大跨仿古钢结构局部拆除重建监测与控制

2014-12-11李晓克贾高祥撖鹏飞汪志昊

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2014年5期

李晓克，贾高祥，撖鹏飞，汪志昊

(1．华北水利水电大学土木与交通学院，河南郑州 450045;2．黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003)

历史文化遗址保护与展示工程是力学、美学与文化传承相结合的特种结构工程．遗址保护要求结构在整个施工和运营过程中不扰动遗址存在状态，文化传承要求建筑形制能反映当时的历史文化背景和建筑美学．钢结构跨越能力强、自重轻、结构形式灵活多变，因而在此类工程中被广泛采用．成都金沙遗址博物馆的多个场馆采用了中空大跨钢结构体系，如遗迹馆采用跨度63．0 m 钢管桁架楼盖体系，陈列馆屋盖中央为直径23．5 m 车辐式双层预应力索网结构［1］;洛阳天堂遗址保护工程首层采用跨度54．0 m 巨型钢桁架转换结构，上托57．0 m 仿古钢塔［2］，实现了遗址保护与对外文化展示的有机结合．

洛阳明堂遗址保护工程位于天堂东南侧，为三层八角形仿古钢塔结构，内部钢桁架跨越遗址坑长度达50．9 m．为与周边建筑和环境相协调，适应建筑功能的新要求，对已建成的明堂建筑重新设计后开展了上部结构拆除、重建工作．考虑遗址保护要求，常规施工方法受到限制，结构施工阶段受力状态复杂;同时拆除和重建过程涉及结构体系的转换和结构自重的增加，与原设计相比重建后结构受力状态变化大．因此，对结构关键部位的应力、变形和沉降进行跟踪监测，控制并指导施工过程，已成为整个施工过程安全、顺利开展的关键所在［3－6］．

1 工程概况

隋唐洛阳城国家遗址公园武则天·明堂位于洛阳市原唐故城定鼎门遗址上，建筑平面呈对称正八边形，主体剖面如图1 所示．

图1 原结构主体剖面图

该结构原设计地上二层、地下一层．一层外围结构为钢框架支撑体系，中心由八根斜框架柱和其支撑的平面网架组成;二层屋盖采用空间钢网架结构构建“八面坡”外型;地下一层遗址区域上方楼盖通过吊柱和斜杆悬挂在平面网架上，并与下部基础以铰接方式相连．结构对角线长107．223 m，空间网架最高点标高20．489 m，平面网架层高度2．250 m、上弦平面对角线长45．816 m，内部中心为八边形遗址参观洞口、边长4．059 m．楼层采用预制混凝土楼板，现场安装时采用焊接工艺与钢结构翼缘连接;为保护地下遗址，柱下基础由多根预应力混凝土梁并排捆绑组成的扩展基础构成［7］．

该工程2013 年6 月竣工验收，后根据运营单位实际使用要求，对明堂仿古钢结构进行外观和功能改造．改造工程主要包括:中心屋面网架提升，将原设计屋顶网架支撑点标高提高2．50 m，屋面网架最高点结构标高提升7．0 m;封堵网架中部八边形遗址参观洞口(一层中心区域平面示意图如图2 所示);按新方案进行内外装饰、装修．

受保护遗址层要求，原有网架的拆除重建施工受到很大限制，施工过程中引起的附加应力可能会引起原基础反力、斜框架柱变形、楼层挠度及节点和杆件应力超出规范允许值，将对安全施工造成隐患．分析明堂钢结构体系转换和荷载状态变化，遗址拆除重建工作可划分为四个阶段，即临时支撑与脚手架搭设、旧网架拆除、新网架安装和临时支撑与脚手架拆除，基本流程如图3 所示．各施工阶段结构受力状态改变是控制结构施工安全与否的关键，有必要在这些时间节点对结构关键部位和构件进行追踪和监控．

图2 重建后一层中心区域平面示意图

图3 拆除与重建施工流程

2 监测方案

监测项目包括钢构件应力、变形(或挠度)及基础沉降等，其中钢构件应力采用焊接振弦式应变计测定，变形(或挠度)与基础沉降采用全站仪三角高程测量［8－9］．

监测时一般应选择受力较大构件、施工荷载作用下应力变化较大杆件或受损后可能导致附近其他杆件应力显著增加的杆件等［10］．统筹布置应力和变形(或挠度)测点，监测杆件主要包括:首层中心桁架近斜框架柱侧与悬臂端的上弦杆、下弦杆和腹杆;首层新增桁架中心下弦杆、腹杆;连接首层中心桁架的中心开口处上、下弦杆;底层(悬挂层)压支撑杆以及网架支撑柱等．同时内圈基础离遗址区域最近，是影响遗址状态的主要部件，需要实时监测该基础的沉降变位．变形(或挠度)及基础沉降监测布点如图4 所示，应力监测布点如图5 所示．

图4 变形(或挠度)测点布置(N 表示轴号)

图5 应力测点布置(N 表示轴号)

综合考虑施工状况与工程进度，设定明堂仿古钢结构参观洞口封堵后、脚手架搭设前为基准受力状态．选取各施工阶段受力稳定后的实测值作为该施工阶段的监测代表值．进行数据分析时，充分考虑施工活动和外界环境因素对整体结构的影响效应．整个拆除重建过程跨越冬、春、夏三季，实测基准受力状态平均温度5．5 ℃，4 个施工阶段平均温度依次是6．8，11．9，20．5，34．7 ℃，最大温差接近30 ℃．结构各施工阶段获取的监测数据应及时处理和分析．当出现应力或者位移变化过大的情况需立即停止施工，待查明原因后，方可进行后续建设任务．为便于分析，设应力拉为正、压为负，竖向变形或沉降向上为正、向下为负．

3 应力跟踪分析

后增网架在二层脚手架搭设后才完成安装，参观洞口封堵属典型二次受力问题．平面网架跨中部位关键测点位于原网架参观洞口边缘和洞口封堵后增网架内，该部位取施工阶段1 为初始受力阶段．

5#轴平面网架跨中部位关键测点随施工进度应力增量在腹杆处达最大值14．7 MPa;施工阶段1—3应力变化较施工阶段4 小，与施工阶段荷载变迁历史相对应;在改造施工过程中，平面网架跨中区域应力变化不大，如图6 所示．

5#轴平面网架支座部位关键测点在脚手架搭设和旧网架拆除两个施工阶段应力增量均不超过5．0 MPa，新网架安装后最大应力增量也仅为12．6 MPa，即施工阶段1—3 各测点应力变化均较小;施工阶段4 脚手架和临时支撑拆除，结构受力体系变化导致该部位杆件应力增量显著，斜腹杆处达最大值－23．1 MPa，如图7 所示．

图6 平面网架跨中部位关键测点应力

图7 平面网架支座部位关键测点应力

各轴平面网架外侧上弦杆轴向应力沿环向分布如图8 所示．施工阶段1—3 各杆件应力增量沿环向波动平缓，最大值为20．6 MPa;施工阶段4 沿环向变化较大，应力增量最大可达38．9 MPa．主要由构件加工和安装偏差、施工过程先后影响、温度场分布不均匀、约束沿环向差异等因素引起．结构对称与构件内力不对称实测结果存在偏差．

斜框架柱1#和5#轴柱底关键测点前两个施工阶段应力增量最大仅为1．9 MPa;随新网架安装和脚手架拆除，柱底外侧应力增量显著，1#轴斜框架柱最大可达－34．7 MPa，相应框架柱承受的轴向压力荷载也逐渐增大，如图9 所示．

图8 平面网架外侧上弦杆轴向应力沿环向分布

图9 斜框架柱底部关键测点应力

内圈基础短柱四周竖向应力增量在施工阶段1略有减小，施工阶段2—4 逐渐增加，内圈基础短柱所分担的竖向荷载渐次减小，但其最大值不超过20．0 MPa．除荷载变迁和体系转换等因素外，结构施工历经冬春夏三季，整体温度在四个施工阶段逐渐升高，上部钢结构温升膨胀使得内部呈上翘趋势，同样导致内圈基础短柱竖向荷载减小．

各施工阶段关键构件控制测点最大应力增量如表1 所示，施工阶段3 和施工阶段4 是施工重点监控阶段．构件最大应力增量在施工阶段4 交叉斜撑XC－8 －2 测点位置，最大值达42．0 MPa，其余测点在整个施工过程中应力增量不大．尽管结构对称与实测结果存在偏差(图8)，但仍在可控范围内．

表1 施工过程控制测点位置与最大应力增量统计表 MPa

4 位移与沉降跟踪分析

2#轴、6#轴竖向平面内楼板网架下弦节点竖向位移如图10 所示．施工阶段1 在结构二层搭设脚手架引起楼板竖向下沉，最大竖向位移－1．30 mm;上部旧网架拆除结构变形恢复，向上平均竖向位移3．50 mm;新网架安装后竖向位移显著降低，平均值为1．09 mm;脚手架拆除即施工阶段4 时，竖向位移有所增加，且向阳部分较背阳部分略大，最大竖向位移为4．60 mm．考虑结构基准受力状态室外平均温度为5．5 ℃，4 个施工阶段平均温度逐次提高，除荷载因素外，结构季节温差和太阳辐射温差也是导致竖向荷载位移变化的关键因素之一．

施工阶段1 斜框架柱柱底平均竖向沉降仅有－0．05 mm，旧网架拆除完成、变形恢复后，平均竖向沉降3．30 mm;新网架搭设导致柱底沉降显著，平均竖向沉降0．78 mm，施工阶段4 则基本保持不变．网架拆除与安装是引起斜框架柱柱底沉降的关键因素．由于斜框架柱是整个结构的主要支撑体系，施工过程中各轴柱底沉降一致性好，结构沉降均匀，如图11 所示．内圈基础立柱竖向位移在整个施工阶段变化小，最大仅1．60 mm，拆除与重建施工影响小．