大型钢结构建筑施工中的变形监测研究

2022-07-21岳芸

工程建设与设计 2022年12期

岳芸

（昆明建设管理有限公司，昆明 650034）

1 引言

由于钢结构具有施工工期较短、强度高、跨度大、施工较为便捷等优势，多数大型建筑物中多采用钢结构进行建造。目前，已有较多关于钢结构建筑施工的研究，例如，王文芹[1]对超高层钢结构建筑的施工关键技术进行了探讨；孙桂军[2]对钢结构建筑的质量控制体系进行了分析；程统然[3]对钢结构建筑施工控制做出了体系化分析。但大型钢结构一旦有事故出现，会对财产和生命安全造成极大的影响，因此，非常有必要对其施工变形做进一步的研究，以此对其施工质量进行控制，确保施工安全。

2 施工监测

以某大型钢结构建筑为研究对象，该建筑主体的构成部分包括现浇钢筋混凝土墙体和钢结构屋盖。该钢结构屋盖接近圆形，长轴长88 m、短轴长82 m、高33 m，其组成构件有主次桁架、稳定桁架、支撑杆件、系杆和外围屋盖。主桁架的组成部分包括两个矩形桁架，以南北和东西两个方向相交布置，其余构件则以垂直方向布置。

对大型钢结构而言，结构受力和变形超出设计值、构件连接不当等是出现事故的重要原因，因此，有必要在施工阶段对屋盖结构进行施工监测，对钢结构在各个施工环节的安全情况进行把握。

2.1 有限元模拟

通过有限元分析软件对该大型钢结构建筑施工进行模拟。建模时，采用空间梁单元对杆件进行模拟；采用刚性节点对杆件之间进行衔接；采用支座对钢屋盖和柱顶进行连接。有限元计算模型如图1 所示。限于篇幅，本文仅列出部分数据。

图1 有限元计算模型

由图2 可知，在安装钢结构时，成型后的结构变形最大值小于规范值，且结构卸载之后应力最大值为172.11 MPa，因此，钢结构整体应力和变形均符合要求。

图2 有限元模拟结果

2.2 现场监测

在该钢结构建筑主桁架施工时，对其进行监测，以分析其结构变化情况。监测断面如图3 所示。主桁架提升时各测点应力值见表1。

注：1~6 为测点编号。

表1 主桁架提升时各测点应力值

从结果上看，主桁架提升时有约-16.6~27.74 MPa 的理论应力值，实测值有约-13.464~15.144 MPa 的应力值。应力实测值小于理论计算值，说明计算模型刚度小于实际结构，与实际相符，且表明吊装构件时是安全的。而从安装主桁架的应力监测数据上看，其应力理论值约为-16.7~28.3 MPa，实测值约为-121.42~9.57 MPa，两者相比实测应力值较大。进一步分析实测值可知，其约有3 个测点数据出现异常，其中，两个测点在同一个斜杆附近，除此之外，其他测点数据均正常；拆除主桁架支撑时，主桁架下弦杆的应力实测值和理论值均有较大的变化，分析其原因可知，其主桁架下弦杆在临时支撑的影响下，边界支座转变为自由支座，对应力产生了较大的影响。

从以上分析可以看出，本次监测数据出现异常的仅有个别监测点，但同位置其余测点数据均符合要求，表明在安装构件时处于安全状态。

分析实测值和理论值存在误差的原因可知：采用简化的建模结构计算得到的理论值与较为复杂的实际结构在几何图形和连接方式等方面差别均较大，导致所设计构件的受力与具体情况出现较大差别。此外，因为计算理论值时，假设荷载在施工工作面上保持均匀分布，且未考虑施工动荷载产生的影响，而实际施工荷载分布较不均匀，施工中也有较多因素会对应力监测造成影响。最后，现场应力监测时，天气和施工人员等因素均会对其造成一定的影响，使数据出现偏差。

2.3 结果对比

为判断主桁架施工时的结构安全，本文通过对主桁架各测点在施工时的位移变化增量进行对比分析，这里以其中1个测点为例，所得结果如图4 所示。

图4 测点位移变化情况

从结果可以看出，部分实测值大于理论值，但考虑施工受钢结构温度变化的影响，且两者偏差处于允许值内，可确定结构施工时的状态是安全的。并且从位移变化图可以看出：随着不断进行的施工，结构位移开始时有较大的变化，但逐渐趋于平稳；随着构件安装施工的推进，钢结构位移表现出相对稳定的增长或降低趋势，符合具体施工情况，表明在安装钢结构时有较好的位移控制；从结构位移变化情况看，部分测点有较大的位移实测值变化，但总体上看，随着施工的不断进行，位移变化情况逐渐趋于缓慢，表明施工时控制位移非常重要；结构位移变量在完工并卸除外部荷载后的有一定的减小，表明该钢结构建筑有较大的刚度。

3 质量控制措施

3.1 吊机施工质量控制

干燥天气对吊机施工较为有利，能够使其具有较高的稳定性，而雨天施工会对吊机稳定性产生一定的影响。因此，吊机施工时需注意做好定期排水、工作坑护臂的防护等工作，确保吊机施工安全和质量。吊机施工时的场地找平需要通过水准仪测量模板底部标高，避免平台搭建时的高程受到影响，并及时检查平台底板稳固情况。吊机起吊前，需先通过试吊对各部分结构的受力进行检查，在确保其受力状态正常时才能开展吊装工作。起吊时，应确保起吊物下方不得有人员停留或通过，并且应禁止货物和人员一同升降，若特殊情况下不得不同时起吊，则应确保安全措施足够可靠。

3.2 构件焊接质量控制

焊接钢结构时，焊接材料需与母材有相同的强度。针对裸露在外且需要具备较强的腐蚀性等特殊要求的承重结构，应使用耐候钢，并确保其质量符合要求。烘干焊条时，必须根据相关工艺规定进行，若相关文件未做出规定，针对酸性焊条，应考虑其受潮情况，将其置于75~150 ℃的环境中进行1~2 h的烘干处理；对于碱性焊条，应将其置于350~400 ℃的环境中进行1~2 h 的烘干处理，并将其放置到保温箱内。

在施焊之前，应对焊接接头表面和两侧进行检查，并根据工艺要求进行预热。从焊接方便的角度考虑，建议先不组装和焊接刚性连接板两侧的栓钉，在焊接完刚接板和隔板焊缝后再组装栓钉，最后通过手工电弧焊焊接栓钉。现场结构焊接如图5 所示。

图5 钢结构焊接图

3.3 剪力钉质量控制

在钢结构构件焊接中，剪力钉对其质量有较大影响。因钢结构焊接时需配合以剪力钉，故在大型钢结构中常需要用到较多数量的剪力钉，为确保工程质量，必须对剪力钉的质量进行控制[4-5]。使用剪力钉时，在焊接前需根据图纸要求进行剪力钉的放样测量，确保其位置足够精准，进而保障其使用质量。且在焊接后，剪力钉的焊接部分因焊接技术的影响会有积水等情况出现，施工时应及时清理，以确保其使用稳定性。焊接剪力钉时，要确保电源的稳定性，并以200~300 kW 的功率进行焊接。此外，焊接剪力钉时，焊接人员需配套齐全的防护用具，以确保其自身安全。