型鋼反力支柱在交替頂升過程中的受力監測分析

邊智慧，王鐵成，戴占彪

（1.天津大學建筑工程學院，天津300072；2.河北省建筑科學研究院，石家莊050021；3.河北建研科技有限公司，石家莊050021）

隨著社會城鎮化速度的加快，城鎮規劃過程中由于地質條件變遷和文物周圍地勢抬高，很多有人文歷史價值的古建筑面臨著周圍環境變化帶來的侵蝕性破壞，需對這類建筑進行整體頂升移位保護，并且在整體頂升移位保護過程中要保證古建筑人文歷史價值的完整性，有必要在施工過程中借助現代先進的監測手段對建筑物進行實時監測，并指導和完善施工方案，以保證古建筑的完整性和安全性。在現代特種結構施工中也采取相應的監控措施對整個過程進行實時監測［1－5］，并不斷地完善施工方案，保證工程安全順利的進行。該文運用高精度應變測試儀對遇真宮整體頂升工程中交替頂升狀況下，對下部支撐型鋼反力柱的受力進行實時監測，不斷地改進更新頂升方案確保其合理性，并指導頂升工程安全進行。

1 工程概況

湖北省武當山遇真宮位于湖北省武當山旅游經濟特區武當鎮東4km處。遇真宮主體由中宮、西宮和東宮構成，西宮與東宮的建筑已無存。現存的宮門、宮墻、龍虎殿、真仙殿殘跡、配殿等地面建筑為中宮的主體建筑。丹江口水庫作為南水北調工程中線工程的水源，需進行加高。經長江水利委員會與地方政府協作勘查在原先選定的13處淹沒區的基礎上，于2003年新增遇真宮、孫家灣兩處防護區。丹江口大壩加高后，防護堤外庫水位持續高出堤內8～19m，庫水將會向防護區內滲漏，致使防護區內地下水位提高，遇真宮因之面臨被水淹沒的危險。有關方面決定，對遇真宮山門及兩翼琉璃墻體、東西宮門進行整體頂升約15m，并對原址進行回填。遇真宮整體為砌體結構，歷經時間較長，表現出整體性差、松散特性。在整體頂升過程中，下部支撐結構的受力情況會直接影響整個上部結構的完整和安全。

2 監測目的和監測方案

根據武當山遇真宮整體頂升工程多工序、多循環、短行程超高度頂升以及結構整體性差的情況。在頂升過程中，頂升方案的合理性引起區域性頂升壓力的差別，決定支撐上部建筑結構是否能夠整體平穩上升，下部反力支撐系統對上部結構的安全和穩定起著至關重要的作用，很有必要對整個反力支撐系統進行實時監測，及時調整和完善頂升方案。

2.1 監測目的

上部結構形式為磚石結構，時間比較久遠，風化較嚴重，在復雜的頂升工序中支撐系統工程性能直接影響上部結構的整體性，決定著整個頂升工程是否能夠順利進行。為了保證整個頂升工程中建筑結構完好無缺，采取在交替頂升復雜工序中對型鋼反力柱進行實時監測，驗證整體頂升方案的合理性，以便及時的調整頂升方案采取必要的補救措施。

2.2 監測方案

根據頂升方案將山門整體劃分為四個區域，即A、B、C、D四個受力區，如圖1所示。A、B兩個區域關于結構中軸受力對稱，其上部為琉璃瓦八字翼墻區域，重量比較輕，為低受力區域；C、D上部為山門所在區域，為高應力區域；因A、B區域重心偏于D區域，在整個頂升方案中D區中部為最大受力區，對D區中部型鋼反力柱進行實時監測，測區和測點分別見圖1和圖2所示。

在交替頂升中，大致分為整體頂升、交替回油收頂安裝型鋼反力柱、繼續整體頂升三個過程，主要對交替回油收頂安裝型鋼反力柱階段進行監測并進行數值分析，在此階段，有部分千斤頂回油，型鋼反力柱將暫時性退出工作，此時頂升持力點將減少，會出現壓力重分布現象，在應力較大區域很可能出現應力集中區，此時可對受力較大區域D中1、2、3號型鋼反力柱進行監測。

2.3 監測設備

監測設備采用DH－3816N靜態應變測試分析系統（如圖3所示），該系統每個板塊有60個測點，通過交換機實現無限擴展，交直流供電，以太網接口。對試樣進行多種模式下應變測試。測試系統有單次采樣、定時采樣、間隔采樣、連續采樣四種模式，連續采樣可進行2Hz的采樣速率不間斷的采樣，可記錄整個試樣受壓狀態。內部設有警戒參數設置通道，可預設警戒值進行監測數據超限報警。

3 監測結果與分析

該文重點對頂升到位交替回油收頂安裝型鋼反力柱階段進行監測，分別對柱中截面、相鄰多柱加卸載過程的內力變化情況，以及在此階段頂升壓力重分布對型鋼柱和上部結構的影響進行分析。

3.1 型鋼柱中截面監測結果分析

在頂升過程中通過監測儀器設定報警參量即彈性極限應變0.1%，監測數據均在監測報警值范圍之內，則表明大體上型鋼反力柱均處于安全狀態；對于整體頂升工序的復雜性、施力反復性等因素，需對型鋼反力柱進行更深層次的監測，施工過程因素帶來的偏心受壓會對型鋼反力柱整體穩定性和承載力帶來致命性影響。因此對在反復頂升過程中型鋼反力柱中截面強弱軸的應變進行監測分析，應變圖見圖4所示，監測數據見表1所示。

表1 交替頂升過程中柱中截面應變值

由圖4和表1，可以發現在頂升過程中型鋼反力柱存在雙偏心，并且1、2、3號柱中部翼緣和腹板產生的橫向應變存在一定的差值，根據文獻［7］中纖維模型法，強軸和弱軸的位移增量不成比例，截面的變形主軸產生了扭轉，表明型鋼反力柱存在一定量的扭轉，扭轉對柱的承載力有不利影響。

3.2 相鄰型鋼柱監測結果分析

對交替頂升過程中1、2、3號型鋼反力柱進行實時監測，交替頂升中2號柱千斤頂到位回油收頂，此階段1、2、3號柱中應變的變化值，各柱應變值變化曲線見圖5。

從圖5中發現在交替頂升過程中，頂升到位后分區域分批次回油卸載千斤頂，在卸載前輔助千斤頂給壓，對2號柱批次進行卸載，2號柱批次千斤頂退出工作，上部結構壓力將重新分布。在曲線中，O點為頂升到位點，O點到D點為輔助頂給壓階段，對應于頂升位移計的數值變化輔助頂分為三步給壓即OA、AB、BC段，在此過程中輔助頂將分擔上部結構部分重量，主頂所承擔的荷載適當減小，出現類似卸去部分荷載情況，曲線呈現上升階段，平均應變在150×10－6左右；D點為2號柱批次開始回油卸載時刻，DE為整個卸載過程，在此過程中可以發現，2號柱批次卸載表現出回彈應變的遞增，最大應變值小于900×10－6，處于彈性階段；而1、3號批次柱在壓力重分布后所增加的壓應變最大值在200×10－6左右，累積壓應變均小于1 000×10－6，則型鋼反力柱尚處于彈性階段。說明在交替頂升過程中，卸載區域和增設輔助頂的方法既合理又安全。對于型鋼柱局部受力見圖6，在卸載后1、2、3號型鋼柱上中下三部分的應變值表現出一定的趨勢，腹板上部應變略大于翼緣，在下部應力均勻擴散翼緣承擔荷載大于腹板，表現出局部壓應力集中現象。

3.3 監測結果對上部結構的影響分析

在交替頂升過程中針對于以上所監測的現象和問題進行分析處理，采取了一定的措施避免對上部結構帶來影響。1）對于在監測過程中，出現雙偏心扭轉現象，可以在頂升過程中對偏心構件進行調整以及制作過程中嚴格控制型鋼柱規格，并及時進行調正糾偏；2）在進行卸載時，要合理的布置卸載區域以及合理布置輔助千斤頂，從根本上減小卸載過程對上部結構的影響，確保頂升工程安全順利進行；3）在頂升過程中千斤頂和型鋼柱接觸面會出現應力集中現象，嚴重會導致鋼柱局部屈曲影響上部結構的安全，在整個頂升過程中可通過布置合理的應力擴散構件，如墊加鋼板、局部加強等措施進行加強，避免出現反力柱上端引力集中。

4 結 論

遇真宮整體頂升工程中，通過對交替頂升過程中型鋼反力柱的受力監測，對監測數據進行分析處理，得出相關結論如下：

a.在交替頂升過程中，型鋼反力柱存在不同程度的偏心，通過及時的調整和嚴格控制，避免出現類似現象。

b.劃分合理的頂升卸載區域以及輔助千斤頂布置區域，在交替頂升過程中會減小對上部結構的擾動，使整個頂升工程順利進行。

c.在整個頂升過程中，型鋼反力柱上端存在應力集中現象，這種現象的出現會影響上部結構的安全，合理加設壓力擴散裝置，避免出現局部應力集中現象。

［1］ 張紀剛，張同波.青島體育中心游泳跳水館網架結構施工監測與模擬分析［J］.施工技術，2009，10（38）：30－32.

［2］ 張吉順，陳 魯，張其林，等.上海世博會世博軸索膜結構張拉過程監測分析［J］.施工技術，2010，10（39）：21－23.

［3］ 羅堯治，沈雁彬，童若飛，等.空間結構健康監測與預警技術［J］.施工技術，2009，3（38）：4－8.

［4］ 劉學武，郭彥林，張慶林，等.CCTV新臺址主樓施工過程結構內力和變形分析［J］.工業建筑，2007，9（37）：22－29.

［5］ 刁建鵬，黃聲享.CCTV新臺址主樓變形監測分析［J］.測繪工程，2009，5（18）：63－65.

［6］ 宋艷茹，楊 冰，高秋利，等.4.8m懸挑混凝土結構支撐架在累加荷載作用下受力監測與分析［J］.質量檢測，2011，11（29）：18－21.

［7］ 郭蘭慧，張素梅，劉界鵬.矩形鋼管混凝土雙向壓彎構件的理論與試驗研究［J］.建筑結構，2008，38（3）：22－28.