大跨度钢结构屋架挠度变形监测方法

1、大跨度钢结构屋架挠度变形监测方法铁道建筑RailwayEngineeringDecember,2006文章编号:1003.1995(2006)12.0096.03大跨度钢结构屋架挠度变形监测方法李锦城(广东工业大学建设学院,广州510000)摘要:介绍一种通过测量视线与水平视线高差的方法,精确测定大跨度钢结构屋架挠度变形.在监测过程中采取一定的措施,使全站仪的测角精度2s时,变形点的高差测量精度能达到二等水准测量精度,能满足建筑物变形测量规范中挠度变形监测的精度要求.关键词:屋盖桁架挠度变形观测精度中图分类号:TUI98.6文献标识码:B现代大跨度场馆的屋盖设计中,大都采用钢结构桁架,由于跨度

2、大,钢结构桁架将会产生不容忽视的挠度变形.因此,钢结构桁架在安装及使用过程中,须及时监测其挠度的变化情况,分析钢结构的安全稳定性,以便及早发现问题,及时采取有效补救措施,避免事故的发生.由于大跨度钢结构屋架结构的特殊性.用二等水准测量方法测定其挠度,往往难以实现,有的只好贴反射片.但反射片对油漆防锈施工有一定影响,还可能引起锈蚀,业主往往不同意贴反射片监测的方法.本文通过工程实例,介绍一种通过测量视线与水平视线间的高差,精确测定大跨度钢结构桁架挠度变化的方法.实际应用和理论分析证明,该方法能达到二等水准测量精度,能满足建筑物变形测量规范中挠度变形监测的精度要求.l工程概况某大学体育中心体育馆屋

3、盖采用双向正交平面桁架.工程按照国家现行有关规范,规程,建设标准进行设计和施工.体育馆屋盖耐火等级为一级,采用薄型防火涂料,耐火极限为2.0h.工程抗震措施采用设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g;基本风压.=0.55km/m,地面粗糙度为B类;体育馆屋盖上弦恒载1.0kN/m,活荷载0.5kN/m.,下弦恒载为0.2kN/m.屋盖双向正交平面桁架跨度尺寸66.1mX66.1m,见图1.依据设计院设计要求及网架结构设计与施工规程(JGJ791)要求,应对体育馆钢屋架进行挠度变形监测,测点布设见图1.2挠度变形监测及精度分析2.1基准控制网布设_/Nr,看台×1的JZIJZ6

4、点),使其构成基准点观测网.如果看台结构物整体均匀下沉,对于挠度变形观测来讲不会产生影响.但是,若基础结构发生不均匀沉降,基准点相对于变形点的高差将发生变化.因此,在每次挠度变形观测前,先对基准点进行精密水准测量,通过平差求得各基准点的高程,以便利用这些基准点准确测得各变形点挠度的变形值.基准点采用直径约1cm,长约10cm的不锈钢条且顶部刻有十字,冲击钻打孔后用环氧树脂粘合于看台上,确保其稳固.2.2观测点布设根据设计要求,在体育馆屋盖桁架3XC轴,4XE轴,5XD轴,6xF轴下弦交点处(屋盖桁架底部梁2006年第l2期大跨度钢结构屋架挠度变形监测方法97上),布设4个挠度变形观测点(如图1

5、中的1,2,3,4点).变形观测点采用自制的边长14.1cm的正方形钢板,沿对角线两边喷黑与白的油漆,使黑白分界线垂直地面焊接在梁上,让每边的三角形顶点(a,b,C)在上下方向的垂直距离为10cm(见图2).图2变形观测点标志图2.3测量方法1)测量精度要求建筑物变形测量规范中要求变形点单程高差观测中误差m=±0.7mm.2)基准控制网测量每次挠度变形观测前,先对基准点进行精密水准测量,再用高精度全站仪测量各基准点的坐标和两点之间的距离,高差,经平差后得出各点的高程和距离,确定基准点的基本参数后,再进行挠度变形观测点的观测.每次用全站仪观测基准点高差变化,再用精密水准仪进行校核测量,

6、检验全站仪精度的变化及气象条件的改变对全站仪高差测量精度的影响,求出可能的修正值,确保全站仪高差测量的精度要求.3)挠度变形观测的方法首次观测时,在变形点上精确安置反射镜,在基准点上用全站仪测定每一变形观测点与基准点之间的高差和水平距离,经平差解算出各点的高程和相对于各基准点的水平距离,作为以后每次变形观测比较的依据,以后要定期进行检测.这种观测精度要求较高,规范要求必须连续进行两次观测,互差小于限差时取其平均值作为最后结果.图3挠度变形观测方法示意图挠度变形观测时,在一基准点上安置全站仪,精确对中,严格整平,在另一基准点上安置带有对中杆的三脚架和反射棱镜,精确对中和整平.首先观测测站点(基准

7、点)到镜站点i(基准点)的斜距.s.及竖直角a(见图3),可按(1)式计算出镜站水平视线相对于镜站点地面标志的高差.Ah.=D.tana+(1一K)D/(2尺)+b(1)(1)式中a为视线i与水平线之间的竖直角,b为反射镜高,为大气折光系数,尺为地球的平均曲率半径,D.为测站,镜站两点间的水平距离,D.=S.COS0t.,然后,在测站(基准点)上观测变形监测点的竖直角,测定其相对于水平视线的竖直角a,(如图3所示).由于其相对于测站点的水平距离D,已知,则可计算出变形点相对于测站点水平视线的高差为Ah=Dtana+(1一K)D/(2R)(2)(2)式中a,为测站点到变形点的视线与水平线之间的竖

8、直角,其他符号与(1)式含义相同.此时,变形点相对于镜站点的高差为Ah=AhiAh=Djtana,一D.tana+(1一K)(D一D)/(2尺)+b(3)观测时,在每个测站分别观测每个变形标志(如)三角形三个顶点的竖直角,计算三角形标志三个顶1.4mm时,取均值为最后结果.对于挠度变形观测来说,由于观测目标固定,反射镜镜高固定,测站固定,目标的挠度变形是上下垂直位移,所以测站至目标的水平距离是不变的.每次观测时水平距离的变化主要是仪器对中误差的影响.大气折光对观测点测量高差值的影响,在变形量比较时可以互相抵消.因此,在进行变形量比较的每次测量高差计算时,(3)式的后两项可以不参加计算,即Ah=

9、一Ah;:DJtan%一D;tana(4)而某次观测点的高程为,=h.+(5)其挠度变形量为(变形量)=(初次)一(本次)(6)2.4精度分析变形点与镜站点(基准点)高差计算公式:Ah=,一Ah;=Ssin%一S.sina.+b+(1一K)(D一D)/(2R)对其进行全微分得dAh=sinai+SjcosCtj(1一K)IRdSj+一sina;一s.COS2a.(1一K)/RdS+Sjcosaj/p一(1一)s2c0sl”,(脚)d+Sic0sa./p+(1一K)s:c0sasina;,(邱)da.+db根据误差传播定律公式,高差测量中误差m=±|采ss采m,将竖直角和斜距观测值,大

10、气折光系数K(取0.14)和地球平均半径R(取6371000m)及P(P=206265”)代人上式,并取测角中误差m=±0.5”,m=±1mm,m=±0.3mm.最弱点单程高差中误差估量计算得m:±0.587mm,达到建筑物变形测量规范中变形点单程高差观测中误差m=±0.7mm的要求.高差测量较差可取±1.4liltm.n次等精度观测值的算术平均值中误差为m/n.3实测数据在本工程实例体育馆屋盖桁架两次竖直角高程测量中观测精度(用测角中误差m=±0.5”的徕卡TC2000全站仪)见表1.表1中所列各实测精度均能表1屋盖桁架高

11、程测量表mm观测观测目标高差较差两测站高变形量日期点号口,b问b,c问程互差1一O.7一O.51.12一O.3O.O一1.304一O63O.4O.1O.84O.2O.61.41一O.2一O.4一O.83.52O.OO.2一O.55.2042O3O.6O.81.26.14一O.3O.5一O.94.2允许误差1.O1.O1.4达到有关要求.4结论由上述分析可以看出,采用本方法监测大型场馆的钢结构屋盖桁架在建造过程中或使用过程中的挠度变形,测量精度完全可以达到二等水准测量的精度要求.根据理论分析和实际应用经验,建议如下:1)在使用全站仪监测时,应根据不同距离及仪器的精度指标进行精度估算,确定测距,测角的测回数,仪器的测角精度应2s.2)基准点的选择尽可能的靠近观测点,且仰角不宜过大,以<25.为宜.基准点间最好用精密水准观测,提高观测效率.3)观测目标点的制作时应能较长时间保存,不易损坏,尤其结构物在使用过程中要进行观测目标点的保