大跨度鋼屋蓋卸載方案及現(xiàn)場監(jiān)測(cè)

大跨度鋼屋蓋卸載方案及現(xiàn)場監(jiān)測(cè)王秀麗;仲海民【摘要】Thereal-timeonlinemonitoringofstressinsteelroofofXiningstadiumwascarriedout.Themonitoringresultshowedthat:thestressvariationintherodsofthesteelstructurewassmallafterunloading,thestressvariationwassmootherandgentlerintheunloadingprocess,anditsmonitoredvaluesofstressandstrainwerewithinthestructuredesignrange.Afterunloading,thepointsontheinnerperipher-yofstadiumframemoveddownwardwithverticaldisplacement,whilethepointstoontheouterperipherymovedupworkwithverticaldisplacement.Atthesametime,thedisplacementofpointsontheendofshortaxisislargerthanthatonlongaxis,allthedisplacementsbeingsmall.Afterunloading,theelevationofmeasuringpointwereallwithinthedesignrange.%以西寧體育場屋蓋卸載為例，在卸載過程中對(duì)其應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控.監(jiān)控結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋支撐卸載后，其主要內(nèi)力桿件相對(duì)于其卸載之前的應(yīng)力變化不大,且所有桿件的應(yīng)力隨卸載過程的進(jìn)行變化都比較平緩，其監(jiān)測(cè)的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi)；卸載后體育場內(nèi)環(huán)各測(cè)點(diǎn)均較卸載前產(chǎn)生向下的豎向位移,而體育場夕卜環(huán)各測(cè)點(diǎn)均較卸載前產(chǎn)生向上的豎向位移,同時(shí)短軸方向的位移大于長軸方向的位移，但是位移量都比較小；卸載完成后，測(cè)點(diǎn)的豎向高程均在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi).【期刊名稱】《蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2012(038)006【總頁數(shù)】4頁(P108-111)【關(guān)鍵詞】支撐卸載;鋼管桁架;監(jiān)測(cè)【作者】王秀麗;仲海民【作者單位】蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730050；蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730050【正文語種】中文【中圖分類】TU312.3;TU393.3建筑結(jié)構(gòu)的新穎化和復(fù)雜化推動(dòng)了施工新方法、新技術(shù)的發(fā)展.一些大型的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)在安裝過程中設(shè)置臨時(shí)支撐以及在結(jié)構(gòu)安裝完成后拆除臨時(shí)支撐的施工方法得到了廣泛的應(yīng)用，如上海新國際博覽中心［1］、國家大劇院［2-3］、國家體育場［4］等.工程結(jié)構(gòu)在建造過程中會(huì)呈現(xiàn)出時(shí)變特性，存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)［5］.工程質(zhì)量事故統(tǒng)計(jì)分析表明，施工階段建筑工程失效事故明顯高于正常使用階段.由于大跨空間結(jié)構(gòu)施工規(guī)模大、范圍廣、周期長、過程復(fù)雜，因此在大跨空間結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用的同時(shí)，國內(nèi)夕卜也發(fā)生了一些結(jié)構(gòu)在施工中倒塌和局部破壞的事故.如：1993-10-21下午，山西某礦井洗煤廠的一個(gè)組合網(wǎng)殼工程在施工過程中破壞;某體育館50mx50m斜放四角錐網(wǎng)架在高空散裝施工時(shí)，由于腳手架剛度不足而造成網(wǎng)架撓度過大，影響正常使用；1987年韓國建設(shè)的SeoulOlympicPark,—網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)工程在施工時(shí)倒塌；1988年5月，美國密西根大學(xué)的一網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在施工時(shí)倒塌［6］;1992年9月，中國深圳國際展覽中心，由于暴雨造成屋面積水過多荷載加大，造成展廳整體倒塌.該展廳面積7200m2，為螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，1989年5月建成［7］.如能對(duì)這些復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)修建的性能狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)空間結(jié)構(gòu)的各類信息進(jìn)行管理，對(duì)其健康情況進(jìn)行評(píng)估、給出維修建議等，將確保大跨空間結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，維護(hù)地區(qū)的人民和財(cái)產(chǎn)安全.以西寧體育場卸載施工為例，對(duì)其卸載過程進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，以確保體育場的安全卸載.1工程慨況西寧體育場鋼屋蓋直徑約為257.5m，采用40棉正放三角形管桁結(jié)構(gòu).管桁架之間由內(nèi)環(huán)端部聯(lián)系桁架以及下弦節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)系鋼管相連，構(gòu)成完整的體育場屋蓋.屋蓋支承在40根與看臺(tái)整體連接的鋼骨混凝土懸臂柱上，40棉正放三角形管桁架在體育場外圈端部向下彎折18m，通過2根拉壓桿支承在鋼筋混凝土頂板上，使屋蓋與外立面幕墻渾然一體.鋼骨架上覆蓋膜和鋁板，屋蓋懸挑長度從21.3m到39.5m不等.立面圍護(hù)幕墻采用空間折面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，由40個(gè)形狀大小一樣的四面體構(gòu)成，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元與鋼結(jié)構(gòu)主體骨架相連.圖1體育場鋼屋蓋模型Fig.1Modelofstadiumsteelroof2結(jié)構(gòu)支撐卸載方案臨時(shí)支撐的拆除（永久結(jié)構(gòu)的卸載）過程是永久結(jié)構(gòu)和臨時(shí)結(jié)構(gòu)之間的一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程，是永久結(jié)構(gòu)受力逐漸轉(zhuǎn)移和內(nèi)力重分布的過程.如果卸載過程和受力過渡不平穩(wěn)，構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力會(huì)發(fā)生突變，可能導(dǎo)致安全事故.因此，保證卸載過程中結(jié)構(gòu)體系的受力狀態(tài)平穩(wěn)有序地轉(zhuǎn)換，是大跨空間結(jié)構(gòu)安全卸載的關(guān)鍵[8].該工程中，臨時(shí)支撐的拆除通過下調(diào)螺旋式千斤頂?shù)幕爻虂韺?shí)現(xiàn).在下調(diào)過程中，將引起永久結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐的內(nèi)力重新分配；下調(diào)千斤頂?shù)氖芰p小，周邊千斤頂?shù)氖芰υ龃?如果卸載次序、卸載量不合理或千斤頂?shù)男遁d不同步，會(huì)導(dǎo)致懸挑桁架側(cè)彎偏轉(zhuǎn)，甚至整體失穩(wěn).因此，在卸載過程中，必須保證西寧體育場安全卸載，使臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)上的荷載平穩(wěn)地轉(zhuǎn)移到永久結(jié)構(gòu)上而不發(fā)生整體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn).卸載工況下的結(jié)構(gòu)體系和應(yīng)力狀態(tài)不同于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下的工況，卸載過程中常見的問題包括桿件應(yīng)力過大或桿件受力與設(shè)計(jì)內(nèi)力反向等.制定合理的卸載方案可以有效避免以上問題，其關(guān)鍵因素為卸載順序及各卸載點(diǎn)每一級(jí)的卸載量[9].體育場嚴(yán)格按〃分區(qū)分級(jí)對(duì)稱同步卸載”的方案，在每個(gè)區(qū)卸載支撐架頂部設(shè)置50t螺旋千斤頂；在卸載時(shí)安排2人1組，1人操作千斤頂，1人負(fù)責(zé)監(jiān)控；同時(shí)為控制卸載速度，規(guī)定轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋千斤頂半圈為卸載行程的控制單元，轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制在5s內(nèi)完成，等檢測(cè)完成后方可開始下個(gè)動(dòng)作.體育場共使用了80個(gè)型鋼支撐架，最后成功實(shí)施了體育場支撐架的分區(qū)分級(jí)對(duì)稱同步卸載.體育場支撐架布置及分區(qū)卸載順序如圖2所示，卸載順序?yàn)?區(qū)-2區(qū)-3區(qū)-4區(qū).圖2支撐架布置點(diǎn)及分區(qū)卸載順序示意圖Fig.2Layoutofsupportingframesandsequenceofsegmentalunloading3結(jié)構(gòu)卸載施工監(jiān)測(cè)方案3.1結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)變監(jiān)測(cè)空間結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力狀態(tài)是衡量結(jié)構(gòu)是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo).通過桿件受力監(jiān)測(cè)，不僅能從總體上評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，也能檢測(cè)桿件、焊接系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)是否完好[10].監(jiān)測(cè)方案要選擇對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定起關(guān)鍵作用的桿件，盡可能保證監(jiān)測(cè)能對(duì)結(jié)構(gòu)安全起控制作用.圖3應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)Fig.3Numberingoftestpointsofstressandstrain該結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，綜合考慮結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果，選擇20根關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè).如圖3中的平面布置圖中2處位置，其中一處標(biāo)記位置處選用光纖光柵應(yīng)變傳感器，另一處標(biāo)記位置處用鋼弦傳感器.每處包括4根撐桿、3根弦桿、2根腹桿、1根環(huán)形鋼管（圖中黑點(diǎn)處標(biāo)記）.每個(gè)構(gòu)件測(cè)點(diǎn)的傳感器數(shù)量應(yīng)該足夠真實(shí)反映相應(yīng)位置的應(yīng)力情況.各個(gè)應(yīng)變計(jì)的位置安裝都沿著桿件軸向方向，安裝位置不在焊縫處，遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)位置.測(cè)點(diǎn)編號(hào)如圖3中所示標(biāo)記.由于短軸方向管桁架處桿件應(yīng)力最大，遠(yuǎn)大于長軸方向管桁架處桿件應(yīng)力，因此對(duì)短軸方向處管桁架桿件應(yīng)力進(jìn)行了全程監(jiān)測(cè)；即從區(qū)域1卸載開始到區(qū)域4卸載結(jié)束，連續(xù)監(jiān)測(cè)隨卸載區(qū)域的不斷轉(zhuǎn)移短軸方向管桁架桿件應(yīng)力的變化情況；對(duì)長軸方向管桁架只監(jiān)測(cè)區(qū)域4卸載過程中桿件應(yīng)力的變化情況.由圖4、5監(jiān)測(cè)結(jié)果看，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋型鋼支撐卸載后，大多數(shù)桿件相對(duì)于其卸載之前的應(yīng)力變化不大，且所有桿件的應(yīng)力隨卸載過程的進(jìn)行變化都比較平緩，較鋼材的屈月服應(yīng)力小很多，控制在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi).隨著卸載過程的進(jìn)行，所有測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力在總體趨勢(shì)上都在增大.部分測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變出現(xiàn)些許波動(dòng)，這與鋼結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜程度、每個(gè)卸載步各支點(diǎn)的實(shí)際卸載量并不完全等比例、支撐塔架的剛度不同等諸多因素有關(guān).圖41-22~23處管桁架各桿件隨卸載應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)Fig.4Monitoredvariationofstresseswithinrodsoftubularframeatpoints#1-22to#1-23inunloadingprocess圖51-140處管桁架各桿件隨卸載應(yīng)力變化Fig.5Variationofstresseswithinrodsoftubularframeatpoints#1-140tounloadingprocess3.2結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)施工卸載變形觀測(cè)點(diǎn)位置及編號(hào)如圖6所示，共16個(gè)測(cè)點(diǎn).在卸載階段采用高精度全站儀的測(cè)量方法，所選用全站儀精度在1s以上.由圖7可知，卸載后體育場內(nèi)環(huán)各測(cè)點(diǎn)均較卸載前產(chǎn)生向下的豎向位移，且在短軸方向的位移明顯大于長軸方向的位移.體育場夕卜環(huán)各測(cè)點(diǎn)均較卸載前產(chǎn)生向上的豎向位移，同時(shí)短軸方向的位移大于長軸方向的位移，但是位移量都比較?。凰a(chǎn)生的位移東西向基本對(duì)稱，南北向基本對(duì)稱.卸載完成后，測(cè)點(diǎn)的豎向高程均達(dá)到設(shè)計(jì)要求.圖6施工階段變形觀測(cè)測(cè)點(diǎn)Fig.6Deformationatmonitoringpointsinconstructionstage圖7各測(cè)點(diǎn)變形監(jiān)測(cè)Fig.7Deformationatmonitoringpoints4結(jié)論1） 卸載過程是主體結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐相互作用的一個(gè)復(fù)雜過程，是結(jié)構(gòu)受力逐漸轉(zhuǎn)移和內(nèi)力重分布的過程.盡管利用先進(jìn)的計(jì)算手段可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析，但鋼結(jié)構(gòu)在制作、安裝階段存在很多不確定性因素.為確保卸載過程的安全性，需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件在整個(gè)卸載過程中的應(yīng)力變化以及整體結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，全面把握卸載過程中的實(shí)際受力狀態(tài)與原設(shè)計(jì)的符合情況，提供結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息.這對(duì)于確保結(jié)構(gòu)的安全性具有十分重要的意義.2） 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋支撐卸載后，其主要內(nèi)力桿件相對(duì)于其卸載之前的應(yīng)力變化不大，且所有桿件的應(yīng)力隨卸載過程的進(jìn)行變化都比較平緩，較鋼材的屈月服應(yīng)力小很多.其監(jiān)測(cè)的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi)，可保證結(jié)構(gòu)的安全性.3） 卸載后體育場內(nèi)環(huán)各測(cè)點(diǎn)均較卸載前產(chǎn)生向下的豎向位移，且在短軸方向的位移明顯大于長軸方向的位移；體育場夕卜環(huán)各測(cè)點(diǎn)均較卸載前產(chǎn)生向上的豎向位移，同時(shí)短軸方向的位移大于長軸方向的位移，但是位移量都比較??；卸載完成后，測(cè)點(diǎn)的豎向高程均在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，可保證結(jié)構(gòu)的安全性.4） 由于西寧的高原氣候?qū)е碌母邷夭罴霸谛遁d施工過程中各種施工荷載的不定性，再加上每個(gè)卸載步各支點(diǎn)的實(shí)際卸載量并不完全等比例、支撐塔架的剛度不同等諸多因素，從而導(dǎo)致了應(yīng)力-應(yīng)變曲線會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變突變點(diǎn).因此，在大跨空間結(jié)構(gòu)的卸載施工過程中應(yīng)該盡量保證溫差波動(dòng)不會(huì)太大，避開溫度較高和較低的時(shí)間段，同時(shí)應(yīng)保證卸載施工嚴(yán)格按照卸載施工方案執(zhí)行，在施工卸載前應(yīng)對(duì)工人進(jìn)行統(tǒng)一培訓(xùn).參考文獻(xiàn)：[1]蔣金生，葉可明.上海新國際博覽中心鋼桁架結(jié)構(gòu)的施工及臨時(shí)支承拆除的卸載過程分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006,27（5）:118-122.[2]伍小平，高振鋒，李子旭.國家大劇院鋼殼體施工全過程模擬分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2005,26(5):40-45.[3]伍小平，高振鋒，李子旭，等.國家大劇院鋼殼體安裝中卸載方案分析[J].建筑施工，2005,27(6):6-8.[4]郭彥林，劉學(xué)武，趙瑛，等.國家體育場鋼結(jié)構(gòu)安裝方案研究[J].施工技術(shù)，,35(12):23-27.[5]郭彥林，劉學(xué)武.大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工力學(xué)問題及分析方法[J].T業(yè)建筑，,37(9):1-8.[6]饒曉文，季克和.探討臨時(shí)支撐卸載分析中的兩種方法[J].河