东安湖体育馆钢屋盖累积滑移施工监测技术*

李天福，张 军，王永泉，纪 常，董开发

(1.三江学院土木工程学院，江苏 南京 210012；2.南通大学交通与土木工程学院，江苏 南通 226019；3.南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211199；4.中国人民解放军94789部队，江苏 南京 210012；5.东南大学成贤学院土木与交通工程学院，江苏 南京 210088)

0 引言

钢结构因其强度高、自重小、整体刚度大、抵抗变形能力强等特点，被广泛应用于大跨度建筑中。大跨度建筑在设计过程中均能满足规范要求，但施工过程由于施工工艺等影响会发生结构位移或变形，导致结构施工完成后的实际受力状态与设计值存在一定差异。因此，为保证结构施工安全有序，施工完成后能满足预期设计使用功能和使用要求，对施工过程中关键节点的实时监测必不可少。

1 工程概况

东安湖体育馆项目位于成都市龙泉驿区东安新城的东安湖体育中心，总建筑面积达19.5万m2，单体建筑高42.3m，总跨度108m。结构形式采用下部混凝土劲性钢柱框架结构和大跨度箱形桁架屋盖结构。屋盖结构安装采用三轨道累积滑移技术，其中，南北侧框架结构在滑移施工前进行安装及临时固定，主桁架采用整体拼装后累积滑移安装。体育馆钢结构形式为正交平面桁架，主桁架总长度为108m，单榀最重约180t，共11榀；支撑点间距108m；屋盖总长145m，宽145m，最高点标高为42.500m，钢结构总量约3 800t。截面主要为箱形，部分为H型钢。本文以1-4体育馆为例进行分析。

2 施工过程结构分析

桁架采用地面整体拼装、分段吊装的方式进行安装。地面拼装采用卧拼，将桁架水平放置在胎架上，拼装焊接完成后分段翻身吊装。南北侧框架结构优先进行吊装安装，安装完成后进行临时固定。主桁架采用80t汽车式起重机在地面分段散拼，然后采用300t履带式起重机分段吊装至组装滑移平台上，组装完成后滑移1个节间临时固定(第1次滑移为第1榀及悬挑桁架同时滑移)；组装第2榀桁架，嵌补次桁架，完成后累积滑移1个节间，组装下一榀桁架，直至全部桁架滑移到位，卸载就位(滑移吊装须确保混凝土达到100%设计强度)。拼装过程需对结构进行起拱，最大起拱值取200mm，结构内收值取10mm。其中，桁架拼装起拱从中间向两端桁架起拱值依次降低，采用双向起拱。卧拼场地需进行平整压实并在上方铺设300mm厚砖渣。桁架布置如图1所示。

图1 桁架布置

主体结构主要分3个安装阶段。

1)平面桁架拼装阶段 箱形桁架散件运输至现场后，进行地面整体拼装，为降低拼装高度，减少高空作业量，选用卧拼，整体拼装后分段进行焊接。

2)平面桁架吊装阶段 桁架拼装完成后，使用300t履带式起重机进行分段吊装至高空胎架就位拼装为整体。

3)累积滑移阶段 在两端铰支座及中间位置设置滑移轨道，平面桁架在高空胎架上拼装为整体，然后进行累积滑移。滑移采用8组爬行器提供动力，就位后拆除胎架并安装铰支座。

主体结构安装完成后进行屋面板铺装，屋盖安装如图2所示。

图2 屋盖安装

3 监测系统

监测内容为胎架拆除前至屋面板安装完成过程中桁架关键杆件应力和位移。

3.1 应力监测系统

采用BGK-4000振弦式表面应变计，监测对象为桁架关键杆件89个应力监测点。振弦式表面应变计以弦振频率和弦张力的变化关系测量监测点应变并输出振弦自振频率信号，在测量中受原应力场干扰小，性能稳定，具有智能识别功能。将应变计底座焊接在钢结构表面以监测钢结构应变，内置的温度传感器可同时监测安装位置温度，标准量程为3 000με，测量精度为±0.001με，非线性度<0.005，系统灵敏度为1.0με，测温范围是-20～80℃，应变计长150mm。

3.2 位移监测系统

为保证监测点准确，精度达到规范要求，使用NTS-332R10M全站仪监测施工过程中结构各测点竖向位移，利用VWD-100J位移计测量支座位移变化。

3.3 监测点布置

结构安全控制以保证结构轴向较大应力和关键节点较大位移变形在设计范围为主。本次监测预先模拟实际工程工况，在只考虑杆件自重的情况下进行有限元分析，通过有限元计算结果，找到最不利应力位置，确定89根桁架关键杆件应力、竖向位移、支座水平位移的监测。桁架关键杆件应力监测点共72个，竖向位移监测点共11个，支座水平位移监测点共6个。部分应力监测点布置如图3所示，竖向位移及支座水平位移监测点布置分别如图4,5所示。

图3 部分应力监测点布置

图4 竖向位移监测点布置

图5 支座水平位移监测点布置

4 监测结果分析

4.1 顶推过程监测分析

桁架顶推过程采用滑移施工，施工过程中同步监测控制，根据预先通过计算得到的滑移顶推工况各顶推点反力值，在计算机同步控制系统中，设定每台液压爬行器最大顶推力。当遇到顶推力超出设定值时，液压爬行器自动采取溢流卸载，以防现顶推点荷载分布严重不均，对结构或临时设施造成破坏。在液压爬行器停止工作或遇到停电等情况时，液压回路中的自锁装置及机械自锁系统会启动，自动锁紧滑移轨道，确保滑移桁架安全。

为直观地监测滑移的同步性和滑移状态，初始滑移时以50mm作为最小滑移单位，在轨道上做标记，并编号。滑移过程中随时观测各控制监测点相对轨道上标尺偏差情况，准确了解滑移状态，并做好记录。如发现同步偏差较大时，应立即对单台爬行器进行点动控制调整，并分析初始滑移记录数据，报审项目总工程师及监控单位工程师审核，详细分析记录数据原因并在后续滑移施工过程中做相应调整。

为保证监测滑移过程中顶推点荷载变化和滑移状态各控制监测点的偏差调整，通过MIDAS GEN对滑移施工全过程进行有限元分析，建立胎架拆除前模型，由于空间桁架和屋面板未安装，故只考虑杆件自重；支座条件为柱顶双向铰支座、单向铰支座支承，临时胎架支撑。

4.1.1顶推过程应力对比分析

顶推过程中，采用自动化采集仪采集监测点应力，将其与理论计算值进行对比，结果如表1所示。

表1 部分监测点实测与理论应力对比 MPa

由表1可知，测点应力值为-200～100MPa。其中桁架应力最大实测值出现在监测点1-4-10-1处，为-132.80MPa；1-4-10-7监测点实测值仅为1.73MPa。在安装过程中监测点1-4-10-1实测值与理论值存在明显偏差，分析原因为焊接过程中产生的焊接应力过大。桁架应力最大理论值出现在监测点1-4-7-3处，值为-193.70MPa，该监测点位于桁架中间位置，其对称监测点1-4-7-5理论值仅为78.60MPa。在计算分析过程中，桁架中间位置受支座约束影响较大，导致桁架质量分布不均，产生的荷载不同，故此处偏差较大。实测值的波动区间小于理论值，实测证明各监测点应力相对稳定。理论值和实测值最大偏差为209.08MPa，出现在监测点1-4-7-3处。实测值仅为理论值的8%，说明桁架上、下杆理论值和实测值相差甚大；理论值与实测值最小偏差为0.74MPa，出现在监测点1-4-7-4处，说明桁架中间斜拉杆处理论值和实测值基本一致。

4.1.2竖向位移监测分析

胎架拆除和屋面安装过程中均存在应力偏差，不同应力偏差值导致的位移变形也有所区别，因此用位移计对竖向位移的11个测点进行监测。竖向位移监测结果如表2所示，不同阶段竖向位移监测曲线如图6所示。

表2 竖向位移监测结果

图6 不同阶段竖向位移监测曲线

由表2及图6可知，屋面安装后竖向位移约为胎架拆除后的2倍。最边缘的2个监测点1-4-6-1，1-4-6-5位移变形最小，两点在屋面安装后仅向下变形2mm；位于轴线中间的监测点1-4-4-2，1-4-6-3，1-4-8-2是对应轴网竖向位移最大的位置，屋面安装后分别向下变形120，168，117mm，其中位于最中间的监测点1-4-6-3位移值最大。由此可知，在同一轴线上，胎架拆除后和屋面安装后的位移变形值由中间向两边逐渐递减，胎架拆除和屋面安装对结构变形影响最大。

4.1.3支座水平位移监测分析

胎架拆除和屋面安装过程中均存在应力偏差，不仅会导致桁架竖向位移，也会导致一定的支座水平位移，支座水平位移监测结果如表3所示，不同阶段支座水平位移监测曲线如图7所示。

表3 支座水平位移监测结果 mm

图7 不同阶段支座水平位移监测曲线

水平位移6个监测点分为3组对应监测点。由表3及图7可知，每组对应监测点呈中心对称，位移数值相同，方向相反；各监测点在屋面安装后的位移约为胎架拆卸后的2倍；中间监测点支座位移大于两侧监测点支座位移。

4.2 卸载过程对称监测点应力对比分析

屋盖网架卸载会形成空间受力，使桁架内力重分布。为保证桁架安全卸载，需在卸载过程中实时监测内部应力状态，以便随时调控。滑移过程中，各点的同步性是卸载过程中的重点，监测各对称测点应力，分析其同一时刻的应力偏差显得更重要。因此，选取2021-01-29，2021-01-30，2021-02-01的监测应力进行分析。部分监测点应力如表4所示。

由表4可知，卸载过程中，2021-01-29，2021-01-31竖向桁架监测点1-4-2-3，1-4-9-3的应力偏差值较大(偏差值均为相对值)，其中监测点1-4-2-3由受拉变为受压，偏差值达57.6MPa；对称监测点1-4-2-5应力变化稳定，压应力逐渐减小，偏差值仅为2.5MPa。监测点1-4-9-3压应力增大，偏差值达34.4MPa，对称监测点1-4-9-5则由受压转为受拉，偏差值为18.9MPa。位于竖向桁架中间的1-4-3～1-4-8包含的监测点应力变化基本稳定，偏差值变化幅度≤10MPa。横向桁架监测点应力值高于竖向桁架，整个屋盖下弦的监测点最大应力值出现在监测点1-4-F-5，由60MPa增长至88.1MPa。

表4 部分监测点应力 MPa

2021-01-31，2021-02-01屋盖下弦竖向桁架应力呈左侧变化小、右侧变化大的趋势，其中右侧桁架监测点与其对称监测点偏差值的变化值明显增大。位于竖向桁架左侧的1-4-2～1-4-5测点应力变化基本稳定，偏差值≤7MPa。测点1-4-7-3的应力由4.7MPa变为-42.5MPa，偏差值为47.2MPa；对称监测点1-4-7-5的偏差值为18.2MPa，二者的相对偏差值达65.4MPa。监测点1-4-F-5应力持续增大，达101.4MPa。可知在屋盖下弦中横向桁架的应力状态最不稳定。

桁架应力受温度影响较大，桁架卸载过程中的环境温度处于一直变化中，监测点应力产生一定偏差。从应力分布情况看，相对于竖向桁架，横向桁架在温度变化影响下产生了一定应力偏差，在安装过程中的稳定性相对较差。

5 结语

1)有限元分析过程中，监测点应力受支座约束，会产生重量分布不均的状况，使桁架荷载不同，在理论计算分析中产生偏差值；实测过程中，由于焊接对桁架产生的焊接应力及安装过程中产生的安装偏差，使实测应力出现偏差。实测偏差与理论偏差的相对偏差值主要是由于桁架焊接过程中的焊接应力较大。

2)屋面安装后桁架位移为胎架拆除后的2倍左右。在同一轴线上，胎架拆除和屋面安装的位移由中间向两边逐渐递减；在同一平面内，中间位置的胎架拆除和屋面安装对结构位移影响最大。对应监测点的支座水平位移大小一致、方向相反。

3)对桁架卸载过程中不同时间的监测点应力进行监测对比分析，可知桁架受温度影响较大，屋面下弦横向桁架的安装稳定性比竖向桁架差。