應力應變監測技術在大型鋼桁架液壓提升施工中的應用和實踐

張國松

應力應變監測技術在大型鋼桁架液壓提升施工中的應用和實踐

張國松

【摘 要】本文針對大型鋼桁架在吊裝過程中受到風、溫度以及各類施工因素影響所造成的結構變形、整體穩定性差、應力變化復雜等情況，根據工程實例論述了建立專門的應力應變監測系統，可實現施工全過程實時監控，提供實時監測的結構應力應變數據，及時發現吊裝就位過程中的危險狀態，為及時預警提供有效數據。

【關鍵詞】應力應變監測； 傳感器； 變形控制； 數據采集

近年來，鋼結構行業發展突飛猛進，吊裝方法和技術也不斷拓展創新。但隨著大噸位、超長、復雜異形等組合構件的廣泛出現，其在拼組吊裝以及與主體結構連接過程中受到風、溫度以及各類施工因素影響所造成的結構變形、整體穩定性差、內應力變化復雜等情況，組合構件的吊裝提升、就位安裝的安全性就成為一個不可忽視的問題。因而，建立一套能對施工全過程實時動態監控的監測系統，掌握鋼構件工作狀態，提供實時的結構應力應變數據，及時發現和預警在施工過程中的各個危險工作狀態，為設計、施工單位及時處理吊裝全過程中的各種突發狀況提供可靠的理論依據，為大型鋼桁架吊裝提供技術保障。

本文通過對中國建設銀行股份有限公司寧波分行新綜合業務樓鋼結構工程在大型鋼桁架液壓提升過程中成功應用的應力應變監測技術進行簡單分析，望能為今后類似構件吊裝提供可借鑒的經驗。

1.工程概況

建行寧波市分行新綜合業務樓位于寧波市東部新城國際金融服務中心南區，主體采用型鋼混凝土結構、部分鋼結構，地上15層，地下3層，主樓建筑平面總長度76.8m，總寬度76.8m，建筑檐口標高76.65m。

部分型鋼桁架采用地面拼裝、整體液壓提升方式安裝施工。由于鋼桁架體積大、質量重，為避免施工過程荷載對桁架產生不必要的、影響結構正常使用或承載能力的應力與變形，需要對鋼桁架的提升施工產生的施工荷載進行結構應力應變監控，所監控的桁架A、B在結構中的標高位置見圖1；需要進行施工監測的A、B型鋼桁架基本情況如下表1。

表1 鋼桁架基本情況 參數

由于兩榀鋼桁架材質一樣、重量大致相同，下面我們就選擇鋼桁架A進行詳細闡述。

實際提升過程中，鋼桁架A采用分段進場，拼裝位置位于其設計標高正下方的地面，依托獨立設置的鋼支架豎向拼裝桁架，在拼裝構件尺寸檢查、高強螺栓及焊縫連接施工完成后此兩點提升就位。鋼桁架A提升時的懸吊固定點位于鋼桁架上弦，在提升位置焊接下吊耳板、懸吊位置設置加固桿件，吊裝示意如圖2。

2.應力應變監測實施原理

利用金屬絲導體的“應變-電阻效應”，在結構表面粘貼由敏感金屬絲制成的電阻應變計（傳感器），當結構在外力作用下會發生應變，電阻應變計的敏感柵隨之產生相同應變，其電阻值也發生變化，這樣就把應變轉換成電阻的變化，應變和電阻的關系如下：

當金屬絲受力而變形（伸長或縮短）時，其長度、截面積和電阻率都將發生變化，其電阻變化可對式（1）微分求得：

式中：（1+2μ）就是金屬絲的靈敏洗漱，表示單位應變引起的相對電阻變化。但在實際測試中結構受力產生的應變微小，由此引起應變計的電阻變化非常微小，難以直接測量這樣微小的電阻變化，利用惠斯頓電橋把電阻的變化轉化為電壓或電流的變化，不僅可以解決信號獲取的問題，還解決了溫度補償等問題，最終可以推算出應變和電壓的關系式（4），指導了應變就可以通過胡克定律σ=Eε來計算出應力。

式中：Uy、UO、SE分別為電橋的輸出電壓、電橋的供橋電壓、應變計的靈敏系數。

3.應力應變測試系統

3.1 系統構成

該系統是根據大型復雜結構施工過程中要對多部位的應力應變進行實時監測所開發的，主要用于大型復雜結構施工過程中結構關鍵部位的應力應變實時監測和預警控制，在信息化施工中發揮指導監督作用。系統主要由振弦式應變計、無線傳輸、數據采集處理系統、服務器、計算機組成。將距離相近的振弦式應變計與采集器無線發射裝置相連，數據通過無線傳輸至室內接收器，接收器與計算機系統相連，無線接收距離約2km。數據采集可根據測點布置情況，單點或多點集成無線發射。整個系統示意圖如圖3。

3.2 監測過程通報形式

結合施工階段仿真分析結果，在檢測系統中設置施工階段各測點位置應變傳感器的應變報警值。當施工過程中，測點實測應變大于計算危險狀態的應變報警值，系統自動報警，可立即停止吊裝。待施工異常情況排除后繼續進行提升施工。

4.桁架A提升過程應力應變分析

4.1 鋼桁架A計算分析

對于混凝土構件，鋼結構構件彈性性能好，可以抵抗的整體變形較大，但其構件截面板件厚度偏薄，結構經受意外狀況后，除整體變形外，還會出現構件局部變形和屈曲現象。因此，實施監測前，需先用ANSYS有限元軟件根據設計圖紙和施工方案建立桁架A有限元數值模型，模型采用SHELL63單元，附加固定桿件采用BEAM188單元，對鋼桁架進行施工過程仿真模擬。如圖4。

4.1.1 風荷載影響計算

施工方案中規定，風速在超過6級時停止吊裝施工，根據氣象定義，6級風速為10.8~13.8m/s，取最大值V0=13.8m/s。吊裝最高位置海拔高度定為60m，空氣密度ρ=0.00125e-0.001z=0.00124。則基本風壓：w0=ρV02=0.5×0.00124×13.82=0.118kN/m2。

鋼桁架A距離地面高度為40m，

C類地面粗糙度，風壓高度變化系數μz=1.0，體型系數取表8.3.1中33項次：μst= φμs[

=140.6/225.6=0.623,μ=1.3]，

sμst=φμs=0.623*1.3=0.81。則風速為六級時，作用在鋼桁架A上的風壓標準值為：wk= βzμsμzw0=1.0×0.81×1.0×0.118=0.10kN/m2= 100N/（106mm2）=1×10-4N/mm2。風載和鋼桁架自重作用下的有限元模型如圖5。

對比無風荷載作用的鋼桁架A提升過程中的結構內力，封載主要引起結構橫向剛體位移，對結構內力影響較小。

4.1.2 計算結果

結構平面內變形見圖6，吊裝過程中結構計算結果的應力梯度圖見圖7~圖10。

分析以上結果，鋼桁架A上應變變化較為顯著的位置分布如下圖11。

各點位正常吊裝過程中的最大應力應變見表2，彈性模量根據規范取2.06×105N/ mm2，結構重力加速度g=10m/s2。由于計算時未考慮螺栓連接節點板等自重影響，因此，考慮到附屬配件自重，實測應變值不超過計算值15~20%。

表2 各點計算應力和應變

4.2溫度影響

吊裝實施過程中受溫度影響，鋼桁架受環境溫度影響會產生變形，根據規范，鋼材線膨脹系數為12×10-6。鋼桁架吊裝長度約30m，如下料制作時溫度和吊裝焊接時溫度相差1℃，則桁架伸長或縮小0.36mm，如溫度差10℃，則桁架會變形4mm，吊裝時需注意溫度影響。

5.應力應變監測

5.1鋼桁架構件連接質量

吊裝提升前，先對鋼桁架施工完成的連接高強度螺栓和焊縫進行抽檢，結果如表3。

所抽檢的焊縫質量用超聲波方法進行檢測，能夠達到一級焊縫要求；高強螺栓扭矩值1200N.m，達到監理單位提供的扭矩值要求。

表3 焊縫質量和高強螺栓扭矩抽檢結果

5.2應變測點位置布置

根據有限元模型所確定的應變測點位置結構現場實際布置條件，鋼桁架A的應變測點布置如圖12。

用HY-65B3000B數碼應變表面傳感器、HY-65L無線發射器、HY-65PC無線數據接收器和武漢華巖配套的數據采集軟件組成動態數據采集系統，由以上部件組成的測量系統如圖13。無線傳送距離可達2km。若采用公共網絡，則可以傳輸更遠距離。現場采用的應變傳感器外形及技術參數見表4。

5.3應變監測結果

表4 應變傳感器技術參數

通過對鋼桁架液壓提升全過程（提升、就位、焊接、提升吊點拆除）中的最大或最小應變測試數據列表如表5，測試過程數據如下圖14~圖20。

表5 鋼桁架A測點應變值（με）

鋼桁架A吊裝過程中，各測試點應變變化正常，基本在計算預估范圍內。受吊裝過程中桁架水平度調整影響，個別測點吊裝過程中的壓應變短時間內超過計算值，吊裝到標高就位時，所超過計算值的測點應變重新減小到計算預估值以內。同時，鋼桁架A在吊裝就位、水平構件安裝完成后，吊裝裝置拆除后現場檢查均未發現鋼結構局部變形屈曲等異常情況。

6.監測系統優點

該套多點式應力應變監測系統在原有的集中式上進行了完善和優化，系統軟件進行了全面升級，具有如下優點：

6.1 振弦式應變無線傳輸系統與振弦式傳感器集成一體，實現單點無線采集傳輸，采集的數據可以實時無線傳輸至計算機，保證了采集數據的準確性。

6.2 應變數據采用數字信號傳輸，避免測量噪聲，測量精度高，抗干擾能力強。無線傳輸距離約2km遠，通訊協議采用IEEE標準。結合互聯網，可實現更遠距離傳輸。

6.3 自組織、自恢復多跳傳感器測量網絡，支持多種網絡拓撲結構。

6.4 強大 軟件支持，可提供只管數據顯示、數據存儲、變化曲線自動生成、自動報警等多項功能。

6.5 可同時實現對多個監測點位進行實時監控。

6.6 信號調整器的線性度可達0.02%，確保信號在調整環節的失真較小，提高其抗干擾能力。

6.7 強化系統的防護，傳感器和無線發射器均具備防水功能，即可抗電磁干擾、防止機械損壞和電氣焊燒損，又能防止雨雪造成期間的短路和損壞，可實現連續長時間露天作業。

7.結束語

根據施工過程有限元分析，現場吊裝應變測試，鋼桁架吊裝施工過程基本正常，結構應變變化在彈性范圍，未發現吊裝施工引起的變形屈曲等異常情況。通過現場采集大量實測應力應變數據試驗，分析得出以下結論：

7.1 監測應力應變數據滿足國家規范，結構安全儲備較大，理論與實測數據的差異均在容許范圍內，且變化趨勢相互吻合。

7.2 通過對不同點位的應力應變檢測，發現鋼桁架的上下弦桿、斜腹桿件均并未軸心受力桿件，特別是在吊裝施工過程中，當應力情況較小時，其監控的實測數據具有一定的游離性，大部分桿件不同程度出現附加彎曲應力，估計與其桿件存在初偏心和初彎曲有關，這可能與制作加工有一定關系，但也不排除傳感器及檢測系統的誤差。

7.3 本次應力應變監測技術的運用在我公司尚屬首次，就行業范圍來說，其應用也并不多見，雖然監控周期較長，費用相對較高，技術難度較大，但獲得的大量珍貴的實測數據對今后類似工程將是一筆寶貴的財富和有益的經驗借鑒。

7.4 通過應力應變的實測值和預估值的分析比較，驗證原設計和施工方案的合理性，積累經驗，為以后的設計提供參考，以便在設計過程中盡可能在結構上受力合理，經濟上節省鋼材，外觀上新穎大方，促進我國鋼結構在各個領域迅速發展。

【參考文獻】

[1]中國建筑科學研究院.GB50344-2004《建筑結構監測技術標準》，北京；中國計劃出版社，2004.

[2]中華人民共和國建設部.GB50205-2001《鋼結構施工質量驗收規范》，北京；中國計劃出版社，2001.

[3]中國建筑科學研究院.GB/T50621-2010《鋼結構現場檢測技術標準》，北京；中國建筑工業出版社，2011.

[4]張如一，沈觀林，李朝弟.應變電測與傳感器.北京；清華大學出版社，1998

（作者單位：浙江省二建鋼結構有限公司）

【中圖分類號】TU323.4

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2015）08-0060-05