm/次，后面控制在 30 mm/次。本工程结构造型复杂、用钢量大，卸载计算分析过程中采用一次性建模法，建立整个屋面钢结构分块吊装及散装模型。通过 Midas Gen 8.3.6 中的施工过程有限元分析功能，对该部分结构进行施工过程模拟，采用累加模型进行计算，考虑施工过程对结构受力和变形的影响。4卸载阶段监测结果该项目 2021 年 6 月 3 日上午开始卸载支撑，卸载前记录各测点的初始读数，至 2021 年 6 月 5 日 09 点卸载全部结束，历时 50 h。4.1应力4.1.1桁架应力卸载阶段，第二榀桁架的应力变化范围为-46.5 89.5 MPa，如图 9 所示。从卸载开始到 2021 年 6 月 4 日08 点应力变化较大，之后增幅变缓，截止至 2021 年 6 月5 日 09 点卸载施工结束，第二榀桁架各测点应力趋于平稳。第六榀桁架的应力变化范围为-78.741.3 MPa，如图 10 所示。除了测点 YB7-SL，其他测点应力变化规律与第二榀桁架类似。测点 YB7-SL 位于桁架最高点的上层加肋杆，随着卸载进行，不断受压，但是仍小于卸载计算值（-100 MPa）。截止至 2021 年 6 月 5 日 09 点卸载施工（D44 位于格构柱支座处，其余均位于桁架上）图 7位移测点编号示意图图 8支撑胎架卸载示意图图 9第二榀桁架应力监测曲线图 10第六榀桁架应力监测曲线-37-第7 期结束，第六榀桁架各测点应力趋于平稳。4.1.2支撑胎架应力、树形支撑卸载过程中 YB10 和 YB11 测点的支撑胎架应力变化值基本上在 4060 MPa 的范围内，如图 11 所示。卸载结束时，YB11 的应力变化最大值为 107.0 MPa（测点YB11-4），最小值为 25.4 MPa（测点 YB11-3）。应变计的初始零值设置为卸载前，而卸载结束时支撑胎架只受到自重应力，同一截面产生的应力差异很小，由此可推断卸载前 YB11 测点存在偏心受力。卸载过程中，东南侧树形支撑的应力变化较小，为-8.910.1 MPa，如图 12 所示。将三类应力监测数据与计算值比对，卸载时的监测值基本在计算值范围内，如图 13 所示。说明应力的变化在可控范围内，利用有限元分析和现场监测的方法能够有效指导施工，确保施工质量。4.2位移卸载阶段，桁架和格构柱支座处的铅垂向位移变化范围在-129.47.9 mm，位移负值表示下沉。桁架最大变形测点位于 D18，次桁架跨距为 46.57 m，变形达到1/360。水平向位移变化范围在 4.814.5 mm，水平向位移较小，卸载过程对结构安全没有造成影响。从卸载开始到 6 月 3 日 15 点，各桁架测点的位移增加比较快，之后变化平缓，典型位移监测曲线如图 14 所示。格构柱基础测点 D44 的铅垂向变形较小，卸载完成时为 0.9 mm，小于规范要求的 1 cm。考察铅垂向位移计算云图，如图 15（a）所示，卸载结束时（D-F）/（8-10）区域和（D-F）/（13-15）区域的树形支撑、C/9 和 C/14 的两个 V 型支撑对桁架铅垂向位移的分布产生了明显的影响。铅垂向位移在树形支撑和 V 型支撑顶部较小，沿着周边桁架逐渐增大，到桁架两端再减小。铅垂向位移计算云图根据计算值的大小分为 11 级，分别采用 11 种颜色分级显示，借鉴计算值云图的分级显示方法，将位移监测值同样分级绘制，形成位图 11支撑胎架应力监测曲线图 12树形支撑监测曲线图 13卸载时应力监测值与计算值比对图 14第二榀桁架位移监测曲线浦磊等：大跨度钢桁架结构施工监测与卸载分析-38-uality Test质量检测Q工程质量第41卷移监测值的分布图，如图 15（b）所示。通过比较可以发现，位移监测值的分布规律与计算云图基本一致。考察卸载结束时计算值与监测值的差异，第六榀桁架的测点 D20 和 D32（图 15（b）方框位置）计算值为 110 mm，铅垂向位移监测值分别为 123.5 mm 和125.4 mm，监测值超过计算值，但未达到计算值的 1.15 倍，符合规范要求，建议在运营期对该片区域加强监测。4.3倾角卸载阶段，倾角监测值的变化范围在-0.203 0.371，包括南北向和东西向，南北向为桁架走向，如图16（a）和图 16（b）所示。格构柱测点的倾角变化范围较小，为-0.203 0.087，支撑胎架测点的倾角变化范围为-0.179 0.371。支撑胎架测点 Q6 东西向和南北向变化较大，导致该支撑胎架存在偏心受力情况，从应力测点 YB11 的监测值也可以反映。4.4小结1）应力、位移和倾角的监测的数据均表现为，卸载前期变化较大，卸载后期趋于平稳。根据监测结果，卸载阶段应力变化的最值分别为 107.0 MPa、-78.7 MPa，基本上在有限元计算值的包络线范围内。2）根据监测结果，铅垂向位移变化的最值分别为-129.4 mm、7.9 mm，最大变形达到 1/360，水平向位（a）卸载时铅垂向位移计算值云图（b）卸载时铅垂向位移监测值分布图图 15卸载结束铅垂向位移计算值与监测值比对图移的变化较小。借助位移监测数据分布图，发现钢桁架的卸载变形与有限元计算结果基本一致。第六榀桁架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。3）根据监测结果，倾角变化的最值分别为-0.203、0.371，两端格构柱基本处于稳定状态。格构柱和支撑胎架的倾角数据可以与应力监测数据对照分析，倾角变化差异较大的构件，应力监测值也差异较大。5结语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。背景工程屋盖钢桁架最大跨度达到 220 m，本文按照建筑结构健康监测方法，针对此类大型钢桁架屋面结构施工和卸载特点，分别进行了有限元法模拟分析和现场（a）卸载时铅垂向位移计算值云图（b）第六榀桁架倾角监测曲线图 16倾角监测曲线-39-第7 期试验分析，得出如下主要结论。1）根据工程结构特点和同类项目施工经验，选择屋盖桁架、内部支撑柱、两端格构柱为监测重点，按照建筑结构健康监测方法构建施工监测系统。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。根据监测结果，铅垂向位移的最大变形达到 1/360，满足施工设计要求；倾角数据反映出两端格构柱基本处于稳定状态。2）监测数据基本在有限元计算值范围内，表明卸载施工过程安全可控，测点的监测数据在预期范围内。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。3）结合位移监测数据分布图，可以直观判断钢桁架的卸载变形与有限元计算结果基本一致。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。Q参考文献 1 董石麟.我国大跨度空间钢结构的发展与展望J.空间结构，2000，6（2）：313.2 范重，刘先明，范学伟，等.国家体育场大跨度钢结构设计与研究 J.建筑结构学报，2007，28（2）：116.3 鲍广鉴，李国荣，王宏，等.现代大跨度空间钢结构施工技术J.钢结构，2005，20（1）：4348.4 姜帅臣.大跨度空间钢结构关键施工力学分析与监测D.合肥：合肥工业大学，2019.5 徐可，李雷明.大跨度空间网架应力监测及有限元模拟对比分析J.工程质量，2021，39（12）：4752.6 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