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國家體育場鋼結構卸載變形測量技術實踐

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    劉增希 秦長利 龍正武 李久林 邱德隆 萬里程

    摘 要：本文結合國家體育場鋼結構工程卸載變形測量實踐，介紹了該工程變形測量的基本特點和方法，供從事施工測量和相關技術人員參考。
    關鍵詞：卸載；變形點；監測
    1工程概況
    國家體育場主體鋼結構，采用78個臨時支撐點（塔架）分段（共分成182段）高空散裝焊接而成。在主體鋼結構合攏后，需對臨時支撐塔架進行分階段整體卸載，使鳥巢鋼結構屋面由臨時塔架的支撐逐步轉換為自身承重狀態。（見圖1）

    國家體育場鋼結構支撐塔架卸載工程總卸載量大，屋蓋總面積約6萬平方米、卸載噸位約1.4萬噸，卸載點數較多，根據設計要求鋼結構整體分級同步卸載，嚴格進行比例控制，鋼結構支撐塔架卸載步驟共分為七大步，每一大步分為五小步，支撐力最大點卸載噸位約300噸，卸載工作有一定的難度。為了能夠確保卸載工作的安全，及時了解卸載過程中每一個步驟鋼構件的變形情況是否與設計的油缸升降數據量同步升降，需要對鋼結構卸載前、后進行定時監測，卸載過程中隨卸載過程作跟蹤變形監測，并即時向卸載指揮中心提交監測成果，為決定下一步卸載動作提供依據。
    2變形觀測點的位置
    卸載過程中鋼結構變形最大的部位是內環桁架梁，根據《國家體育場鋼結構工程支撐塔架卸載監測方案》的要求，在主結構內環桁架梁0度、90度、180度和270度四個軸線方向及四個像限的45度方向附近上、下弦各置一個結構變形監測點，并盡可能讓同一方向線上的上、下弦監測點處在同一垂直線上，主結構內環桁架梁共布設16個監測點（見圖2）。另外在東、西、南、北方向四個支撐塔架上，各布設了一個支撐塔架變形監測點，總共布設了20個監測點。

    3變形測量方法的選擇
    由于卸載步驟為每小時進行一步，其中包括油缸升降、對監測點進行觀測、監測數據計算及對三個監測單位的數據匯總分析整理，并報告信息中心，信息中心專家綜合研究確定下一步卸載動作并報告指揮部，由指揮部下達卸載指令。卸載過程中出于安全原因結構上面不能有人，觀測數據又必須在20分鐘內提交信息中心，時間很緊，要求監測數據準確及時，立棱鏡不僅不安全而且速度慢，時間來不及，還有棱鏡的對點誤差也會影響到位移精度，因此我們決定用貼反射片的方式來設置監測點，用三臺儀器同時觀測。反射片雖然測距精度低一些，但同一點兩次觀測的觀測值是同精度的，因此這一點位移量的精度是高的。由于現場條件無法滿足儀器視線垂直于監測點反射片的要求，為了了解觀測數據準確性，卸載前七天左右在模擬條件進行了測試。首先在地面上，采取旋轉反射片使儀器視線與反射片形成不同角度，檢查返回信號的強弱和測距精度；然后在現場將返射片設置在偏角和傾角最大的監測點上，用兩臺儀器進行多次觀測和數據對比。隨后又選用三臺精度基本相同的全站儀，分別由三個人在三個控制點上架設儀器，選擇不同的時間段同時對所有監測點進行觀測，將所觀測的三組數據進行比較，同點的兩組觀測數據之間最大差值為2mm。可以滿足卸載監測需要。
    4變形測量實施
    4.1變形測量程序和方法
    在卸載前三天開始，連續三天對所有監測點分早、中、晚三次觀測，同時記錄時間和溫度，掌握鋼結構日變形情況。從卸載開始～卸載結束，對變形監測點的觀測頻率嚴格按照總指揮部下達的指令進行觀測，卸載過程中共觀測了24次。為了確保觀測數據的及時性、準確性，每一監測點均由兩臺儀器同時監測，每一步卸載監測工作的時間必須在20分鐘內完成。數據采集時，儀器自動采集和人工記錄同時進行。對兩種方法采集的數據分別進行處理并對結果進行核對無誤后，再與其他兩臺儀器觀測所得的監測數據進行對比分析，確認三臺儀器觀測所得到的變形趨勢一致，變形量很接近，且變形趨勢和變形數據與千斤頂油缸升降成正相關時，將監測數據提交給信息處理中心。
    4.2監測點變形狀況
    4.2.1 內環上、下弦水平位移變形
    根據觀測數據繪制的內環監測點上、下弦水平位移變形情況（見內環上、下弦水平位移變形矢量示意圖）。從圖中可以看出南北方向內環上弦兩監測點向環內變形移動，分別為24?和32?；下弦兩監測點向環外方向變形移動，位移量相對較小，分別為12mm和2mm。表明南北方向內環桁架在卸載過程中受應力影響，向場內方向傾斜變形。
    東西方向內環上弦兩監測點分別向東、西方向（場外方向）變形移動，分別為5mm和9mm；下弦兩監測點也同時分別向東、西方向（場外方向）移動，分別為54mm和58mm，遠遠大于上弦兩監測點的位移量，說明東、西方向內環桁架上、下弦監測點向外位移變形的同時，向場外方向傾斜變形。
    4.2.2支撐塔架水平位移變形
    在卸載過程中，觀測數據反映的臨時支撐塔架的水平位移變形情況見內環支撐塔架水平位移變形矢量示意圖。從圖中可以看出南北方向上與監測點相對應的支撐塔架，卸載后均向外環方向位移，其位移量為8?～16?；東西方向上監測點兩側的支撐塔架同時向外環方向位移9?～15?；

    4.2.3垂直位移曲線圖
    根據觀測數據繪制的國家體育場鋼結構工程卸載內環下弦監測點沉降曲線圖可以看出
    監測點在鋼結構支撐塔架卸載的過程中與油缸同步下降，最終下降量與理論計算值基本一致（理論計算值為286mm，實際觀測值為271mm）。

    4.2.4卸載結束后的監測
    卸載結束后每天在相同時間段對結構的穩定性進行監測，用同樣的方法對監測點持續進行觀測，根據三天的觀測數據比較（氣溫在19℃～22℃），鋼結構內環環桁架各變形監測點的標高互差值最大為2?，依據觀測數據分析，認為卸載后的鋼結構屋面基本穩定，微小的變化量也是由溫度差和觀測誤差所引起的，至此停止對監測點的觀測。
    5觀測結論
    此次國家體育場鋼結構工程卸載變形測量實踐中由于采用強制對中點設站，監測點（反射片）固定在內環上、下弦結構和支撐塔架上，消除了儀器和棱鏡的對中誤差；卸載過程中儀器、人員固定，方法一致，使得觀測數據的相對精度較高；使用三臺全站儀在不同的控制點上設站同時進行觀測和數據對比，保證了觀測成果的可靠性。為信息處理中心的正確決策提供了依據。
    國家體育場鋼結構工程卸載變形測量除采用全站儀進行變形監測外，還利用當前測繪先進的激光掃描儀進行變形測量，對整個鋼結構的變形狀況都有詳細的記錄，取得了可靠成果，為今后類似工程的設計、施工和變形測量積累了經驗。

    參考文獻
    [1] 北京市標準，建筑工程施工測量規程（DBJ01-21-95）
    [2] 國家行業標準，建筑變形測量規程（JGJ/T8-97）
    [3] 北京城建集團企業標準，國家體育場鋼結構工程施工質量驗收標準（QB/GJJT-GTCG-2005）
    [4] 國家體育場工程鋼結構支撐塔架卸載操作程序手冊[C]，北京城建集團國家體育場工程總承包部，2006年9月.
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