鋼結(jié)構(gòu)施工過程監(jiān)測(cè)分析研究

羅歡

摘 要： 本文分析了鋼結(jié)構(gòu)施工過程監(jiān)測(cè)，包括施工過程監(jiān)測(cè)的基本原理，鋼結(jié)構(gòu)施工過程模擬分析理論。

關(guān)鍵詞： 鋼結(jié)構(gòu)；施工；監(jiān)測(cè)

施工監(jiān)測(cè)是大型鋼結(jié)構(gòu)施工控制的基礎(chǔ)，這是因?yàn)榇笮弯摻Y(jié)構(gòu)施工過程復(fù)雜，影響其施工順利完成的因素很多：如所用材料性能與設(shè)計(jì)取值之間的差異；先期形成結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的截面特性等與分析取值之間的誤差；施工荷載與計(jì)算取值之間的差異；結(jié)構(gòu)模擬分析模型與實(shí)際情況之間的差別；施工測(cè)量存在的誤差；施工條件與工藝非理想化的影響以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)實(shí)測(cè)中存在的誤差等。

大型鋼結(jié)構(gòu)的施工長(zhǎng)期而又復(fù)雜，是一個(gè)結(jié)構(gòu)體系不斷轉(zhuǎn)換的過程。不同施工階段，其受力分析模型以及受力狀態(tài)有很大的不同，合理的施工過程跟蹤分析計(jì)算分析是施工方案制定以及施工監(jiān)測(cè)（如測(cè)點(diǎn)布置和監(jiān)測(cè)分析等）等的基礎(chǔ)，更是保證施工能否正常完成的一個(gè)重要環(huán)節(jié).本章總結(jié)分析了鋼結(jié)構(gòu)常用的各種施工監(jiān)測(cè)方法的原理和內(nèi)容，歸納了鋼結(jié)構(gòu)施工過程跟蹤計(jì)算的方法。

1.鋼結(jié)構(gòu)施工過程監(jiān)測(cè)的基本原理

在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)扮演著重要的角色，它主要是采用現(xiàn)代化的監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)跟蹤結(jié)構(gòu)施工過程中的關(guān)鍵部位的位移和應(yīng)力變化，以及其他如振動(dòng)、溫度等內(nèi)容記錄。通過實(shí)時(shí)收集到的信息，判斷判斷結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)與設(shè)計(jì)目標(biāo)是否一致，以便及時(shí)調(diào)整，使結(jié)構(gòu)施工的準(zhǔn)確性和安全性得到保證。鋼結(jié)構(gòu)施工過程監(jiān)測(cè)的基本原理是通過被安裝在結(jié)構(gòu)上的傳感器系統(tǒng)來實(shí)時(shí)收集施工過程中結(jié)構(gòu)特性的變化情況，通過分析與判斷對(duì)結(jié)構(gòu)當(dāng)前的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)施工過程中的不準(zhǔn)確性和不安全性因素，保證施工過程的順利完成。

1.1幾何變形監(jiān)測(cè)

施工過程幾何變形監(jiān)測(cè)是對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象或物體（簡(jiǎn)稱變形體）的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，以確定其變形體的空間位置以及內(nèi)部形態(tài)隨時(shí)間的變化特征。變形監(jiān)測(cè)主要是通過測(cè)量?jī)x器對(duì)建立基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的測(cè)量變形體在空間三維幾何形態(tài)上的變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，常見的常規(guī)測(cè)量?jī)x器有水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、激光測(cè)距儀、全站儀和攝影測(cè)量設(shè)備等，這些常規(guī)的地面測(cè)量方法技術(shù)比較成熟，通用性好，精度也能滿足常規(guī)監(jiān)測(cè)需求，能夠監(jiān)測(cè)變形體的變形信息和趨勢(shì)；但是缺點(diǎn)也是非常明顯，如野外作業(yè)工作量大，易受施工作業(yè)面干擾，且不能滿足動(dòng)態(tài)、連續(xù)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的要求。隨著電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、激光技術(shù)、空間定位技術(shù)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)的發(fā)展，以GPS技術(shù)、激光三維掃描儀、測(cè)量智能機(jī)器人等為代表的現(xiàn)代儀器結(jié)合現(xiàn)在通信網(wǎng)絡(luò)，組成全天候連續(xù)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在變形監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，同時(shí)也代表著變形監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，從而大大的提高了監(jiān)測(cè)效率和外部變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取能力。

1.2應(yīng)力監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的應(yīng)力監(jiān)測(cè)是施工監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容之一，無論是何種鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)某指定點(diǎn)的應(yīng)力也同其幾何位置一樣，隨著施工的推進(jìn)，其值是不斷變化的。在某一時(shí)刻的應(yīng)力值是否和理論分析值一樣，是否處于安全范圍是施工監(jiān)測(cè)關(guān)心的問題核心.而解決的辦法就是進(jìn)行施工過程的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，一旦監(jiān)測(cè)發(fā)生異常情況，就立即停止施工，查找原因并及時(shí)進(jìn)行處理。在現(xiàn)代大型鋼結(jié)構(gòu)工程中，需要對(duì)永久結(jié)構(gòu)的下列點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)測(cè)：①最大應(yīng)力點(diǎn)；②應(yīng)力變化較大點(diǎn)；⑨施工關(guān)鍵點(diǎn)；④體現(xiàn)環(huán)境影響特征點(diǎn)。

鋼結(jié)構(gòu)的施工是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，所以，應(yīng)力監(jiān)測(cè)是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的量測(cè)過程.要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況，采用方便、可靠和耐用的傳感組件非常重要。目前應(yīng)力監(jiān)測(cè)主要有直接法和間接法兩種。直接法是利用應(yīng)力傳感器直接感知構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力的一種測(cè)量方法，間接法是指首先利用各種應(yīng)變傳感器測(cè)量出構(gòu)件的應(yīng)變，再通過一定的換算方式轉(zhuǎn)換為構(gòu)件應(yīng)力的一種測(cè)量方法。目前應(yīng)力監(jiān)測(cè)主要是采用電阻應(yīng)變片傳感器，振弦式傳感器、光纖光柵應(yīng)變傳感器等。電阻式應(yīng)變片傳感器只能用于短暫的荷載增量下的應(yīng)力測(cè)試，并且現(xiàn)場(chǎng)使用不便、耐久性差，所以，一般僅用于應(yīng)力測(cè)試與校核。對(duì)于適合于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)且量測(cè)過程中始終要以初始零點(diǎn)作為起點(diǎn)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，目前基本上均采用振弦武傳感器，主要原因是振弦式傳感器具有較好的穩(wěn)定性、使用方便、自然具有應(yīng)變累計(jì)功能、抗干擾能力強(qiáng)以及數(shù)據(jù)采集方便等。光纖應(yīng)變傳感器是一種更為方便、準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器，已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向了工程應(yīng)用，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展成熟，今后光纖應(yīng)變傳感器必將成為結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的主要設(shè)備和手段。

1.3索力監(jiān)測(cè)

拉索作為一種高效地承受拉力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，正越來越廣泛的應(yīng)用于實(shí)際工程當(dāng)中，拉索能參與的結(jié)構(gòu)類型很多，其中比較重要的有索桁架、索穹頂、張弦梁等。索力測(cè)試的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到拉索結(jié)構(gòu)施工的順利實(shí)施，是拉索結(jié)構(gòu)能否成功修建的關(guān)鍵問題之一.在工程實(shí)際中，常用的索力測(cè)定方法有壓力表測(cè)定法、壓力傳感器測(cè)定法、頻率法以及磁通量發(fā)，前兩種方法一般僅適用于正在張拉拉索的索力測(cè)定，后兩種方法適合使用過程中的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

2.鋼結(jié)構(gòu)施工過程的模擬分析理論

近十年來，我國(guó)的大型鋼結(jié)構(gòu)建筑得到了空前的發(fā)展，同時(shí)也給施工技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn)。施工過程中面臨著大量永久結(jié)構(gòu)和臨時(shí)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定等問題，而且這些問題和結(jié)構(gòu)施工過程的安全和質(zhì)量都緊密相關(guān)，所以要對(duì)施工過程的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和分析，同時(shí)也可以為施工監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。

對(duì)于大型鋼結(jié)構(gòu)，不僅要重視結(jié)構(gòu)的最終設(shè)計(jì)狀態(tài)，而且也要關(guān)心結(jié)構(gòu)的成型過程。大型鋼結(jié)構(gòu)的成型過程是通過吊裝或滑移或提升或其他施工技術(shù)從一系列準(zhǔn)結(jié)構(gòu)逐漸形成最終結(jié)構(gòu)的過程，在這個(gè)過程中結(jié)構(gòu)可能失去平衡而傾覆、或由于結(jié)構(gòu)或構(gòu)建失去穩(wěn)定而倒塌、或由于局部構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度不足而破壞。因此，合理的施工方法選取、正確的施工過程驗(yàn)算以及施工過程的監(jiān)測(cè)是施工過程順利進(jìn)行的保障。

2.1施工過程的計(jì)算內(nèi)容

大型鋼結(jié)構(gòu)的施工過程需要進(jìn)行的分析和計(jì)算包括如下內(nèi)容：

1）施工全過程的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移計(jì)算；

2）臨時(shí)支撐的布置方案及拆撐過程計(jì)算；

3）結(jié)構(gòu)整體提升過程的內(nèi)力和位移計(jì)算；

4）結(jié)構(gòu)施工過程中，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性計(jì)算；

5）大型構(gòu)件吊裝過程中的內(nèi)力和位移計(jì)算；

6）結(jié)構(gòu)施工過程中，風(fēng)荷載、溫度荷載以及地震荷載等影響分析；

7）預(yù)應(yīng)力張拉全過程跟蹤模擬計(jì)算及方法；

8）柔性結(jié)構(gòu)的成型問題及計(jì)算。

另外，根據(jù)結(jié)構(gòu)和施工工藝的不同，在實(shí)際的施工過程驗(yàn)算中，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算分析。

2.2施工過程的計(jì)算方法

鋼結(jié)構(gòu)的施工是一個(gè)多階段的動(dòng)態(tài)過程，隨著施工過程的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)體系在不斷地變化，構(gòu)件在增添或刪減，約束條件在轉(zhuǎn)換，構(gòu)件連接邊界在變化，結(jié)構(gòu)自重、施工荷載也在變化；前一個(gè)施工階段的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)對(duì)后一期施工的結(jié)構(gòu)的受力性能乃至最終結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)有著密切的聯(lián)系；即便是同樣的結(jié)構(gòu)，若采用不同施工方法和施工順序，也將會(huì)得到不同的終態(tài)構(gòu)型。對(duì)于大量施工過程的結(jié)構(gòu)計(jì)算問題則是靜止?fàn)顟B(tài)的結(jié)構(gòu)分析，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，確定邊界和荷載條件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

目前應(yīng)用和研究較多的兩種施工力學(xué)實(shí)用分析方法為f281：生死單元法和施工多階段分析理論，相關(guān)研究的學(xué)者也很多.生死單元法是根據(jù)施工過程，選擇單元的“激活”與“殺死”，已經(jīng)安裝完成的單元設(shè)定為“激活”狀態(tài)（即設(shè)定為“活單元”），未安裝完成的單元設(shè)定為“殺死”狀態(tài)（即定為“死單元”），這樣結(jié)構(gòu)分析時(shí)只考慮“活單元”參與工作；施工多階段分析理論則是各階段分析時(shí)只考慮已安裝部分的單元?jiǎng)偠染仃嚭拖鄳?yīng)的節(jié)點(diǎn)力向量，按照擬定的施工方案邊重組分析模型邊求解，真實(shí)、精確地模擬了整個(gè)施工過程。■

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