高层连体结构钢连廊整体提升安全监测研究
文/保利华南实业有限公司、湖南大学土木工程学院、湖南大学工程结构损伤诊断湖南省重点实验室
郭文峰、叶鹏、张莉、文培刚、陈光泽、江百旺、庞伟钊、周云
项目概况
保利龙门位于广东省佛山市。是佛山中轴线上的标志性建筑。它由两座塔楼组成，地上41层。建筑高度141.5m。第一层和第二层与底盘相连。二楼以上，分东、西两层。该塔40层、41层及空中层为连体结构，跨度约46m，属大跨连体结构。总建筑面积约11.2万平方米。单塔建筑平面布局规整。规划尺寸为37.9m×32.3m。采用框支剪力墙结构体系。塔楼2层及以下采用钢柱+剪力墙结构。建筑其余部分采用剪力墙结构。连体结构的主要受力构件为三个钢管混凝土拱，三层混凝土楼板。钢材总消耗量为1200吨。吊装前先浇筑钢管混凝土，总吊重1310t。廊道吊装至结构第40层，然后与安装在东、西塔楼上的三组牛腿焊接，形成门式结构，如图1所示。钢廊道屋面整体结构主要由主桁架、次桁架和钢管混凝土拱。每层钢板均设置抗剪力，承受混凝土板和钢梁的整体应力。
钢廊吊装施工方案
钢廊整体吊装采用液压同步吊装技术，即地面整体拼装→建立吊装系统→整体液压吊装→采用合隆焊接施工技术完成连体结构的整体安装。具体流程为：地面钢结构整体拼装→钢廊道预吊装0.5m→钢廊道正式吊装→钢廊道吊装至相应高度，微调到位并临时固定→钢廊与塔架焊接并拆除临时支撑→释放液压缆力→浇筑混凝土楼板。
两塔底部搭建临时拼装平台，完成钢廊底部的拼装。同时，在两侧塔楼顶层共设置6个吊点，每个吊点安装2台同型号液压升降机（TL-HPS-60）。 ，每个液压挺杆有12根钢绞线。吊点布置在吊装走廊下弦杆的悬挑端。为了优化钢廊道在吊装过程中的受力性能，减少吊装过程中部分杆件的受力，在下部吊点处设置临时支撑，如图2所示，临时支撑为走廊与塔楼焊接完成后切割拆除。
钢廊施工全过程监控
监控系统选型
由于工程结构具有跨度、重量、构件种类多、施工工艺复杂等特点，监控吊装安全具有重要意义。项目监控的目的是确保走廊全过程的整体安全提升，评估走廊升级过程中引起的结构安全问题，防止因施工失误和操作失误造成结构损坏、失稳甚至破坏。湖南大学大型土木工程结构健康监测研究团队建立了基于该走廊吊装过程中关键构件应力水平观测的监测系统。健康监测系统由传感器子系统、数据采集传输子系统、数据处理和管理子系统和结构状态评估子系统四大模块组成，如图3所示。本研究主要介绍应变监测内容超高层连体结构整体改造过程中的连廊。
测点布置
基于初步结构有限元分析以及结构几何特性和应力特性分析，在钢廊关键构件上安装了21个JMZX-212HAT振弦式应变传感器（量程±1 500 με） ）灵敏度为1με），通过焊接固定在钢结构表面。传感器布置在各施工步骤内力较大的区域（1层钢梁）、内力方向发生变化的构件（吊柱）、主要受力构件（钢管混凝土）。 arch)，传感器方向沿构件的主应力方向。应变测点布置方案如表1所示。
表1 结构测点布置方案
每层传感器布置如图4所示。传感器通过JMZ-4SX液压电缆采集到数据采集系统，完成数模转换。然后应变数据通过无线收发模块上传至云平台，完成数据存储和管理。通过设定阈值对结构异常进行预警。监测过程中，信号采样频率设置为3min/次，应变采集电源通过电池+太阳能电池板提供。每层采集器通过信号线相互串联，并与位于监控站上的控制器连接，实现供电和数据无线传输。 。
吊装流程
监测钢廊道于2022年7月8日10时左右开始吊装工作，2022年11月19日完成混凝土楼板浇筑，施工进度见表2。
表2 施工工艺
监测结果
以钢廊道吊装初始时刻为应变零点，整个施工过程中监测到的结构应变响应如图5所示。部分传感器在使用过程中损坏，但仍监测到一些关键施工阶段产生的应变。吊装过程中，由于结构吊装过程中几个关键步骤中边界条件和覆盖载荷的变化，导致结构测点应变发生-250~300με的变化。在结构安装过程中，会受到施工干扰。由于环境温度和应变数据的影响，应变数据在20~100με之间波动。举升过程中波动较小，表明举升过程总体平稳。
连廊预升阶段，结构由简支静力状态转变为升力状态，边界条件发生变化，导致结构力传递路径发生变化。每个测量点的应变数据变化显着。此时，拉索产生的拉索力通过临时支撑传递到钢管混凝土拱上，作为主要受力构件的钢管混凝土拱受到较大的压应变，如图5a所示；各层之间的荷载通过吊柱传递到拱上，吊柱受力由压缩变为拉力，产生较大的拉应变，如图5b所示；整体结构吊装至指定位置后，即进行塔架钢管混凝土拱、主桁架和预留牛腿的焊接工作。焊接时间为7月15日至7月28日。从图5可以看出，焊接过程中，钢廊整体受到的影响不大，应变波动较小；走廊与塔楼焊接完成后，拆除临时支撑。此时结构力传递路径发生变化，拉索产生的索力在临时支撑拆除后通过下弦杆传递，导致下弦杆产生较大应变，拉索力消除后下降。释放。如图5c所示，下弦杆再次处于低应力状态。在混凝土浇筑阶段，结构应力系统不再发生变化。由于层间荷载的增加，吊柱和钢管混凝土拱的应变逐渐稳定增加，应变变化稳定。
吊装过程有限元模拟
利用SAP2000有限元分析软件建立钢廊道有限元模型，如图6所示。采用欧拉梁单元模拟型钢梁和型钢柱，采用4节点薄壳单元模拟模拟地板。每个节点有6个自由度，分别构造桁架结构和楼板。该模型共有 937 个梁单元、634 个节点和 5031 个自由度。模型边界条件和叠加荷载根据实际情况设定。有限元分析主要考虑结构的自重和施加在结构上的恒载。计算模型在不同工况下由于边界条件的变化、部分临时构件的拆除、混凝土楼板的浇筑等而使结构的内力发生变化。计算条件如图7所示。
钢廊简支状态有限元分析
钢廊简单支撑在装配平台上。边界条件通过现场实际观测确定。结构的自重通过吊柱和临时支撑转移到支撑上。此阶段，主要受力构件钢管混凝土拱尚未受到较大的内力（见图8）。
廊道预提升阶段有限元分析
钢廊道预吊装阶段，边界条件发生变化，结构由静态简支状态转变为由廊道两侧6组拉索提供拉力的吊装状态。内力变化最大的构件为钢管混凝土拱（见图9），轴力增加1913kN，各层挂柱轴力方向发生变化。拱作为现阶段的主要受力构件，承受较大的轴向力。此阶段最大应力变化发生在临时支撑处，为-58MPa。
焊接和临时支撑拆除阶段的有限元分析
钢管混凝土拱提升至预定高度后，与塔体连接湖南大学的钢结构怎么样，拆除临时支撑。结构主要受力传递路径（拉索→临时支撑→钢管混凝土拱）发生变化。由于临时支撑的拆除，钢混凝土拱的内力直接传递到主体上。在结构牛腿上，拉索提供的拉力通过下弦传递，导致下弦产生-903kN·m。钢管混凝土拱、吊柱的弯矩（见图10）、内力变化均略有增加。此阶段最大应力变化出现在下弦处，为29MPa。
索力释放阶段有限元分析
在索力释放阶段，下弦弯矩消失，下弦由高应力状态转变为低应力状态。由于钢廊道与塔塔已焊接，结构应力体系不再发生变化，钢廊道其他构件受到的影响较小。此阶段最大应力变化发生在下弦杆下挂点处（见图11），为-28MPa。
混凝土浇筑阶段有限元分析
混凝土浇筑阶段，结构层间荷载不断增大，各层间吊柱的拉力增大。内力变化最大的构件是钢管混凝土拱，其轴力增加了3715kN（见图12）。这说明钢廊道结构设计合理，钢管混凝土拱作为主要受力构件，承受较大的内力。此阶段最大应力变化出现在钢管混凝土拱上，为-24MPa。
实测应变与有限元模拟应变对比分析
利用建立的有限元模型计算各施工阶段的理论应变值，并与测点实测应变响应进行比较。测试值为各关键施工阶段前后的平均应变数据。以1层钢梁L3、2层钢梁L20、1层吊柱L12、钢管混凝土拱L18为例进行说明湖南大学的钢结构怎么样，吊装完成后各施工阶段的比较实测应变和理论应变如表3所示。
表3 吊装完成后实测应变与有限元模拟应变对比
将理论计算值与实际测量值进行比较可以看出，对于桁架杆体系结构，有限元理论计算值能够更准确地反映实际结构受力水平。由于钢廊道吊装施工过程中有限元模型的不可控性和不准确性，导致理论应变与实测应变存在差异。然而，随着结构上的应力增加，结构的测量值越来越接近理论值。利用现场实时监测和有限元模型模拟分析可以有效指导施工并识别结构异常。 L18测点的实际测量值在任何施工阶段均略大于理论值。这里的理论值计算采用平坦截面的假设。考虑到L18测点为钢管混凝土，可能的原因是钢管混凝土的粘结滑移，导致理论计算不准确。所选截面刚度大于结构实际截面刚度，导致理论计算值偏小。
结论
本文以广东佛山保利龙门超高层连体结构吊装为背景，对其大跨钢连廊吊装安装全过程进行实时监控，从而保证了吊装工程的顺利进行。整体结构施工流程。通过分析和监测结构的特征应变响应，得到以下结论。
1）本项目钢廊吊装、安装全过程实时监控。结果表明，实测关键部件处的应变响应并未达到相应的材料屈服强度，表明结构材料在施工过程中处于弹性工作状态。同时，吊装过程中应变数据波动较小，表明吊装过程总体稳定。
2）吊装过程中，钢廊的应变变化主要发生在预吊装阶段和混凝土楼板浇筑阶段；当钢廊由静止简支状态转变为起升状态时，由于边界条件的变化，结构内力发生重新分布。 ，导致拱顶轴向力增加1 913kN；在混凝土楼板浇筑阶段，外部覆盖荷载的变化使拱顶的轴力增加到3 715kN。上述两个阶段结构内力的显着变化证明了结构健康监测的必要性。
3）对于桁架杆系统结构，有限元理论计算值可以更准确地反映实际的结构应力水平。通过理论值与实测值的对比分析，可以准确识别结构各阶段的内力，实时分析整个过程的安全水平，确保钢连接廊吊装安全。
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高层连体结构钢连廊安全监测整体提升研究（全文发表于《建筑技术（中英文）》2023年第20期）
郭文峰，叶鹏，张莉，等。高层连体结构钢连廊整体提升安全监测研究[J].建筑技术（中英文），2023, 52(20): 1-7.
