摘要：杭政储出[2015]26号地块A-2#楼中部采用大跨度桁架结构体系，施工过程主要含钢结构安装、临时支撑卸载、各层楼板混凝土浇筑、外围幕墙施工、顶层覆土填埋等施工工序，钢结构安装过程采用16个临时支撑，结构安装完成后分批卸载。本文介绍了A-2#楼5个主要工序大跨桁架构件应力监测，及卸载过程应力实时监测，基于实测数据，计算了5个主要工序下中部两根柱子的轴力和弯矩，并对比卸载后有限元模拟计算结果；主体结构完成后，进行了动力特性测试。从局部和整体对结构进行了受力状态分析，结果表明，结构施工过程实际受力状态与施工工序吻合，监测数据较好地用于指导现场施工，结构局部和整体受力处于安全可控状态，结构成型状态符合设计预期。
关键词：大跨度桁架；应力监测；卸载过程实时监测；柱子内力计算和分析；动力特性监测
0 引言
A-2#地下室钢柱为劲性结构，中间部分为大跨度钢桁架，正中间2根钢柱及相邻6根钢柱柱脚由B3层(-14.2m)至屋顶，其余钢柱为B1层(-6.1m)至屋顶，屋面为中间高两边低，中间标高为23.65m，两边标高为23.25m。A-2#中部大桁架由三榀桁架组成，柱距为8.4米，桁架之间距离为9.1米，桁架跨度为58.8米，正中间2根钢柱柱顶设置4根钢拉杆。A-2#钢结构分布见图1。
大跨空间结构的工期长且复杂，是一个结构体系不断转换的过程[1]。本项目施工工序主要含钢构件安装（高空原位散装）、临时支撑卸载、各层楼板混凝土浇筑、外围幕墙施工、顶层覆土填埋等。由于大跨空间结构受力的时变性和复杂性，施工过程的受力状态可能与设计存在一定的差别，需特别关注整个施工过程结构的受力状态和安全问题，尤其是钢结构卸载过程大跨桁架和中部柱子的受力实时变化情况[2-4]。结构模态参数取决于结构的质量和刚度分布状态，施工过程结构除了应力监测，还需要对环境激励下的动力特性进行测试，实测结构模态参数变化，可以定性判别结构的性能变化。
本文对A-2#楼布置了施工过程监测系统[5,6]，重点监测整个施工过程，尤其卸载过程大跨桁架和中部柱子的受力实时状态，同时将监测结果与有限元模拟结果进行对比。主体结构完成后，对结构进行了动力特性测试。关注施工过程结构受力变化和主体结构的动力特性，可正确评价施工阶段的受力状态和结构性能，有利于指导现场施工，保证施工的安全顺利进行。
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图1 A-2#钢结构分布及概况
1 施工过程系统和测点
1.1 监测系统
应力监测传感组件采用间接法[1]，选用表面式振弦应变传感器。结合施工现场客观条件，钢结构卸载过程应力监测基于“云”平台系统，将数据发至地面指挥中心“云网关”，“云网关”将数据发送至云端，从而实现监测数据的采集、备份和存储。应力自动数据采集系统含振弦式静态采集仪、振弦式传感器采集软件、数据传输单元DTU。其余施工阶段采用便携式数据采集设备进行人工采集应力数据。动力特性监测采用磁电式加速度传感器、多功能数据采集软件和便携式电脑临时采集。监测现场工程照片如图2所示。
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图2 现场工程照片
1.2 应力监测点
结合有限元模型计算结果，选取受力较大的控制点进行监测。应力监测构件包含：大跨边榀桁架（跨度58.8m）上弦杆、下弦杆、吊柱，中部柱子上下端，中部桁架上弦杆、腹杆、下弦杆。中部柱子考虑缺陷偏心和双向弯矩效应在四周各布1个应变计，其余构件均布置1个应变计。桁架平面位置示意见图3，应力测点布置见图4。
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图3 桁架平面示意
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(b)中间榀桁架应力测点布置
图4 桁架和柱子应力测点布置
1.3 动力特性监测点
加速度测点主要依据结构的前几阶振动模态信息，在结构动力响应较明显的部位布置测点。在边榀大跨桁架中部各布置1个竖向振动测点，测点布置见图5。
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图5 大跨边榀桁架振动测点布置
2 大跨桁架应力监测结果
2.1 施工过程应力结果
对于大跨度空间结构，由于其结构复杂，超静定次数高，几何非线性显著，只有采用空间有限元分析法才能得到较为精确的结果[7]。本工程利用Midas有限元软件，采用正装分析法模拟施工过程，采用等效杆端位移法模拟拆撑过程中临时支撑与主体结构的脱离现像[1]。
现场监测根据应变计的工作原理，采用有效弹模法[1]计算桁架构件应力。结合现场施工工序，钢结构安装阶段多次监测、卸载前、卸载后结构静置12小时/48小时/72小时、3层/4层/5层/顶层楼板混凝土浇筑、幕墙施工、顶层覆土完成均进行了监测，本文仅列出了主要工序实测数据，并将监测结果与有限元计算结果做了对比，确保了数据的合理性及施工过程的安全性。施工过程应力监测结果见表1。
支撑拆之前主体钢构件仅承受自重作用，应力变化不大，卸载前受力平稳且力值较小；卸载完成后作用在临时支撑上的结构荷载转移至主体结构，构件应力产生突变，但突变值不大；卸载后72小时结构应力重分布后，受力趋于稳定。随着上部和周边结构荷载施加，柱、桁架构件应力略微增加，但变化值均在合理范围，应力变化趋势、变化量与实际施工过程相符。主体钢结构各监测点在覆土完成后，压应力最大值-72.3MPa，位于边柱；压应力最小值-16.2MPa，位于下弦杆上部；拉应力最大值33.4MPa，位于腹杆；拉应力最小值24.6MPa，位于上弦杆下部。中部柱子4个应变计测得应力变化曲线和应力值大小基本相同，柱子弯矩效应不明显。
表1 施工过程应力监测结果/MPa
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注：幕墙完成后中部柱子（悬空高度达10m）上部不具备监测施工面，无法进行人工采集数据；覆土完成后中部柱子由于外包混凝土应变计被埋，无法采集数据。
2.2 卸载过程实时监测结果
本工程钢结构施工过程设置16个临时支撑，临时支撑示意见图6。所有钢构件安装完毕，将钢拉杆预张拉至100kN（设计值的10%），临时支撑卸载采用“原位监测分级卸载”的方法进行，对支撑分批分2级卸载，卸载完成支撑分两步拆除。钢结构卸载过程数据均实时记录，卸载过程应力实时变化曲线见图7。
钢构件在整个卸载过程受力变化与施工过程和理论计算结果相符，实时监测结果较好地指导了现场施工。
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图6 临时支撑示意
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(d)边柱和吊柱测点卸载过程应力变化曲线
图7 卸载过程测点应力实时曲线
3 柱子内力监测结果分析
3.1 柱子内力计算
对柱子压弯构件内力计算[8]：
轴力计算：
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图8 构件轴力和弯矩计算示意
3.2 柱子内力监测结果
根据3.1节计算公式，通过监测应力值计算得到柱子轴力和弯矩见表2。从监测结果看，柱子弯矩较小，弯矩、轴力与有限元模型计算结果一致偏差较小。
表2 施工过程柱子内力监测结果（弯矩/kN.m，轴力/kN）
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4 动力特性监测结果
在环境激励下测得加速度实测数据，通过Matlab编程对大跨桁架的竖向振动数据进行处理[9]。由于测量存在噪声，在测量数据中会出现一些毛刺，对加速度计测得的数据进行滤波处理得到振动测点竖向加速度时程曲线见图9。对所获得的加速度数据时程曲线分别进行FFT分析，计算得出功率谱图见图10。
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图10 测点JSD-2b-01/JSD-2a-01的功率谱图
表3 测点各阶动力特性表
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由加速度时程曲线看出，加速度数据采集由于受到现场施工干扰，点位出现振动强度较大的间歇性脉冲振动。从功率谱图得出，测点JSD-2b-01测得基本自振频率为1.5231 Hz，基本自振周期为0.6566 s；测点JSD-2a-01测得基本自振频率为1.6314 Hz，基本自振周期为0.6130 s。同荷载条件下单体整体有限元模型计算自振周期为1.155 s，自振频率为0.8658 Hz；带裙房的有限元模型计算自振周期为1.769 s，自振频率为0.5653 Hz。由于施工环境较复杂，现场结构边界条件及荷载与计算模型有差异，且受测点局限性影响，局部测点实测动力特性与整体计算值有偏差，但偏差分析合理。测点JSD-2b-01和测点JSD-2a-01跨度和刚度相当，实测自振周期相当；单体结构整体刚度较弱，自振周期较长；带裙房的整体结构刚度较强，自振周期较短。将本工程实测动力特性结果与同类大跨结构做对比[10]，结果表明主体结构建成状态符合设计预期。
5 结论与展望
本文对施工过程杭政储出[2015]26号地块A-2#楼的大跨桁架构件和柱子应力进行了监测，对卸载过程应力变化进行了实时监测，计算了中部柱子的轴力和弯矩并与有限元计算结果对比，主体结构完成后测试了结构自身的动力特性，得出以下结论与展望：
（1）该大跨结构施工过程中应力变化与施工工序相符，整个施工过程包含支撑卸载过程结构受力平稳。卸载后应力重分布，应力产生突变，但突变值较小，结构整体过渡比较平稳。应力实测值能较好地用于指导现场施工，结构整体处于安全状态。
（2）大跨结构中部柱子的弯矩效应不明显，卸载后内力实测值与有限元模型计算结果比较，受力一致且偏差较小。
（3）测点动力特性实测结果（加速度时程和自振频率）合理，基本自振频率与单体有限元模型和带裙房的有限元模型计算结果对比，结构成型状态符合设计预期。
（4）目前施工中应力监测大部分依靠人工定时现场点式采集，易受施工作业面制约，施工全过程如何实现自动化实时采集，还有待研究。
（5）结构健康评价标准缺失，对结构应力的预警评估、结构剩余强度值及工作寿命等的研究几乎为零。
参考文献：
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[5]建筑工程施工过程结构分析与监测技术规范：JGJ/T 302-2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.
[6]结构健康监测系统设计标准：CECS 333：2012[S]北京：中国建筑工业出版社，2012.
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[8]张耀春，周绪红.钢结构设计原理[M].北京：高等教育出版社，2010.
[9]王济，胡晓. Matlab在振动信号处理中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2006.
[10]曹正罡.大跨度预应力钢结构干煤棚设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2019.
论文作者:金秀娜
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/2
标签：应力论文; 桁架论文; 结构论文; 过程论文; 柱子论文; 弯矩论文; 钢结构论文; 《基层建设》2019年第31期论文;