钢桁架液压提升施工应力应变监测施工技术的应用及实践

应力应变监测技术在大型钢桁架液压提升施工中的应用和实践（浙江）【摘要】针对大型钢桁架在吊装过程中受到风、温度以及各类施工因素影响所造成的结构变形、整体稳定性差、应力变化复杂等情况，建立专门的应力应变监测系统。可实现施工全过程实时监控，提供实时监测的结构应力应变数据，及时发现吊装就位过程中的危险状态，为及时预警提供有效数据。【关键词】：应力应变监测；传感器；变形控制；数据采集近年来，钢结构行业发展突飞猛进，吊装方法和技术也不断拓展创新。但随着大吨位、超长、复杂异形等组合构件的广泛出现，其在拼组吊装以及与主体结构连接过程中受到风、温度以及各类施工因素影响所造成的结构变形、整体稳定性差、内应力变化复杂等情况，组合构件的吊装提升、就位安装的安全性就成为一个不可忽视的问题。因而，建立一套能对施工全过程实时动态监控的监测系统，掌握钢构件工作状态，提供实时的结构应力应变数据，及时发现和预警在施工过程中的各个危险工作状态，为设计、施工单位及时处理吊装全过程中的各种突发状况提供可靠的理论依据，为大型钢桁架吊装提供技术保障。本文通过对工程在大型钢桁架液压提升过程中成功应用的应力应变监测技术进行简单分析，望能为今后类似构件吊装提供可借鉴的经验。1、工程概况新综合业务楼位于，主体采用型钢混凝土结构、部分钢结构，地上15层，地下3层，主楼建筑平面总长度76.8m，总宽度76.8m，建筑檐口标高76.65m。部分型钢桁架采用地面拼装、整体液压提升方式安装施工。由于钢桁架体积大、质量重，为避免施工过程荷载对桁架产生不必要的、影响结构正常使用或承载能力的应力与变形，需要对钢桁架的提升施工产生的施工荷载进行结构应力应变监控，所监控的桁架A、B在结构中的标高位置见图1；需要进行施工监测的A、B型钢桁架基本情况如下表1。图1钢桁架A、B位置示意图表1钢桁架基本情况参数A型钢桁架B型钢桁架就位标高（m）高30.650~440.6500m54.150~63.1550m尺寸（m）长27m、宽0.66m、高10m长36m，宽0.66m，高9.8mm杆件规格（mm）H1000×6000×50×60H800×6000×30×45材质Q345GJC--Z15Q345GJC--Z15重量（t）146142由于两榀钢桁架材质一样、重量大致相同，下面我们就选择钢桁架A进行详细阐述。实际提升过程中，钢桁架A采用分段进场，拼装位置位于其设计标高正下方的地面，依托独立设置的钢支架竖向拼装桁架，在拼装构件尺寸检查、高强螺栓及焊缝连接施工完成后此阿勇两点提升就位。钢桁架A提升时的悬吊固定点位于钢桁架上弦，在提升位置焊接下吊耳板、悬吊位置设置加固杆件，吊装示意如图2：图2钢桁架A空中提升就位示意图2、应力应变监测实施原理利用金属丝导体的“应变-电阻效应”，在结构表面粘贴由敏感金属丝制成的电阻应变计（传感器），当结构在外力作用下会发生应变，电阻应变计的敏感栅随之产生相同应变，其电阻值也发生变化，这样就把应变转换成电阻的变化，应变和电阻的关系如下：R=ρeq\f(L,A)（1）当金属丝受力而变形（伸长或缩短）时，其长度、截面积和电阻率都将发生变化，其电阻变化可对式（1）微分求得：eq\f(dR,R)=eq\f(dρ,ρ)+eq\f(dL,L)-eq\f(dA,A)（2）式中：电阻率的相对变化eq\f(dρ,ρ)通常情况下变化很小，可以忽略不计；金属丝伸长由泊松效应（μ为泊松比）引起截面变化：eq\f(dA,A)=2μeq\f(dL,L)，代入（2）中：eq\f(dR,R)=eq\f(dL,L)+2μeq\f(dL,L)=（1+2μ）ε（3）式中：（1+2μ）就是金属丝的灵敏洗漱，表示单位应变引起的相对电阻变化。但在实际测试中结构受力产生的应变微小，由此引起应变计的电阻变化非常微小，难以直接测量这样微小的电阻变化，利用惠斯顿电桥把电阻的变化转化为电压或电流的变化，不仅可以解决信号获取的问题，还解决了温度补偿等问题，最终可以推算出应变和电压的关系式（4），指导了应变就可以通过胡克定律σ=Eε来计算出应力。Uy=eq\f(UO,4)SE(ε1-ε2+ε3-ε4)（4）式中：Uy、UO、SE分别为电桥的输出电压、电桥的供桥电压、应变计的灵敏系数。3、应力应变测试系统3.1系统构成该系统是根据大型复杂结构施工过程中要对多部位的应力应变进行实时监测所开发的，主要用于大型复杂结构施工过程中结构关键部位的应力应变实时监测和预警控制，在信息化施工中发挥指导监督作用。系统主要由振弦式应变计、无线传输、数据采集处理系统、服务器、计算机组成。将距离相近的振弦式应变计与采集器无线发射装置相连，数据通过无线传输至室内接收器，接收器与计算机系统相连，无线接收距离约2km。数据采集可根据测点布置情况，单点或多点集成无线发射。整个系统示意图如图3。图3无线传输系统示意图3.2监测过程通报形式结合施工阶段仿真分析结果，在检测系统中设置施工阶段各测点位置应变传感器的应变报警值。当施工过程中，测点实测应变大于计算危险状态的应变报警值；系统自动报警，可立即停止吊装。待施工异常情况排除后继续进行提升施工。4、桁架A提升过程应力应变分析4.1钢桁架A计算分析对于混凝土构件，钢结构构件弹性性能好，可以抵抗的整体变形较大，但其构件截面板件厚度偏薄，结构经受意外状况后，处整体变形外，还会出现构件局部变形和屈曲现象。因此，实施监测前，需先用ANSYS有限元软件根据设计图纸和施工方案建立桁架A有限元数值模型，模型采用SHELL63单元，附加固定杆件采用BEAM188单元，对钢桁架进行施工过程仿真模拟。如图4。（1）风荷载影响计算：施工方案中规定，风速在超过6级时停止吊装施工，根据气象定义，6级风速为10.8~13.8m/s，取最大值V0=13.8m/s。吊装最高位置海拔高度定为60m，空气密度ρ=0.00125e-0.001z=0.00124。则基本风压：w0=eq\f(1,2)ρV02=0.5*0.00124*13.82=0.118kN/m2。钢桁架A距离地面高度为40m，C类地面粗糙度，风压高度变化系数μz=1.0，体型系数取表中33项次：μst=φμsф=eq\f(An,A)=140.6/225.6=0.623,μs=1.3,μst=φμs=0.623*1.3=0.81。则风速为六级时，作用在钢桁架A上的风压标准值为：wk=βzμsμzw0=1.0*0.81*1.0*0.118=0.10kN/m2=100N/（106mm2）=1*10-4N/mm2。风载和钢桁架自重作用下的有限元模型如图5。图4钢桁架A有限元模型图5钢桁架A提升荷载作用对比无风荷载作用的钢桁架A提升过程中的结构内力，封载主要引起结构横向刚体位移，对结构内力影响较小。（2）计算结果：结构平面内变形见图6，吊装过程中结构计算结果的应力梯度图见图7~图10。图6吊装时钢桁架A的平面内变形图7第一主应力图8VonMises应力图9上弦翼缘压应力图10竖向应力分析以上结果，钢桁架A上应变变化较为显著的位置分布如下图11。图11钢桁架A应变关注点各点位正常吊装过程中的最大应力应变见表2，弹性模量根据规范取2.06×105N/mm2，结构重力加速度g=10m/s2。由于计算时未考虑螺栓连接节点板等自重影响，因此，考虑到附属配件自重，实测应变值不超过计算值15~20%。表2各点计算应力和应变测点编号应力（N/mm22）应变（με）1#SX=8.1-392#SY=45.32203#SX=12.3604#SX=5.9，SY==4.129/205#SX=2.5，SY==4.012/196#SY=5.3267#SY=12.6618#SY=3.5174.2温度影响吊装实施过程中受温度影响，钢桁架受环境温度影响会产生变形，根据规范，钢材线膨胀系数为12×10-6。钢桁架吊装长度约30m，如下料制作时温度和吊装焊接时温度相差1℃，则桁架伸长或缩小0.36mm，如温度差10℃，则桁架会变形4mm，吊装时需注意温度影响。5、应力应变监测5.1钢桁架构件连接质量吊装提升前，先对钢桁架施工完成的连接高强度螺栓和焊缝进行抽检，结果如表3。表3焊缝质量和高强螺栓扭矩抽检结果构件项目部位及数量检测结果钢桁架A焊缝下部水平杆件上翼翼缘4条，斜腹杆杆翼缘3条一级高强螺栓下部水平杆件上翼翼缘2个节点板，斜斜腹杆翼缘2个节点板1200N.m所抽检的焊缝质量用超声波方法进行检测，能够达到一级焊缝要求；高强螺栓扭矩值1200N.m，达到监理单位提供的扭矩值要求。5.2应变测点位置布置根据有限元模型所确定的应变测点位置结构现场实际布置条件，钢桁架A的应变测点布置如图12。图12钢桁架A现场测点布置图用HY-65B3000B数码应变表面传感器、HY-65L无线发射器、HY-65PC无线数据接收器和武汉华岩配套的数据采集软件组成动态数据采集系统，由以上部件组成的测量系统如图13。无线传送距离可达2km。若采用公共网络，则可以传输更远距离。现场采用的应变传感器外形及技术参数见表4。表4应变传感器技术参数技术指标技术参数仪器外形量程范围（με）±1500最小分辨率（μεε）0.1标距（mm）150非线性及准度≤1.0%F.S重复性及滞后≤0.5%F.S零点漂移≤4με/4h温度漂移≤1με/℃工作电压DC+8~12VV<30mA工作环境（℃）-20~+60湿度<100%RH防护等级IP65图13现场数据采集系统图5.3应变监测结果通过对钢桁架液压提升全过程（提升、就位、焊接、提升吊点拆除）中的最大或最小应变测试数据列表如表5，测试过程数据如下图14~图20。表5钢桁架A测点应变值（με）测点吊装阶段卸载测点吊装阶段卸载1点-38.242.71#点-45.3/2点205.1/2#点164-35.73点16.939.13#点11.054.44点11.7/4#点8.248.05点8.933.85#点16.312.76点18.219.66#点7.8/7点41.919.17#点38.3/图141-1点及其对称位置测点应变图151-2点及其对称位置测点应变图161-3点及其对称位置测点应变图171-4点及其对称位置测点应变图181-5点及其对称位置测点应变图191-6点及其对称位置测点应变图201-7点及其对称位置测点应变钢桁架A吊装过程中，各测试点应变变化正常，基本在计算预估范围内。受吊装过程中桁架水平度调整影响，个别测点吊装过程中的压应变短时间内超过计算值，吊装到标高就位时，所超过计算值的测点应变重新减小到计算预估值以内。同时，钢桁架A在吊装就位、水平构件安装完成后，吊装装置拆除后现场检查均未发现钢结构局部变形屈曲等异常情况。6监测系统优点该套多点式应力应变监测系统在原有的集中式上进行了完善和优化，系统软件进行了全面升级，具有如下优点：（1）、振弦式应变无线传输系统与振弦式传感器集成一体，实现单点无线采集传输，采集的数据可以实时无线传输至计算机，保证了采集数据的准确性；（2）、应变数据采用数字信号传输，避免测量噪声，测量精度高，抗干扰能力强。无线传输距离约2km远，通讯协议采用IEEE标准。结合互联网，可实现更远距离传输。（3）、自组织、自恢复多跳传感器测量网络，支持多种网络拓扑结构。（4）、强大软件支持，可提供只管数据显示、数据存储、变化曲线自动生成、自动报警等多项功能。（5）、可同时实现对多个监测点位进行实时监控。（6）、信号调整器的线性度可达0.02%，确保信号在调整环节的失真较小，提高其抗干扰能力。（7）、强化系统的防护，传感器和无线发射器均具备防水功能，即可抗电磁干扰、防止机械损坏和电气焊烧损，又能防止雨雪造成期间的短路和损坏，可实现连续长时间露天作业。7、结束语根据施工过程有限元分析，现场吊装应变测试，钢桁架吊装施工过程基本正常，结构应变变化在弹性范围，未发现吊装施工引起的变形屈曲等异常情况。通过现场采集大量实测应力应变数据试验，分析得出以下结论：（1）、监测应力应变数据满足国家规范，结构安全储备较大，理论与实测数据的差异均在容许范围内，且变化趋势相互吻合。（2）、通过对不同点位的应力应变检测，发现钢桁架的上下弦杆、斜腹杆件均并未轴心受力杆件，特别是在吊装施工过程中，当应力情况较小时，其监控的实测数据具有一定的游离性，大部分杆件不同程度出现附加弯曲应力，估计与其杆件存在初偏心和初弯曲有关，这可能与制作加工有一定关系，但也不排除传感器及检测系统的误差。（3）、本次应力应变监测技术的运用在我公司尚属首次，就行业范围来说，其应用也并不多见，虽然监控周期较长，费用相对较高，技术难度较大，但获得的大量珍贵的实测数据对今后类似工程将是一笔宝贵的财富和有益的经验借鉴。（4）、通过应力应变的实测值和预估值的分析比较，验证原设计和施工方案的合理性