大跨斜腿钢管桁架结构施工卸载监测技术研究

近年来，随着我国钢产量的增长以及人们对建筑的经济和美观的要求，大跨钢结构进入了飞速发展的时代。大跨空间管桁架作为钢结构的一大分支，以其优越的性能被广泛应用在工业厂房、大型体育场馆、会展中心、大型商场及火车站台中，甚至已成为一些地方地标性建筑与人文景观建筑的首选结构形式，但同时，结构建造与运维过程也面临更加复杂、困难的工程技术难题。目前，大跨度空间管桁架结构我国尚无成文标准规范，因此桁架管壁一般设计的较薄，对施工阶段结构变形和稳定性的控制要求较高。同时，施工过程中存在大量贯口焊接，对结构材料影响较大，拼装、吊装及卸载过程中的振动、冲击及受力平衡均可能导致结构出现局部失稳或整体失稳的现象，结构施工安全风险较高。由于大跨度桁架结构多应用于人员密集的公共建筑屋盖，一旦发生安全问题，将造成群死群伤的严重事故。通过调查分析国内外出现的工程事故，多数桁架结构安全隐患主要出现在施工阶段，因此确保大跨空间管桁架结构施工过程安全的同时，实现高效建造施工是目前该领域急需解决的核心技术问题。一般来说，钢结构施工卸载即钢结构临时支撑的卸载。其卸载过程中结构受力体系必然发生变化，因此为确保施工阶段的安全，必须对卸载各阶段结构的安全性进行模拟分析，也因此形成了通过结构仿真分析确定卸载安全性以及通过施工监控技术验证仿真计算可靠性这一基本原则。对中国牙谷学术交流展览馆建设项目中的入口雨棚大跨斜腿钢管桁架结构布置了一套施工过程视频位移监测系统，重点监测整个卸载过程中入口雨棚一榀桁架关键位置的下挠情况。同时建立有限元模型对卸载过程进行模拟计算，验证该结构卸载过程的安全问题，确保此监测系统对结构进行后续监测的可靠有效。1 工程概况中国牙谷学术交流展览馆建设项目的入口雨棚屋盖钢管桁架结构（图1），类型为单层钢结构，屋面为双坡结构，标高为16.168~21.983 m，由4榀格构式主桁架及9榀平面桁架组成，桁架自身高度1.8 m，跨度87.313 m，材质为Q345B，总重731 t，雨篷构造如图2所示。图1 入口雨篷施工现场图2 入口雨篷整体钢桁架轴测图大跨度桁架采用分段嵌补安装技术，需在分段处搭设临时支撑结构系统，如图3所示。临时支撑结构系统主要由临时支撑架基础、架身、转化托架、抗倾覆支撑构成。临时支撑基础根据所处位置采用不同的设计，位于素土地面时，设计为钢筋混凝土基础，位于结构上时，设计为H型钢焊接而成的“田”字形托架，以分散对结构的集中荷载。架身采用标准节搭设，规格为1.6 m×1.6 m×2.5 m，材质为Q345B。转换托架采用H型钢焊接而成，置于结构与支撑架身之间，用于支托结构荷载，并通过荷载分散传导，传递至支撑架身主要受力弦杆。（a）

（b）图3 东侧临时支撑与西侧临时支撑（a）东侧临时支撑；（b）西侧临时支撑2 仿真模拟计算2.1 有限元模型利用有限元计算分析软件MidasGen建立入口雨棚有限元模型，同时建立其支座约束以及临时支撑约束（图4）。此时视角为由南向北，计划监测桁架为第三榀格构式主桁架，该榀桁架有限元模型，如图5所示。图4 雨棚整体有限元模型及其约束图5 第三榀格构式主桁架有限元模型及其约束2.2 卸载过程计算分析时重点考虑卸载前后两侧临时支撑以及桁架跨中的竖向位移以及组合应力的变化（图6~图9、表1、表2）。图6 卸载前桁架竖向位移图7 卸载后桁架竖向位移图8 卸载前桁架组合应力

图9 卸载后桁架组合应力表1 卸载前后关键位置的竖向位移变化mm表2 卸载前后桁架杆件组合应力变化MPa由上述计算结果可知，卸载前后桁架杆件的应力均处于弹性阶段，且材料强度仍有较大的富余，因此该结构的卸载过程应是安全可靠的。同时，根据3个关键位置的竖向位移变化情况可知，东侧临时支撑下挠最大，跨中位置次之，西侧临时支撑下挠最小。该理论计算结果尚需监测数据验证。3 卸载过程位移监测3.1 监测设备本次监测采用SMT–M分体式视频位移计。利用1台视频位移计同步监测4个测点位置（其中一个作为基准点），测点分布在雨棚的一榀桁架钢结构上，采集设备与侧方楼体结构（不动位置）刚性连接。设备通过千兆网线将采集设备和监控室中的图像处理系统相连，该系统可将采集的图像进行实时处理分析并计算出变化的位移值，数据通过DTU上传云端服务器。运行人员可通过现场显示屏或云端的服务器进行数据查看与管理。监测设备如图10所示，监测设备参数见表3。（a）

（b）图10 红外靶标灯与视频位移计摄像头（a）红外靶标灯；（b）视频位移计摄像头表3 监测设备参数3.2 测点布置根据仿真模拟计算结果选择3个节点作为位移监测靶标的安装位置，3个靶标均安装在桁架南侧节点上，1号、2号靶标位于临时支撑处桁架节点上，3号靶标位于卸载前后竖向位移变化最大的跨中节点上。同时，在不与雨棚桁架连接的一号展厅支撑柱上安装一个基准点靶标，即4号靶标。由于摄像头视野的缘故，4号靶标离地约4 m高。4个靶标布如图11所示。摄像头监测视角如图12所示。图11 靶标布置示意图12 摄像头视角及监测的一榀桁架3.3 监测数据分析桁架临时支撑施工卸载自2021年5月26日下午14∶00至18∶00结束，约4 h。其卸载方式为熔断桁架与临时支撑的连接，8个临时支撑的全部不与桁架连接时卸载结束。由于施工班组和器械不足等原因，导致临时支撑的卸载并无规律的顺序。卸载完成时，从远处观看临时支撑也并无明显变化，后续还需继续拆卸临时支撑。卸载过程中3个靶标位置的桁架节点竖向位移，如图13所示。图13 卸载过程中桁架监测点位移变化卸载过程中，3个靶标基本产生较大的竖向位移，至卸载完成后，1号靶标位移约–3.57 mm，2号靶标位移约–14.58 mm，3号靶标位移约–11.12 mm。该榀桁架的西侧临时支撑在卸载后产生的竖向位移最小，跨中的竖向位移变化量次之，东侧临时支撑在卸载后产生的竖向位移最大，如图14所示。图14 结果对比仿真模拟计算与实时监测系统的位移数据相差较大，但整体变化趋势一致，可能是临时支撑在架设时已经略高于图纸标高，导致施工卸载后3个关键位置的竖向位移变化较大。4 结束语利用仿真模拟计算与实时监测系统相结合的方式，通过仿真模拟计算先确保结构施工卸载过程的安全性与可靠性，然后采用实时监测系统进行相互验证，由此可得出以下结论。（1）仿真模拟计算与实时监测系统表明，雨篷的一榀桁架在施工卸载过程中是安全可靠的。（2）分析