大跨度钢屋盖卸载方案及现场监测

大跨度钢屋盖卸载方案及现场监测王秀丽;仲海民【摘要】Thereal-timeonlinemonitoringofstressinsteelroofofXiningstadiumwascarriedout.Themonitoringresultshowedthat:thestressvariationintherodsofthesteelstructurewassmallafterunloading,thestressvariationwassmootherandgentlerintheunloadingprocess,anditsmonitoredvaluesofstressandstrainwerewithinthestructuredesignrange.Afterunloading,thepointsontheinnerperipher-yofstadiumframemoveddownwardwithverticaldisplacement,whilethepointstoontheouterperipherymovedupworkwithverticaldisplacement.Atthesametime,thedisplacementofpointsontheendofshortaxisislargerthanthatonlongaxis,allthedisplacementsbeingsmall.Afterunloading,theelevationofmeasuringpointwereallwithinthedesignrange.%以西宁体育场屋盖卸载为例，在卸载过程中对其应力进行实时在线监控.监控结果表明，钢结构屋盖支撑卸载后，其主要内力杆件相对于其卸载之前的应力变化不大,且所有杆件的应力随卸载过程的进行变化都比较平缓，其监测的应力-应变在结构设计的范围之内；卸载后体育场内环各测点均较卸载前产生向下的竖向位移,而体育场夕卜环各测点均较卸载前产生向上的竖向位移,同时短轴方向的位移大于长轴方向的位移，但是位移量都比较小；卸载完成后，测点的竖向高程均在设计范围之内.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷)，期】2012(038)006【总页数】4页(P108-111)【关键词】支撑卸载;钢管桁架;监测【作者】王秀丽;仲海民【作者单位】兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州730050；兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TU312.3;TU393.3建筑结构的新颖化和复杂化推动了施工新方法、新技术的发展.一些大型的复杂空间结构在安装过程中设置临时支撑以及在结构安装完成后拆除临时支撑的施工方法得到了广泛的应用，如上海新国际博览中心［1］、国家大剧院［2-3］、国家体育场［4］等.工程结构在建造过程中会呈现出时变特性，存在较高的安全风险［5］.工程质量事故统计分析表明，施工阶段建筑工程失效事故明显高于正常使用阶段.由于大跨空间结构施工规模大、范围广、周期长、过程复杂，因此在大跨空间结构大量应用的同时，国内夕卜也发生了一些结构在施工中倒塌和局部破坏的事故.如：1993-10-21下午，山西某矿井洗煤厂的一个组合网壳工程在施工过程中破坏;某体育馆50mx50m斜放四角锥网架在高空散装施工时，由于脚手架刚度不足而造成网架挠度过大，影响正常使用；1987年韩国建设的SeoulOlympicPark,—网壳结构工程在施工时倒塌；1988年5月，美国密西根大学的一网壳结构在施工时倒塌［6］;1992年9月，中国深圳国际展览中心，由于暴雨造成屋面积水过多荷载加大，造成展厅整体倒塌.该展厅面积7200m2，为螺栓球节点网架结构，1989年5月建成［7］.如能对这些复杂空间结构修建的性能状态进行监测，对空间结构的各类信息进行管理，对其健康情况进行评估、给出维修建议等，将确保大跨空间结构的安全性和稳定性，维护地区的人民和财产安全.以西宁体育场卸载施工为例，对其卸载过程进行实时在线监控，以确保体育场的安全卸载.1工程慨况西宁体育场钢屋盖直径约为257.5m，采用40棉正放三角形管桁结构.管桁架之间由内环端部联系桁架以及下弦节点间的联系钢管相连，构成完整的体育场屋盖.屋盖支承在40根与看台整体连接的钢骨混凝土悬臂柱上，40棉正放三角形管桁架在体育场外圈端部向下弯折18m，通过2根拉压杆支承在钢筋混凝土顶板上，使屋盖与外立面幕墙浑然一体.钢骨架上覆盖膜和铝板，屋盖悬挑长度从21.3m到39.5m不等.立面围护幕墙采用空间折面网格结构，由40个形状大小一样的四面体构成，每个结构单元与钢结构主体骨架相连.图1体育场钢屋盖模型Fig.1Modelofstadiumsteelroof2结构支撑卸载方案临时支撑的拆除（永久结构的卸载）过程是永久结构和临时结构之间的一个复杂的力学状态转变过程，是永久结构受力逐渐转移和内力重分布的过程.如果卸载过程和受力过渡不平稳，构件内应力会发生突变，可能导致安全事故.因此，保证卸载过程中结构体系的受力状态平稳有序地转换，是大跨空间结构安全卸载的关键[8].该工程中，临时支撑的拆除通过下调螺旋式千斤顶的回程来实现.在下调过程中，将引起永久结构和临时支撑的内力重新分配；下调千斤顶的受力减小，周边千斤顶的受力增大.如果卸载次序、卸载量不合理或千斤顶的卸载不同步，会导致悬挑桁架侧弯偏转，甚至整体失稳.因此，在卸载过程中，必须保证西宁体育场安全卸载，使临时支撑结构上的荷载平稳地转移到永久结构上而不发生整体结构的失稳.卸载工况下的结构体系和应力状态不同于结构设计下的工况，卸载过程中常见的问题包括杆件应力过大或杆件受力与设计内力反向等.制定合理的卸载方案可以有效避免以上问题，其关键因素为卸载顺序及各卸载点每一级的卸载量[9].体育场严格按〃分区分级对称同步卸载”的方案，在每个区卸载支撑架顶部设置50t螺旋千斤顶；在卸载时安排2人1组，1人操作千斤顶，1人负责监控；同时为控制卸载速度，规定转动螺旋千斤顶半圈为卸载行程的控制单元，转动速度控制在5s内完成，等检测完成后方可开始下个动作.体育场共使用了80个型钢支撑架，最后成功实施了体育场支撑架的分区分级对称同步卸载.体育场支撑架布置及分区卸载顺序如图2所示，卸载顺序为1区-2区-3区-4区.图2支撑架布置点及分区卸载顺序示意图Fig.2Layoutofsupportingframesandsequenceofsegmentalunloading3结构卸载施工监测方案3.1结构关键部位应变监测空间结构构件的受力状态是衡量结构是否处于正常运行状态的一个重要指标.通过杆件受力监测，不仅能从总体上评估结构的安全性和耐久性，也能检测杆件、焊接系统和支撑系统是否完好[10].监测方案要选择对结构稳定起关键作用的杆件，尽可能保证监测能对结构安全起控制作用.图3应力-应变测点编号Fig.3Numberingoftestpointsofstressandstrain该结构为轴对称结构，综合考虑结构受力分析结果，选择20根关键构件进行应变监测.如图3中的平面布置图中2处位置，其中一处标记位置处选用光纤光栅应变传感器，另一处标记位置处用钢弦传感器.每处包括4根撑杆、3根弦杆、2根腹杆、1根环形钢管（图中黑点处标记）.每个构件测点的传感器数量应该足够真实反映相应位置的应力情况.各个应变计的位置安装都沿着杆件轴向方向，安装位置不在焊缝处，远离节点位置.测点编号如图3中所示标记.由于短轴方向管桁架处杆件应力最大，远大于长轴方向管桁架处杆件应力，因此对短轴方向处管桁架杆件应力进行了全程监测；即从区域1卸载开始到区域4卸载结束，连续监测随卸载区域的不断转移短轴方向管桁架杆件应力的变化情况；对长轴方向管桁架只监测区域4卸载过程中杆件应力的变化情况.由图4、5监测结果看，钢结构屋盖型钢支撑卸载后，大多数杆件相对于其卸载之前的应力变化不大，且所有杆件的应力随卸载过程的进行变化都比较平缓，较钢材的屈月服应力小很多，控制在结构设计的范围之内.随着卸载过程的进行，所有测点的应力在总体趋势上都在增大.部分测点的应变出现些许波动，这与钢结构本身的复杂程度、每个卸载步各支点的实际卸载量并不完全等比例、支撑塔架的刚度不同等诸多因素有关.图41-22~23处管桁架各杆件随卸载应力变化监测Fig.4Monitoredvariationofstresseswithinrodsoftubularframeatpoints#1-22to#1-23inunloadingprocess图51-140处管桁架各杆件随卸载应力变化Fig.5Variationofstresseswithinrodsoftubularframeatpoints#1-140tounloadingprocess3.2结构变形监测施工卸载变形观测点位置及编号如图6所示，共16个测点.在卸载阶段采用高精度全站仪的测量方法，所选用全站仪精度在1s以上.由图7可知，卸载后体育场内环各测点均较卸载前产生向下的竖向位移，且在短轴方向的位移明显大于长轴方向的位移.体育场夕卜环各测点均较卸载前产生向上的竖向位移，同时短轴方向的位移大于长轴方向的位移，但是位移量都比较小；所产生的位移东西向基本对称，南北向基本对称.卸载完成后，测点的竖向高程均达到设计要求.图6施工阶段变形观测测点Fig.6Deformationatmonitoringpointsinconstructionstage图7各测点变形监测Fig.7Deformationatmonitoringpoints4结论1） 卸载过程是主体结构和临时支撑相互作用的一个复杂过程，是结构受力逐渐转移和内力重分布的过程.尽管利用先进的计算手段可对结构进行详细的计算分析，但钢结构在制作、安装阶段存在很多不确定性因素.为确保卸载过程的安全性，需要对钢结构的关键构件在整个卸载过程中的应力变化以及整体结构的变形进行有效监测，全面把握卸载过程中的实际受力状态与原设计的符合情况，提供结构状态的实时信息.这对于确保结构的安全性具有十分重要的意义.2） 钢结构屋盖支撑卸载后，其主要内力杆件相对于其卸载之前的应力变化不大，且所有杆件的应力随卸载过程的进行变化都比较平缓，较钢材的屈月服应力小很多.其监测的应力-应变在结构设计的范围之内，可保证结构的安全性.3） 卸载后体育场内环各测点均较卸载前产生向下的竖向位移，且在短轴方向的位移明显大于长轴方向的位移；体育场夕卜环各测点均较卸载前产生向上的竖向位移，同时短轴方向的位移大于长轴方向的位移，但是位移量都比较小；卸载完成后，测点的竖向高程均在设计范围之内，可保证结构的安全性.4） 由于西宁的高原气候导致的高温差及在卸载施工过程中各种施工荷载的不定性，再加上每个卸载步各支点的实际卸载量并不完全等比例、支撑塔架的刚度不同等诸多因素，从而导致了应力-应变曲线会出现应力-应变突变点.因此，在大跨空间结构的卸载施工过程中应该尽量保证温差波动不会太大，避开温度较高和较低的时间段，同时应保证卸载施工严格按照卸载施工方案执行，在施工卸载前应对工人进行统一培训.参考文献：[1]蒋金生，叶可明.上海新国际博览中心钢桁架结构的施工及临时支承拆除的卸载过程分析[J].建筑结构学报，2006,27（5）:118-122.[2]伍小平，高振锋，李子旭.国家大剧院钢壳体施工全过程模拟分析[J].建筑结构学报，2005,26(5):40-45.[3]伍小平，高振锋，李子旭，等.国家大剧院钢壳体安装中卸载方案分析[J].建筑施工，2005,27(6):6-8.[4]郭彦林，刘学武，赵瑛，等.国家体育场钢结构安装方案研究[J].施工技术，,35(12):23-27.[5]郭彦林，刘学武.大型复杂钢结构施工力学问题及分析方法[J].T业建筑，,37(9):1-8.[6]饶晓文，季克和.探讨临时支撑卸载分析中的两种方法[J].河