大型商业中心大跨度全钢结构主楼施工监测分析.pdf

大型商业中心大跨度全钢结构 主楼施工监测分析 * Co ns t r u c t i o n M o n i t o r i n g Ana l y s i s o f Lo n g S pa n a n d F u l l St e e l S t r u c t u r e M a i n Bu i l d i n g o f La r g e Co mme r c i a l Ce n t e r 高 健伍小平钱耀辉黎奎奎 上海建工集团股份有限公司技术 中心 2 0 0 4 3 1 摘 要 在宁波钱湖天地商业中心主楼工程的施工过程中，通过跟踪监测建筑结构各个施工阶段的应力与变形 ，指导工 程施工，并对监测结果进行分析总结，确保了工程施工质量与安全 ，对类似的工程具有一定的借鉴意义。 关键词 施工监测应力监测变形监测钢结构 中图分类号 T U 7 5 8 ． 1 1 ／ 文献标识码 B 【 文章编号】1 0 0 4 1 0 0 1 2 0 1 2 0 3 0 2 1 4 0 4 1 工程概况 2 施工方案 宁波钱湖天地商业中心主楼的建筑标准平面为矩形 ， 建筑整体外形呈“ 门” 字形 图 1 。 总建筑面积约 2 0 0 0 0 m ， 南北长约 1 5 m， 东西长约 1 0 0 m， 总高约． 8 0 m ， 地下 2层 ， 地上 2 2层。 本工程为大跨度全钢结构 ，两端 3 4根钢柱 ， 8 层 ～1 O 层桁架弦杆为箱型构件 ，斜撑和层间结构 主次梁为 H 型钢 构件 ， 整个结构体系为钢框架连体结构。两端在 B 3 ～8 7 轴 线与 B 2 2 ～B 2 6 轴线位置为钢结构框架支撑筒体 ， 在 2 个简 体之间的 8层 ～1 0层处设置 2层高 的巨型转换钢桁架结 构 ， 用以支撑上部 1 2 层的结构质量 ， 抗侧力结构采用钢结 构支撑框架体 系， 楼层楼板采用组合楼板 ， 部分钢柱采用内 灌混凝土形式。钢结构总用钢量约 4 4 0 0 t ， 其中转换桁架 质量约为 1 0 0 0 t 。 图 1 宁波钱 湖天地商业 中心主楼效果 上 海市科委人才 计划启明星 跟踪 课题 ” 超高层钢 混结构施工 控制 技术研 究 ” 课题编号 O 9 QH1 4 0 1 2 0 0 作者简 介高健 1 9 8 0 一 ， 男 ， 硕 士， 工程师。 作者地址 上海市江杨南路 1 6 4 6号 2 0 0 4 3 1 o 收稿 日期2 0 1 2 0 1 1 5 2 1 4 1 2 o 1 2 3 B 词 血g 根据本工程结构特点 ，采用如下 3 种安装方法 两端 1 0 层以下选用汽车吊进行吊装 8层 ～1 0 层巨型转换桁架 选 用汽车吊地面拼装后，采用液压提升千斤顶整体提升就 位 1 0 层以上均采用现场塔吊进行 吊装。 构件在加工厂制作 ， 采用“ 钢柱分段制作 ， 钢梁 、 斜撑分 层制作 ， 并依据现场安装顺序形成施工流水 ， 满足现场安装 需要” 的技术路线。 现场安装采 用“ 钢柱分段安装， 钢梁和斜 撑分层安装 ； 8 层 ～1 0 层转换桁架地面拼装后， 采用整体提 升的方法 吊装 ； 桁架提升到位后 ， 上部结构逐层安装” 的技 术路线。提升部分选 用 4台 3 5 0 0 k N 液压千斤顶进行提 升。 根据本工程的实际情况 ， 确定整体施工顺序如下 1 B - 3～B 一 7和 B - 2 2～B 一 3 4轴线 间 1 6层 以下先施 工 2 B 一 7 ～B 一 2 2 轴线 间 8层 ～1 0 层桁架施工， 利 用液 压千斤顶整体提升 3 B 一 7 ～B 一 2 2 轴线间 1 O 层 ～1 6 层结构逐层安装 ； 4 B 一 2 ～B 一 3 4轴线间 1 6 层以上结构逐层安装。 根据本工程的特点 ， 分三个工程工况进行施工 1 施工工况 1 1 O层以下钢结构安装 2 施工工况 2 8 层 1 0 层桁架地面拼装 ； 3 施工工况 3 1 O 层以上钢结构安装。 3 监测内容与测点布置 对本工程施工过程进行监测的 目的在于全面跟踪主 楼在各个施工阶段结构和构件的重要工程参数 ，主要包括 结构和构件 的应力与变形。 根据监测结果， 给出全过程监测 记录 ， 进行分析计算 ， 以达到给现场施工以指导性建议 ， 从 而确保工程施工能安全顺利地进行。 3 ． 1 应力监测 3 ． 1 ． 1 钢 结构应 力监 测 根据测点布置原则，我们对主楼钢结构 的应力测点布 置如下 B - A轴立面布置 3 7 个应力测点 ， B - B 轴立面布置 1 2 个应力测点 图 2 ， B C轴立面布置 9 个应力测点 ， B - D 轴立面布置 1 2 个应力测点 ， 1 5 m次桁架布置 1 O 个应力测 点 ， 主楼共布置 8 0 个应力测点。 图 2 B - B轴应 力测点 布置 3 ． 1 ． 2混 凝土 应 力监 测 主楼 l 1 层 、 1 2层每层布置 2个混凝土测点 ， 1 3层 、 l 4 层每层布置 3 个混凝土测点 图 3 ， 共布置 1 0 个混凝土测 点。 混凝土应力测点布置在楼板厚度中间， 沿主筋受力方向 布置。 图 3 1 3层 、 1 4层混凝土楼板应 力测点 布置 3 ． 1 ． 3钢桁 架 整体提 升 应 力监 测 巨型转换钢桁架整体提升难度大、 危险性高 。 在钢桁架 提升过程 中进行应力监测 ，测点主要布置在两侧钢结构简 体底层钢柱 、 底层斜撑 ， 两侧钢结构简体 3层、 5 层部分钢 柱 ， 7 层钢结构简体和钢桁架连接钢柱 ，钢桁架 下弦杆 、 钢 柱 、 斜撑 ， 提升架拉杆 、 斜杆 ， 提升架支撑牛腿等处。其中， B - A 轴提升过程应力测点布置如图 4 所示。 3 ． 2 变形监测 钢结构变形测量主楼共布置 6 7 个变形测点和 6 个沉 降测点。其 中， B - A轴立面布置 3 4个变形测点 图 5 ， B O 轴立面布置 3 3 个变形测点。 变形测点主要布置在跨 中以及 框架柱和钢结构外轮廓上。 3 ． 3 监测仪器与设备 3 ． 3 ． 1 应力监测设备 施工过程中钢结构应力采用基康 B G K 一 4 0 0 0振弦式应 变计进行监测 ，混凝 土应力采用基康 B G K 一 4 2 0 0 振弦式应 变计进行监测。振弦式应变计是利用弦振频率与弦的张力 的变化关系来测量应变计所在点的应变 图 6 。 5 ＼ ／ ／ ＼ ＼ ／ ／ ＼ ＼ ／ ／ ＼ 塞 ＼ ＼ ／ ／ 、 ＼／ ＼I ＼I N上 I I ／ 1 ＼ ／ ＼／ ＼／ ＼ ＼ 厂＼ ＼I ＼l ／ 、 ／、 ／、 、 ＼ - ●y ＼ l - ■ ，、 ， ＼ ／ - 、 ／ ＼ L． ／ ＼／ 、 、／ { p ， ． 、 ／ ， l _ ／ I 图 4钢桁架提升应力测点布置 图 5 B A轴变形测点布置 应受 计长厦 图 8 应变计构造示意 3 ． 3 ． 2 变形监测设备 变形监测采用徕卡 T C 8 0 2全站仪。在测距方式采用 I R 反射片测量的情况下， 测距精度为 2 m m 2 p p m ； 在较好的 测量环境 中， 最大测距可测至 2 5 0 m 。角度测量 H z ， V 标准 偏差为 2 。仪器为激光对中， 并采 用电子双轴补偿器 ， 仪 器高小于 1 ． 5 m时， 对中误差小于 0 ． 5 m m 。 4 监测结果 根据现场实际施工工况情况和结构受力情况 ，宁波钱 湖天地施工监测时间节点如下 2 0 1 0 年 7 月 1 4日 B 2 2 - 3 4轴第 2 节柱安装完毕待焊 接。8 月 1 5日 B 2 2 - 3 4 轴第 3 节柱吊装完成 ， 待焊接 ； B 2 7 轴第 1 节柱 吊装完成 ， 待焊接。 8月 3 O日 B 2 2 3 4轴第 4 节 柱吊装完成 ， 待焊接 ； B 2 - 7 轴第 2 节柱吊装完成 ， 已焊接。 9 月 2 1 日 B 2 7 轴第 3 节柱安装完成 ， 横梁安装完毕 ， 斜支撑 继续安装 中。 B 2 2 - 3 4 轴第 4 节安装完毕 ， 开始 吊装第 5 节 ， 2 层、 3 层楼板浇注完成。1 O 月 1 8日B 2 - 7 轴第 5 节柱安装 完成 ， 横梁 、 斜支撑安装完毕。8 2 2 3 4 轴第 5 节安装完毕。 1 0月 2 9日 B 2 2 - 3 4 轴安装第 7 节 ，楼板已浇至第 1 2 层 B 2 - 7轴安 装第 7 节 ，楼板 已浇至第 l 1 层。 1 1 月 1 4日 B 2 2 3 4 轴安装第 7 节 ，楼板已浇至第 1 2 层 ； B 2 7轴安装 第 7 节 ，楼板已浇至第 l 1 层。焊接未安装到位的横梁、 斜 撑。l 1 月 2 1日 B 2 2 - 3 4轴安装第 7节 ，楼板已浇至第 1 3 层 B 2 7 轴安装第 7 节 ， 楼板 已浇至第 1 2 层 桁架提升 到 m i r 第 3 4 卷第 3 期 1 2 1 5 位 ， 焊接 ， 待卸载。1 2 月 4日 B 2 2 3 4 轴安装第 8 、 9 节， 楼板 已浇至第 l 3层 ； B 2 - 7轴安装第 8 、 9 节 ，楼板已浇至第 1 4 层 ； 桁架提升到位 ， 卸载完成。 1 2 月 1 4日B 2 2 3 4 轴安装第 9 、 1 0 节． 楼板已浇至第 1 5 层 ； B 2 - 7 轴安装第 9 、 1 0 节 ， 楼板 已浇 至第 l 5层 B 9 - 2 1 轴安 装到第 7 、 8节 。 1 2月 2 9日 B 2 7 轴安装第 1 0 节 ， 楼板已浇至第 1 7 层； B 9 - 2 1 轴安装到 第 1 O 节 ， 楼板已浇至第 1 0 层 ； B 2 2 3 4轴安装第 1 0 节。 楼板 已浇至第 1 7 层。2 0 1 1 年 1 月 9日B 2 7 轴安装第 1 0 节 ， 楼 板已浇至第 1 8 层 ； B 9 - 2 1 轴安装到第 1 0 节 ， 楼板已浇至第 1 3 层 ； B 2 2 - 3 4 轴安装第 1 0 节， 楼板已浇至第 1 8层。 2 0 1 1 年 1 月 2 5日 B 2 - 7轴安 装第 1 0节 ，楼 板 已浇至 第 2 2层 ； B 9 - B 2 1 安装到第 1 0 节 ， B 9 1 9 轴楼板已浇至第 2 2 层 ， B 2 1 、 B 2 2 楼板已浇至第 2 1 层 ； B 2 2 - 3 4 轴安装第 1 0 节， 楼板已浇 至第 2 1 层。 其中， 钢结构 吊装共分 1 0 节 ， 每节两层 ， 安装至 第 1 0节钢结构封顶。 4 ． 1 施工过程应力监测结果 4 ． 1 ． I B 2 - 7 轴 底层 钢柱 应 力监 测 结果 钢结构在吊装和混凝土浇筑的施工过程中， B 2 7 轴底 层钢柱应力变化如图 7 所示。 图 7 B 2 7轴底层钢柱应力监测结果 由图可见 从 2 0 1 0 年 8月 1 5日安 装好应力计 ， 到 2 0 1 1 年 1 月 2 5日， 随着层高的增加 ， B 2 - 7 轴底层钢柱压应 力也逐步增加 测点 A - Z 一 卜a 第 1 个字母表示轴号 ； 第 2 个字母 Z 表示柱 、 X 表示斜撑 、 L 表示梁 ； 第 3 个数字为顺序 号 第 4 个字母 a 或 b 表示同一构件同一截面上对称布置 的 2 个测点 和 A - Z - l - b 的最大应力为 - 9 4 ． 7 M P a 和 - 6 5 ． 8 3 M P a ；测点 D - Z - l - a 和 D - Z - I - b 的最大应 力为 - 6 5 ． 6 1 M P a和 - 3 9 ． 8 5 M P a 。可见 A轴底层钢柱受力大于 D轴底层 钢柱 ，这主要是 由于 A轴和 B轴间距要大于 C轴和 D轴的 间距造成的。测点 B - Z - 3 布置在 B 2 轴上， 其受力状况小于 B 7 轴钢柱上各测点处受力状况 ， 说 明 B 2 - 7 轴底层钢柱越 是靠近钢桁架受力越大。 4 ． I ． 2 钢桁架 8 层斜撑应力监测结果 钢桁架 8层斜撑应力监测结果见图 8 。 n- 1 4 l l - 2 1 l 2 _ 4 1 2 - l 4 1 2 - 2 9 0 1 - 0 9 0 1 - 2 5 B期 图 8 钢桁架 8层斜撑应力监测结果 2 1 6 I 2 o l 2 3 B |曲 血g 测点 A - X - 3 在 2 0 1 0 年 1 2月 2 9日遭到破坏。截止 到 2 0 1 1 年 1 月 2 5日， 钢桁架 8层斜撑拉应力最大值出现在点 A - X - 4 ， 其应力值为 4 3 ． 7 4 M P a 。 除测点 A - X - 3 外 ， 其余各测点都以受拉为主。在 2 0 1 0 年 1 2月 1 4日至 1 2月 2 9日期间， 测点 A - X - 4 、 和 A - X - 6应 力发生较大的变化 ， 与之相对应的测点 A - X - 5 没有发生明 显变化 ，说明位于 I ／ 4 跨中的斜撑 由于荷载增加所引起的 应力增量， 比位于跨中的斜撑要明显。 4 ． 1 ． 3 桁 架 8层 一9层 钢柱 应 力监 测 结果 桁架 8 层 ～ 9 层钢柱应力监测结果见图 9 。 1 0 重 量 娄 - 2 5 1 1 4 [ I - 2 1 1 2 - M , l 2 - l 4 1 2 - 2 9 0 1 - 4 19 O l 2 s 日期 图 9 桁架 8层 一9层钢柱应力监测结果 截止到 2 0 1 1 年 1 月 2 5日，压应力最大值 出现在点 B - Z - 6 ，其应力值 为 - 2 0 ． 4 1 M P a 。由图可 以看 出桁架 8 层 ～9 层跨 中钢柱应 力增 量较 小 ，靠 近中间的 B轴测点 B - Z - 6 应力值大于外侧 A 轴测点 A Z 一 8 。 4 ． I ． 4 钢桁 架上 弦杆 应力监 测 结果 钢桁架上弦杆应力监测结果见图 l 0 。 ∞ 0 0 寒一 10 萋 _ 5 0 l l - 2 I l 2 ． 0 4 l 2 ． I 4 I 2 - 2 9 0 1 - 0 9 0 l 2 s日期 图 1 0钢桁 架上弦杆应力监测结果 截止到 2 0 1 1 年 1 月 2 5日，拉应力最 大值 出现在点 B L 一 2 ，其应力值 为 l 1 ． 3 5 M P a 压 应力最 大值 出现在点 A - L - 4 ，其 应力值为 - 4 0 ． 5 2 M P a 。由图可 以看 出 测点 A - L - 3 和 A L 一 4对称位于钢桁架跨 中两侧上弦杆上缘 ， 在 2 0 1 0 年 1 1 月 2 1 日至 1 2 月 1 4日期间，由于焊接影响使得 两测点出现 了不同的应力变化 ， 但随着施工的进行、 荷载的 增加 ，两测点在 1 2月 1 4日以后几乎出现 了相 同的应力变 化趋势， 应力增量也基本相同， 结合钢桁架 A轴下弦杆受力 情况 ， 可以看出整个钢桁架在纵向受力基本对称。 4 ． 1 ． 5楼 板 混凝 土应 力监测 结果 钢桁架 l 1 层 N I 4层跨 中混凝 土楼板混凝土应 力监测 结果如图 l 1 所示。 截止到 2 0 1 1 年 1 月 2 4日， 混凝土楼板均呈现受压 ， 最 大值 出现在测点 H 1 3 - b ， 其应力值为 - 1 1 ． 2 7 M P a 。 4 ． 2钢桁架整体提升应力监测结果 在桁架提升过程中 ， 总共分提升前、 加载 5 0 ％ 荷载 、 加 载 7 5 ％ 荷载 ， 桁架离地、 桁架正式提升、 桁架提 升到位 6次 进行应力监测， 各监测点位在各阶段下的应力如表 2 所示。 o ‘ o 一 ’ 0 ‘ - 2 4∞埘∞埘日期 图 1 1 楼板 混凝 土应力监测结果 表 2桁架提升应 力监测值 MP a 测点 提升前 加载 5 0 ％ 加载 7 5 ％ 离地 正式提升 提升到位 D L l a O ．0 o 2．5 1 6 35 6 ． 1 9 D L 一1 一 b 0 ．0 o 5 ． 8 5 1 3 ．o 3 1 1 ． 7 5 D L 一 2 一 a O ．0 o 3 ． 2 6 5 ．4 9 4．7 4 D L Z b O ．0 o 6 ． 5 2 1 4- 3 3 1 3 ． 8 1 D L一 3 0 ．0 0 3 ． 1 3 5 ． 2 5 6 ．4 0 7 ． 1 5 L S Dl 0 ． 0 0 1 3 ．4 8 2I ．9 4 2 5 ． 5 6 2 5 ．9 6 T S J l O ． 0 o 9 ． 5 5 l 6 ． 2 3 1 8 ． 2 6 1 7 ．5 2 T S J 一 3 O ． 0 o 7 ． 7 6 一l 2 ． 4 9 1 7 ． 6 8 一l 8 ．5 O J D-1 0 ． 0 0 -2 3 ． 9 I - 3 6 - 3 2 4 3 ． 0 0 4 3 ．2 4 T S J 一 2 0 ． 0 o 3 ． 1 5 9 ． 1 0 1 l - 3 5 1 1 ． 5 8 9．7 9 T S J -- 4 0 ． 0 o - 5 ． 7 2 1 3 ． 9 2 1 9 ． 2 7 1 9 ． 1 9 1 9 ．7 2 J D一 2 O ． o 0 -1 7 ． 1 3 - 2 8 ．4I l 0 ． 7 1 4 2 ． 7 6 - _ 4 3 ．7 4 图 1 3 A轴 1 2层 以下测点南北方 向的位移 1 2 --o 4 1 2 - 2 1 1 2 - 3 0 0 1 - 12 0 1 - 2 5日期 图 1 4 D轴 1 2层以下测点东西方向的位移 测点 D - L - 3 、 L S D - 1 位于桁架端部 ， 其应力变化如 图 1 2 所示。 5结语 提升前 加藏5 0 ％ 加载7 5 ％ 离地正式提升监测时闻节点 图 1 2 B - - A桁 架端鄙应 力监测结果 从 图 1 2中我们可 以看到 桁架从提升前到桁架离地 ， 各点应 力基本处于线性变化， 且变化均匀 ； 桁架从离地后到 正式提升这一时间段中， 应力基本处于稳定值。 测点应力最 大值为 2 5 ． 9 6 M P a 。 4 ． 3 变形监测结果 钢结构变形监测的主要 内容，是对钢结构关键节点在 施工过程 中沿南北方向、 东西方向和沉降进行监测。 从 2 0 1 0年 1 2 月 4日 N 2 0 1 1 年 1 月 1 2日期间， 东西向 与南北向变形测点并无明显规律 ， 钢结构 A 轴 、 D 轴所有测 点南北方 向位移不超过 6 m m ，A 轴所有测点东西方向位 移 不 超 过 7 m m ， D轴所 有 测 点 东西 方 向位 移 不 超 过 士9 m m 竖 向测点变形随荷载的增加逐渐增加 ， A轴、 D 轴 所有测点竖轴 向变形不超过 - 1 0 m m 。其中 ， 时间跨度相对 较大、 有代表性的测点监测结果见图 l 3 ～图 1 5 。图中南北 方 向位 移 向北为 “ ” 、 向南 为 U I I ； 东西 方 向位 移 向西为 “ ” 、向东为“ 一” 。 I 2 o 4 1 2 - 2 1 l 3 0 0 l l 2 0 I 2 5日期 图 1 5 D轴 1 2层以下测点 沿沉降结果 ． _D1 4 D8 D 3 ； D7 i - Dl 7i D 3】 D 2 7} 一 D 2l { D 2 2 D 3 3 Dl R DI 3i D1 6i ． 一D1 4。 - D8 D3 j D7 i Dl 7 一 D3 1 。 ～ D2 7 一 D2 1 ； 一 D2 2 } - D3 3 t D1 8 DI 3j l 点 J 1 截止钢结构封顶 ， 钢结构压应力最 大值 出现在 A 轴柱脚点 A - Z -I - a 位置 ， 其应 力值为 一 9 4 ． 7 0 M p a ， 拉应 力 最大值出现在 A 轴转化桁架横梁跨中点 A L 一 卜b 位置 ， 其 应 力值 为 4 3 ． 0 7 M P a ，均 小 于 Q 3 4 5钢 材 强 度 设 计 值 2 9 5 M P a 。混凝 土楼板均呈现压应力 ，最大值出现在测点 H 1 3 一 C ， 其应力值为 -1 0 ． 5 4 M P a ， 小于 C 4 0混凝土抗压强度 设计值 一 1 9 ． 1 M P a ，混凝土应力变化处于安全可控范围内。 应力监测情况基本反映 了结构实际受力情况 ，结构应力处 于安全可控范围之内。 2 截止到钢结构封顶 ， 钢结构 A轴、 D 轴所有测点南 北方 向位移不超过 6 m m ， A 轴、 D 轴所有测点东西方向位 移不 超 过 9 n l m ， A轴 、 D轴 所 有测 点 竖 向变 形 不超 过 一 1 0 m m 。结构变形监测数据基本反映了结构在施工过程中 的变形情况 ，所产生的变形量对于整个结构而言处于安全 可控范围内。 3 运 用信息化监测手段 实时监测结构响应、 判 断结 构状态， 通过实测数据 ， 保证了整个施工过程中结构的变形 和应力在规范允许范围内， 确保 了工程的质量与施工安全。 参 考 文 献 【 l 】 中国建筑科学研究院．G B 5 0 3 0 0 - - 2 0 0 1 建筑工程施工质量验收统一标准 【 s 】． 北京 中国建筑工业出版社， 2 0 0 1 ． 【 2 】 冶金工业部建筑研究总院．G B 5 0 2 0 5 --2 0 0 1 钢结构工程施工质量验收规 范【 S ] ． 北京 中国计划出版社． 2 0 0 1 ． II l li r 第3 4 卷第 3 期 I 2 1 7