大型設備頂板作業回頂鋼立柱的監測技術應用

陳景鎮 胡澤銘 林華湘 林乙真

（1.中國建筑第四工程局有限公司， 福建 廈門 361000；2.中建四局建設發展有限公司，福建 廈門 361000）

在鋼結構工程中，受作業環境的影響，屋面管桁架施工通常需要將吊裝設備架設在地下室結構頂板上，但是通常設計單位僅考慮施工荷載5kN/m2，該荷載值無法滿足施工需求，須對結構頂板回頂加固，增加承載力。目前，常見的回頂方案為搭設扣件式鋼管腳手架進行的回頂加固，但是其存在一定的缺陷，該方案會使原結構板直接受力，且承受上部荷載的能力有限。該項目應用“路基箱+路基梁的托換結構”，地下室支撐H 型鋼立柱的受力體系，因為“H”形鋼立柱具有良好的支撐性，所以可以增加整體結構的承載力。這次采用該回頂方案作為監測研究對象。

為保障回頂區域頂板施工作業安全，應及時了解施工中這些部位與構件的工作狀態，從而及時采取補救措施，須采用大數據分析及監測技術。該文旨在研發一套高精度的監測方法，以便于發現頂板結構的異常變形，及時預警并采取措施，防止事故發生。力學中的應變檢測法及傾斜觀測是對工程結構形變、建筑物的基礎和主體結構傾斜變化的有效檢測方法，確保結構物受力和變形在施工過程中始終處于受控狀態，以上述2 項方法為核心進行討論，研究一套大型設備頂板作業回頂鋼立柱的監測技術。

1 工程概況

廈門新會展中心-會議中心對標國際最先進會議中心，項目具有大中型各類會議、宴會、多邊會談和新聞發布等功能，配備數字會議系統、同聲傳譯、遠程視頻會議和電視轉播系統等功能，總用地面積10.7 萬m2，地上4 層，地下1層，總建筑面積23.11 萬m2，有1.1 萬m2的超大型萬人會議室，是全國最大的無柱多功能會議室。項目主體采用鋼框架+空間管桁架結構形式，用鋼量達56 000 t，會議中心效果圖如圖1 所示。

圖1 會議中心效果圖

2 監測區域概況

該工程鋼結構質量約為5.6 萬t，鋼結構安裝內容主要包括鋼立柱、鋼梁、鋼桁架和屋面管桁架等。該工程平面尺寸225m×246m，上部主體鋼結構采用5 臺T1200-64 塔吊吊裝施工（80m 臂長，末端吊重15t）。5 臺T1200-64 塔吊半徑≤50m 范圍內起重能力≥15.6t，中間81m 跨區段周邊塔吊無法覆蓋，塔吊覆蓋不到部位采用汽車吊和履帶吊，結構設計的180mm 厚的地下室頂板不滿足履帶吊行走的要求，為滿足吊裝作業要求，需要對使用150t 和350t 履帶吊進行吊裝的行走路線進行地下室回頂加強；為了準確了解上部吊裝過程中鋼立柱受力大小及傾斜變形情況，保障工程安全，對回頂鋼立柱設置傾斜觀測/應變測試，上部轉換梁設置沉降/變形量監測，進行系統檢測回頂支撐柱和轉換梁的變形情況。

3 回頂鋼立柱的監測監控措施

3.1 監測目的

工程平面尺寸225m×246m，上部主體鋼結構采用5 臺塔吊吊裝施工，塔吊臂長80m，中間81m 跨周圍區段塔吊無法覆蓋，須采用350t 履帶吊配合吊裝，因地下室頂板結構設計板厚180mm，為常規設計，施工荷載取值5.0kN/m2。地下室頂板無法滿足350t 履帶吊行走和作業要求，因此須對地下室頂板履帶吊行走路線進行回頂加固。同時，考慮架設大型吊裝設備行走作業，結構承受荷載大，如果發生意外，很可能導致不可挽回的損失，因此除了可靠的回頂支撐結構外，還需要擬定一套安全適用的監測方法，從而保障大型設備于頂板作業過程安全。該研究對大型設備回頂線路的監測體系進行精細化拆分，將其分為地上及地下2 個部分進行監測，并根據關鍵構件的應變力數據及傾斜參數，評估結構的安全性，保證在整個實施過程中均處于安全值范圍內：1）地下部分-回頂鋼立柱數據監測。采用高精度全站儀利用投點法及坐標控制進行測量，提供在履帶吊吊裝狀態下的回頂鋼立柱應變和傾斜等參數的監控，根據監測情況，判斷該區域地下室回頂鋼立柱是否增設斜撐或水平桿，掌握地下室結構的施工狀態，保障施工安全。2）地上部分-轉換梁數據監測。采用應變計進行監測，以便實時掌握履帶吊行走及作業時產生的水平推力，為及時增設橡膠墊減少振動或控制吊裝荷載提供數據支持。3） BIM 智慧平臺數據分析。監測數據實時上傳云端監控平臺，綜合運用多項實時監測指標，分析評價結構的實時安全性，實現結構安全預警。

3.2 布設觀測點

該項目大型設備行走線路回頂區域面積約5700km2，回頂支撐鋼立柱設置按3m 的間隔布置，為確保研究監測點的數量及布置的合理性，在地下監測部分根據回頂區域的圖紙，基于Revit 建立三維模型出圖，統計出回頂鋼立柱數量，利用BIM 技術提前規劃觀測點，監測點的選取應綜合考慮重要性、代表性和隨機性原則，項目最終選取在154 根鋼立柱上布設應變測試點，并在每根鋼立柱中間位置布設2 個振弦式表面應變計，即監測測點數量為308 點，編號為“Y1～Y154”[1]。并選取大型設備行走線路縱橫向交叉區域和最大吊裝荷載區域等重要節點的16 個應變測試點和16 個傾斜觀測點，進行全自動數據采集儲存。地上部分轉換梁監測點的選取依據地下室鋼立柱監測點的垂直投影位置所對應的上部轉換梁進行設置，在地上轉換梁位置相應地布置了154 個沉降觀測點，編號為“X1～X154”。

3.3 地下部分鋼立柱監測

3.3.1 鋼立柱應變測試

為保證研究數據的可靠性，該項目回頂監測采用目前應用最廣且效果最佳的“電阻應變計測量技術”，該變測試系統由應變計、安裝夾具以及信號傳輸電纜等組成[2]。當被監測的地下室鋼立柱發生變形時，將帶動表面應變計產生變形，變形通過前、后端座傳遞給振弦轉變成振弦應力的變化，從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率，頻率信號經電纜傳輸至讀數裝置，即可測出引起被測結構物變形的應變量；并且可同步測出布設點的溫度值[3]。

同時為減少數據的隨機誤差，對大型設備行走線路縱橫向交叉區域和最大吊裝荷載區域等重要節點的16 個重要應變測試點，每根立柱中間位置布設2 個振弦式表面應變計，即測點數量為32 點，編號為“Y77～Y106”，使用無線型振旋傳感器采發儀進行自動采集儲存，通過簡單配置快捷地搭設監測系統，實現在線監測、數據查看和數據下載，以便及時進行數據分析和現場動態監控。

3.3.1.1 安裝流程

該研究為提高數據的精確度，設計1 套標準化的應變計安裝流程：先將夾具裝上安裝試棒，兩夾具間距為100mm，鎖緊螺釘孔。再將裝有安裝試棒的夾具焊接在回頂鋼立柱表面，拆下安裝試棒，最后將應變計從夾具一端放入，直到應變計沒有電纜的一端與夾具外邊沿平齊為止。當表面應變計安裝定位后及時測量儀器初值，根據儀器編號和設計編號進行記錄并存檔，現場要采取措施，嚴格保護好儀器的引出申纜，確保使用效果。安裝示意圖如圖2 所示。

圖2 安裝示意圖

3.3.1.2 計算方法

每次試驗數據，用數字式頻率計測出傳感器的即時頻率，將每次觀測的數據記錄在觀測表內，或自動上傳自數據庫，并計算該點的即時應變數據，如公式（1）所示。

式中：?c為應變增量 （μc）；K為傳感器標定系數 （μc/ Hz2） ；fi為測試頻率（Hz）；f0為初始頻率（Hz）；?P為鋼立柱荷載（kN）；E為鋼立柱彈性模量（MPa）；A為鋼立柱截面面積（m2）。

3.3.2 鋼立柱傾斜觀測

3.3.2.1 觀測方法

在研究模擬中發現，當上部荷載過大時，鋼立柱可能會產生傾斜變形，如果發生該現象，須及時增加斜撐，以保障結構安全，因此對鋼立柱的傾斜度進行監測是有必要的。該研究采用鋼立柱頂部觀測點相對底部固定點的傾斜值及傾斜方向的監測方法，采用天寶全站儀 S9 （精度：一測回水平方向誤差 0.5″）投點法或坐標控制，施工前讀取基數2 次。將反射片粘貼在鋼立柱待測面的上，通過高精度全站儀直接觀測鋼立柱在傾斜監測點三維坐標，獲取鋼立柱監測點的底部平距L1及頂部點平距L2，進而計算鋼立柱整體傾斜和位移。

計算方法如公式（2）所示。

式中：Q為傾斜值；L1為底部點平距，m；L2為頂部點平距，m；H為底部點與頂部點高差，m。

3.3.2.2 測點布置

鋼立柱的傾斜觀測布置點為在應變自動采集測試點相應的回頂鋼立柱的2 個方向，編號為“Q1～Q16”的每個觀測點采用反射片粘貼在鋼立柱的頂部和底部。

3.4 地上部分轉換梁監測

該研究通過BIM 技術結合MIDAS 軟件計算，在施工階段，由于轉換梁受到上部結構荷載和預加應力的影響，在垂直方向產生撓曲變形，在整體結構、約束形式等情況下，也有可能產生側向變形。如果轉換梁的變形過大，就會導致部分節點荷載過大，降低整體回頂技術的安全性。因此，在使用階段對轉換梁進行精確的變形監測是整個監測工作中的重點。

在選取地上部分轉換梁監測點的過程中，應根據地下室鋼立柱監測點的垂直投影位置所對應的上部轉換梁進行設置，在地上轉換梁位置相應地布置154 個沉降觀測點，地上轉換梁監測是通過高精度全站儀測定轉換梁監測點，并利用卷尺輔助監測鋼梁和結構頂板間的間隙，根據各階段的觀測數據換算轉換梁監測點的沉降量和變形量，實現回頂線路上大型設備吊裝過程中轉換梁沉降變形情況的實時反饋。

3.5 預警值與預警處理

為了真實、及時、準確地反映施工現場回頂線路監測信息，測試數據包括以下過程：測點埋設→數據采集→數據收集→數據輸入→BIM 智慧平臺采集→生成圖表→信息反饋。1）為保證數據的可靠性，減少隨機誤差，采用自動化與專人數據采集相結合的方式，在重要節點利用無線信號自動傳輸儲存，其余節點采用專人專項負責，并及時將數據導入大數據平臺儲存，以便對數據及時進行初步分析，如發現安全狀況有可疑情況，如監測數據達預警值或出現數據異常變化，立即開展進一步測試數據分析和驗證，并對現場采取控制措施。2）將測試數據輸入BIM 智慧平臺，進行數據處理，結合該項目施工進程及巡視信息進行綜合分析并形成測試成果報表。3）監測數據采集后的3 個工作日內將測試成果報送有關單位；全部測試結束后，一個月后形成最終報告，相關測試數據、圖表和數據分析結論需書面形式提交，以供各方進行查詢。4）在實際施工中，鋼立柱軸力預警值為800kN，為保障履帶吊行走及作業安全，特別是該項目81m跨屋蓋管桁架采用350t 履帶吊雙機協同吊裝區域，當監測數據值達到或超過預警值時，須馬上停止施工，及時通知現場監理工程師及其他相關單位，共同協商制定有效的措施補救，預防可能出現的事故。

3.6 監測結果

該研究為驗證監測系統的工作是否正常，首先進行模擬變形監測，如圖3 所示，該次工況模擬在該區域內堆放吊裝鋼立柱，并在測試點Y151 西側30m 處停放一輛350t 吊車；Y130 北側30m 處停放一輛350t 吊車；Y38 南側30m 處停放一輛150t 吊車；Y76 東側停放一輛150t 吊車，經變形檢測顯示鋼立柱最大軸力值725.6kN，與預警值800kN 相差74.4kN，小于預警值，且與現成荷載數據較為一致，該結果表明監測系統正常工作。

圖3 地下室應力測試表

其次，該研究對正式施工過程的結構內力數據進行統計，根據監測結果表明，該項目所采用的回頂結構在整體施工過程中承載力良好，沒有顯著的超大波動與異常，隨著時間的發展，結構應力數值逐漸趨于平穩，該結果驗證該項目采用的回頂結構具有較高的承載能力，上部吊裝荷載均被回頂結構吸收，回頂結構受力未達預警值且無呈現變形態，保證地下室頂板的結構完整，保障其安全。

4 結語

當上部履帶吊作業時，監測的154 個點位數據均未達到預警值，滿足頂板結構安全的要求。該研究成果可通過上述的監測取得的大量可靠資料，準確地掌握上部吊裝過程中地下室回頂鋼立柱受力大小及傾斜變形情況；對變形觀測資料進行數據處理，做出變形的幾何分析及物理解釋，該成果不僅是檢驗工程設計理論的實踐途徑，而且是修正現行設計理論和經驗常數的重要依據。