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】针针对大型钢桁桁架在吊装过过程中受到风风、温度以及及各类施工因因素影响所造造成的结构变变形、整体稳稳定性差、应应力变化复杂杂等情况，建建立专门的应应力应变监测测系统。可实实现施工全过过程实时监控控，提供实时时监测的结构构应力应变数数据，及时发发现吊装就位位过程中的危危险状态，为为及时预警提提供有效数据据。【关键词】：应应力应变监测测；传感器；变形控制；数据采集近年来，钢结构构行业发展突突飞猛进，吊吊装方法和技技术也不断拓拓展创新。但但随着大吨位位、超长、复复杂异形等组组合构件的广广泛出现，其其在拼组吊装装以及与主体体结构连接过过程中受到风风、温度以及及各类施工因因素影响所造造成的结构变变形、整体稳稳定性差、内内应力变化复复杂等情况，组组合构件的吊吊装提升、就就位安装的安安全性就成为为一个不可忽忽视的问题。因因而，建立一一套能对施工工全过程实时时动态监控的的监测系统，掌掌握钢构件工工作状态，提提供实时的结结构应力应变变数据，及时时发现和预警警在施工过程程中的各个危危险工作状态态，为设计、施施工单位及时时处理吊装全全过程中的各各种突发状况况提供可靠的的理论依据，为为大型钢桁架架吊装提供技技术保障。本文通过对工程程在大型钢桁桁架液压提升升过程中成功功应用的应力力应变监测技技术进行简单单分析，望能为今后类类似构件吊装装提供可借鉴鉴的经验。1、工程概况新综合业务楼位位于，主体采采用型钢混凝凝土结构、部部分钢结构，地地上15层，地下3层，主楼建建筑平面总长长度76.8m，总宽度76.8m，建筑檐口口标高76.655m。部分型钢桁架采采用地面拼装装、整体液压压提升方式安安装施工。由由于钢桁架体体积大、质量量重，为避免免施工过程荷荷载对桁架产产生不必要的的、影响结构构正常使用或或承载能力的的应力与变形形，需要对钢钢桁架的提升升施工产生的的施工荷载进进行结构应力力应变监控，所所监控的桁架架A、B在结构中的的标高位置见见图1；需要进行行施工监测的的A、B型钢桁架基基本情况如下下表1。图1钢桁架A、B位置示意图图表1钢桁架基基本情况参数数A型钢桁架B型钢桁架就位标高（m）高30.6500~40.6650m54.150~~63.1150m尺寸（m）长27m、宽00.6m、高高10m长36m，宽00.6m，高高9.8m杆件规格（mmm）H1000×6600×50×60H800×6000×30×45材质Q345GJCC-Z15Q345GJCC-Z15重量（t）146142由于两榀钢桁架架材质一样、重重量大致相同同，下面我们们就选择钢桁桁架A进行详细阐阐述。实际提升过程中中，钢桁架A采用分段进进场，拼装位位置位于其设设计标高正下下方的地面，依依托独立设置置的钢支架竖竖向拼装桁架架，在拼装构构件尺寸检查查、高强螺栓栓及焊缝连接接施工完成后后此阿勇两点点提升就位。钢钢桁架A提升时的悬悬吊固定点位位于钢桁架上上弦，在提升升位置焊接下下吊耳板、悬悬吊位置设置置加固杆件，吊吊装示意如图图2：图2钢桁架A空空中提升就位位示意图2、应力应变监监测实施原理理利用金属丝导体体的“应变-电阻效应”，在结构表表面粘贴由敏敏感金属丝制制成的电阻应应变计（传感感器），当结结构在外力作作用下会发生生应变，电阻阻应变计的敏敏感栅随之产产生相同应变变，其电阻值值也发生变化化，这样就把把应变转换成成电阻的变化化，应变和电电阻的关系如如下：R=ρeq\f(L,A)（1）当金属丝受力而而变形（伸长长或缩短）时时，其长度、截截面积和电阻阻率都将发生生变化，其电电阻变化可对对式（1）微分求得得：eq\f(dR,R)=eq\f(dρ,ρ)+eq\f(dL,L)--eq\f(dA,A)（2）式中：电阻率的的相对变化eq\f(dρρ,ρ)通常情况下下变化很小，可可以忽略不计计；金属丝伸伸长由泊松效效应（μ为泊松比）引引起截面变化化：eq\f(dA,A)=2μeq\f(dL,L)，代入（2）中：eq\f(dR,R)=eq\f(dL,L)+2μeq\f(dL,L)=（11+2μ）ε（3）式中：（1+22μ）就是金属属丝的灵敏洗洗漱，表示单单位应变引起起的相对电阻阻变化。但在在实际测试中中结构受力产产生的应变微微小，由此引引起应变计的的电阻变化非非常微小，难难以直接测量量这样微小的的电阻变化，利利用惠斯顿电电桥把电阻的的变化转化为为电压或电流流的变化，不不仅可以解决决信号获取的的问题，还解解决了温度补补偿等问题，最最终可以推算算出应变和电电压的关系式式（4），指导了了应变就可以以通过胡克定定律σ=Eε来计算出应应力。Uy=eq\f(UO,4))SE(ε1-ε2+ε3-ε4)（4）式中：Uy、UUO、SE分别为电桥桥的输出电压压、电桥的供供桥电压、应应变计的灵敏敏系数。3、应力应变测测试系统3.1系统构成成该系统是根据大大型复杂结构构施工过程中中要对多部位位的应力应变变进行实时监监测所开发的的，主要用于于大型复杂结结构施工过程程中结构关键键部位的应力力应变实时监监测和预警控控制，在信息息化施工中发发挥指导监督督作用。系统统主要由振弦弦式应变计、无无线传输、数数据采集处理理系统、服务务器、计算机机组成。将距距离相近的振振弦式应变计计与采集器无无线发射装置置相连，数据据通过无线传传输至室内接接收器，接收收器与计算机机系统相连，无无线接收距离离约2km。数据据采集可根据据测点布置情情况，单点或或多点集成无无线发射。整整个系统示意意图如图3。图3无线传传输系统示意意图3.2监测过程程通报形式结合施工阶段仿仿真分析结果果，在检测系系统中设置施施工阶段各测测点位置应变变传感器的应应变报警值。当当施工过程中中，测点实测测应变大于计计算危险状态态的应变报警警值；系统自自动报警，可可立即停止吊吊装。待施工工异常情况排排除后继续进进行提升施工工。4、桁架A提升升过程应力应应变分析4.1钢桁架AA计算分析对于混凝土构件件，钢结构构构件弹性性能能好，可以抵抵抗的整体变变形较大，但但其构件截面面板件厚度偏偏薄，结构经经受意外状况况后，处整体体变形外，还还会出现构件件局部变形和和屈曲现象。因因此，实施监监测前，需先先用ANSYS有限元软件件根据设计图图纸和施工方方案建立桁架架A有限元数值值模型，模型型采用SHELLL63单元，附加加固定杆件采采用BEAM1188单元，对钢钢桁架进行施施工过程仿真真模拟。如图图4。（1）风荷载影影响计算：施工方案中规定定，风速在超超过6级时停止吊吊装施工，根根据气象定义义，6级风速为100.8~133.8m/ss，取最大值V0=13.88m/s。吊吊装最高位置置海拔高度定定为60m，空气气密度ρ=0.001125e-00.001zz=0.000124。则则基本风压：：w0=eq\f(1,2)ρV02=0.55*0.000124**13.822=0.1118kN//m2。钢桁架A距离地地面高度为40m，C类地面粗糙糙度，风压高高度变化系数数μz=1.0，体型系数数取表中33项次：μst=φμsф=eq\f(An,A)=1440.6/2225.6==0.6233,μs=1.33,μst=φμs=0.6223*1.33=0.811。则风速为为六级时，作作用在钢桁架架A上的风压标标准值为：wk=βzμsμzw0=1.0**0.81**1.0*00.118==0.10kkN/m2=100NN/（106mm2）=1*100-4N/mmm2。风载和钢钢桁架自重作作用下的有限限元模型如图图5。图4钢桁架A有有限元模型图5钢桁架A提升荷载作作用对比无风荷载作作用的钢桁架架A提升过程中中的结构内力力，封载主要要引起结构横横向刚体位移移，对结构内内力影响较小小。（2）计算结果果：结构平面内变形形见图6，吊装过程程中结构计算算结果的应力力梯度图见图图7~图10。图6吊装时钢桁桁架A的平面内变变形图7第一主应力力图8VonMisess应力图9上弦翼缘压压应力图10竖向应力力分析以上结果，钢钢桁架A上应变变化化较为显著的的位置分布如如下图11。图11钢桁架AA应变关注点点各点位正常吊装装过程中的最最大应力应变变见表2，弹性模量量根据规范取取2.06××105N/mm2，结构重力力加速度g=10mm/s2。由于计算算时未考虑螺螺栓连接节点点板等自重影影响，因此，考考虑到附属配配件自重，实实测应变值不不超过计算值值15~20%。表2各点计算算应力和应变变测点编号应力（N/mmm2）应变（με）1#SX=8.1-392#SY=45.332203#SX=12.33604#SX=5.9，SY=4.129/205#SX=2.5，SY=4.012/196#SY=5.3267#SY=12.66618#SY=3.5174.2温度影响响吊装实施过程中中受温度影响响，钢桁架受受环境温度影影响会产生变变形，根据规规范，钢材线线膨胀系数为为12×100-6。钢桁架架吊装长度约约30m，如下料制制作时温度和和吊装焊接时时温度相差1℃，则桁架伸伸长或缩小0.36mmm，如温度差10℃，则桁架会会变形4mm，吊装时需需注意温度影影响。5、应力应变监监测5.1钢桁架构构件连接质量量吊装提升前，先先对钢桁架施施工完成的连连接高强度螺螺栓和焊缝进进行抽检，结结果如表3。表3焊缝质量量和高强螺栓栓扭矩抽检结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上翼缘4条，斜腹杆杆翼缘3条一级高强螺栓下部水平杆件上上翼缘2个节点板，斜斜腹杆翼缘2个节点板1200N.mm所抽检的焊缝质质量用超声波波方法进行检检测，能够达达到一级焊缝缝要求；高强强螺栓扭矩值值1200NN.m，达到监理理单位提供的的扭矩值要求求。5.2应变测点点位置布置根据有限元模型型所确定的应应变测点位置置结构现场实实际布置条件件，钢桁架A的应变测点点布置如图12。图12钢桁架架A现场测点布布置图用HY-65BB3000BB数码应变表表面传感器、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应变传传感器技术参参数技术指标技术参数仪器外形量程范围（μεε）±1500最小分辨率（μμε）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/4hh温度漂移≤1με/℃工作电压DC+8~122V<30mmA工作环境（℃）-20~+600湿度<100%RHH防护等级IP65图13现场场数据采集系系统图5.3应变监测测结果通过对钢桁架液液压提升全过过程（提升、就就位、焊接、提提升吊点拆除除）中的最大大或最小应变变测试数据列列表如表5，测试过程程数据如下图图14~图20。表5钢桁架AA测点应变值值（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点点及其对称位位置测点应变变图151-2点及其对称称位置测点应应变图161--3点及其对称称位置测点应应变图1711-4点及其对称称位置测点应应变图181--5点及其对称称位置测点应应变图1911-6点及其对称称位置测点应应变图201--7点及其对称称位置测点应应变钢桁架A吊装过过程中，各测测试点应变变变化正常，基基本在计算预预估范围内。受受吊装过程中中桁架水平度度调整影响，个个别测点吊装装过程中的压压应变短时间间内超过计算算值，吊装到到标高就位时时，所超过计计算值的测点点应变重新减减小到计算预预估值以内。同同时，钢桁架架A在吊装就位位、水平构件件安装完成后后，吊装装置置拆除后现场场检查均未发发现钢结构局局部变形屈曲曲等异常情况况。6监测系统优点点该套多点式应力力应变监测系系统在原有的的集中式上进进行了完善和和优化，系统统软件进行了了全面升级，具具有如下优点点：（1）、振弦式式应变无线传传输系统与振振弦式传感器器集成一体，实实现单点无线线采集传输，采采集的数据可可以实时无线线传输至计算算机，保证了了采集数据的的准确性；（2）、应变数数据采用数字字信号传输，避避免测量噪声声，测量精度度高，抗干扰扰能力强。无无线传输距离离约2km远，通通讯协议采用用IEEE标准准。结合互联联网，可实现现更远距离传传输。（3）、自组织织、自恢复多多跳传感器测测量网络，支支持多种网络络拓扑结构。（4）、强大软件支持，可可提供只管数数据显示、数数据存储、变变化曲线自动动生成、自动动报警等多项项功能。（5）、可同时时实现对多个个监测点位进进行实时监控控。（6）、信号调调整器的线性性度可达0.02%，确保信号号在调整环节节的失真较小小，提高其抗抗干扰能力。（7）、强化系系统的防护，传传感器和无线线发射器均具具备防水功能能，即可抗电电磁干扰、防防止机械损坏坏和电气焊烧烧损，又能防防止雨雪造成成期间的短路路和损坏，可可实现连续长长时间露天作作业。7、结束语根据施工过程有有限元分析，现现场吊装应变变测试，钢桁桁架吊装施工工过程基本正正常，结构应应变变化在弹弹性范围，未未发现吊装施施工引起的变变形屈曲等异异常情况。通通过现场采集集大量实测应应力应变数据据试验，分析析得出以下结结论：（1）、监测应应力应变数据据满足国家规规范，结构安安全储备较大大，理论与实实测数据的差差异均在容许许范围内，且且变化趋势相相互吻合。（2）、通过对对不同点位的的应力应变检检测，发现钢钢