淺談茶葉柔性管道鋼桁架結構提升架的多點不對稱整體提升同步控制方案

大跨度空間的鋼框架結構具有承受質量高、橫跨長、施工速度快、造型新穎等優(yōu)點。它被廣泛應用于體育、大樓等大型公共建筑中，如甘肅體育。現(xiàn)代結構常用監(jiān)測技術主要包括有線監(jiān)測、無線監(jiān)測和云監(jiān)測等。有線監(jiān)測較為成熟，操作簡單，但一般適用于局部或小范圍的監(jiān)測，且無法實現(xiàn)實時監(jiān)測。無線監(jiān)測數據采集不受設備長度等因素的制約，實施較為簡單，但該方法由于系統(tǒng)和監(jiān)測設備的局限性，導致信號不強，僅能在施工現(xiàn)場一定范圍內進行監(jiān)測，并且數據反饋周期較長。云平臺監(jiān)測技術操作與實施雖相對復雜，但由于其運用TPC/IP、UDP協(xié)議進行數據通信，以通用無線分組業(yè)務(GPRS)信號傳輸為保障，數據可在全國任何地點進行收集，并且其數據反饋周期較短，可滿足實時監(jiān)測的要求。六安體育中心體育館屋蓋采用空間異形曲面鋼桁架結構，最大跨度89.7m，結構形式新穎，同時結構在高空需要多次線性調整，施工難度大，安裝精度要求高。針對其結構與施工特點，同時為滿足實時監(jiān)控的安全性要求，采用基于云監(jiān)測技術的館內多點不對稱整體提升同步控制的方法對體育館大跨度空間異形曲面鋼桁架屋蓋進行施工。1總體鳥預防六安體育中心以六安茶水文化作為其設計理念，坐落于淠河北岸，外觀以柔美流線為主要風格，整體酷似中國十大茶品“六安瓜片”。六安市體育中心包括一個3萬人座位的體育場、一個6000人座位的體育館、一所能容納500名師生的體育學校以及室外綜合配套設施，總體鳥瞰平面布置見圖1。體育館建筑面積23780m2面鋼桁架結構六安體育中心體育館屋蓋為大跨度異形曲面鋼桁架結構，結構形式新穎，對焊縫質量、桿件精度以及施工安全要求較高。針對以上特點和要求，對三種施工方案進行比選。2.1方案2:基于現(xiàn)有基礎框架的雙層以上框架結構組合1)在館內設8個提升架協(xié)助提升工作，同時設置若干承重架為拼裝館內桁架做準備。2)在土建結構施工至+5.350m標高處(一層框架及看臺施工完成)，進入場館內對提升部分桁架進行組裝，同步進行二層以上框架結構施工，二層看臺暫不施工。3)提升部分桁架館內組裝完成，進行云監(jiān)測設備的安裝調試。4)二層框架及支座立柱施工完成后，采用選定的提升系統(tǒng)進行館內桁架整體提升施工(200t連續(xù)千斤頂+液壓泵站+同步性控制系統(tǒng));最大提升力74kN，提升支架高度30.28m。2.2柱頂方案施工及提升架安裝1)在土建結構施工至+5.350m標高處(一層框架及看臺施工完成)，進入場館內進行提升部分桁架的組裝，同步進行二層以上框架結構施工，二層看臺暫不施工。2)提升單元館內組裝完成，二層框架及支座立柱施工完成后，在南北側混凝土柱頂各設6個提升架協(xié)助提升工作，同時進行云監(jiān)測設備的安裝調試。3)采用選定的提升系統(tǒng)設置在柱頂提升架上，進行館內結構整體提升施工(200t連續(xù)千斤頂+液壓泵站+同步性控制系統(tǒng));中部設8榀起頂支架，利用起頂千斤頂對結構線型進行調整?；炷林嵘O備提升力為590kN，偏心距1.5m，提升架高度7m;中部起頂反力約740kN，起頂支架高度最高為22.25m。2.3分段吊裝準備1)土建結構全部施工完成后，在館內外設承重支架，為分段吊裝做準備。2)對桁架總體進行分段吊裝，分批安裝云監(jiān)測設備，將館內每榀主桁架分成3段，設2榀承重支架，選擇200t汽車吊和25t汽車吊配合進行吊裝。2.4經濟性和工況根據體育館的結構特點，對方案的可行性、安全性、經濟性和工期進行對比(表1)。綜合以上對比，六安體育中心體育館館內屋蓋施工采用“基于云平臺實時監(jiān)測的館內設提升架整體提升”的方案進行施工。3差分非對稱總體控制3.1提升器與液壓泵站的連接保證提升工作的開展需要以下設備;鋼結構吊耳、液壓提升器、鋼絞線、鋼絞線導向架、地錨、液壓泵站、電源、傳感器與計算機。設備的調試與安裝大致分為以下步驟:1)鋼結構吊耳焊接在桁架上弦桿件上，對應位置設置加勁板。2)提升器鋼絞線外接孔與支承通孔中心對齊，鋼絞線與支承通孔壁不能碰擦。提升器的液壓鎖方位要便于與液壓泵站之間的油管裝拆。提升器就位后用壓板進行定位，每個提升器需用4塊L形壓板固定。3)鋼絞線導向架用于提升過程中鋼絞線的疏導，防止鋼絞線纏繞。導向架導出方向以方便裝拆油管、傳感器和不影響鋼絞線自由下墜為原則。4)用L形壓板將地錨固定于提升吊具中(每個地錨用4塊壓板固定)，留有一定空隙，使地錨可沿圓周方向自由轉動，鋼絞線與孔壁不能碰擦。5)液壓泵站與提升器的油管連接。6)各傳感器與控制系統(tǒng)連接。7)提升器與液壓泵站電纜連接。8)液壓泵站與控制系統(tǒng)線路連接。9)液壓泵站動力電纜連接。10)進行液壓泵站檢查、電機旋轉方向檢查、電磁換向閥動作檢查、油管連接檢查、錨具檢查、系統(tǒng)檢查、鋼絞線張拉等工作。3.2提高設備運行原理和質量控制液壓整體提升同步控制技術需要提升設備的良好運轉，同時也需要計算機的同步控制。3.2.1提升器夾持器安裝液壓提升器由上下夾持器、提升千斤頂、輸油管道等主要構件組成。提升時，鋼絞線穿過提升器上下夾持器，夾持器將鋼絞線夾緊以讓鋼絞線承重;上夾持器先緊，下夾持器后松，千斤頂負載提升;下夾持器夾緊固定重物，上夾持器松開，千斤頂回到原位。提升器每完成一次動作循環(huán)，物體便上升到一定高度，直至把物體提升到指定位置，即結束循環(huán)。3.2.2中央控制室的引導分析計算機控制包括:1)監(jiān)控整體提升過程的數據與信息;2)控制液壓提升器的整體同步工作;3)通過信息反饋控制施工偏差。在保證提升器、液壓油管、泵站等硬件設施相同的情況下，操作人員可在中央控制室通過液壓同步計算機控制系統(tǒng)的人機界面進行提升數據的觀察和控制指令的發(fā)布。提升過程中通過計算機的控制程序，可以實現(xiàn)提升器按指定命令自動工作，并且通過反饋系統(tǒng)可以了解提升器狀態(tài)，以此來及時調整結構和構件的位置和姿態(tài)。整體提升同步控制原理見圖3。3.2.3升的同步性保證保證整體提升的同步性需要硬件設施的良好運作、計算機同步控制系統(tǒng)的準確控制以及人工實時監(jiān)測。實現(xiàn)提升的同步性需要保證各個提升點的提升器、液壓油管、泵站等硬件設施配置相同并良好運作;需要保證計算機同步控制系統(tǒng)中的控制、反饋、分析和監(jiān)控系統(tǒng)設置準確，并在系統(tǒng)中將提升速度設置在4m/h上下便于及時控制調整;需要保證人工實時對提升點及附近的桿件、節(jié)點的應力、變形進行監(jiān)測，確保各點的同步性。3.3種提升點方案比選體育館館內屋蓋結構具有跨度大、非對稱的特點，必須選取合理的提升點對屋蓋開展提升工作。采用MIDAS對三種提升點方案進行比選。提升點方案1:內側4點提升;提升點方案2:外側4點提升;提升點方案3:內、外8點提升。1)提升點方案1:選取屋蓋靠內側的2)提升點方案2:選取屋蓋靠外側提升點方案比較見表2和圖4，結果表明，提升點方案3內、外側8點提升更加安全合理。3.4提升架和提升板高度根據施工需要，本項目提升架需要提升平臺、頂升平臺以及屋蓋拼裝平臺三大平臺，同時要考慮提升架受力時的強度、穩(wěn)定性以及作為輔助設備的可拆卸性，為此，本文采用MIDAS軟件對不同提升架方案以及不同受力情況下的提升架進行了模擬分析。最終從11種方案中確定了以下最優(yōu)方案作為提升架的設計方案。單個提升架共有87個結點，183個梁單元;材料采用Q345鋼材;由5個不同截面的鋼構件組成，鋼材厚度均小于16mm。共設計8個提升架，根據高度不同分為4組，其中最高提升架頂部標高30.280m，最低提升架頂部標高27.970m。鋼絞線最小自由長度3m(提升到位后，提升器到提升點距離)。提升架自下而上分5個平聯(lián)(平聯(lián)1～5，頂部標高分別為4.200,10.380,16.180,22.250,30.280m)，平聯(lián)1～3高度均為1.2m，平聯(lián)4、5高度均為1.5m;其中平聯(lián)2在桁架組裝過程中用作組裝平臺;平聯(lián)4用作桁架起頂平臺，上設起頂箱型分配梁。提升架立柱:模擬時考慮到恒荷載、施工荷載、風荷載和溫度荷載，其中施工荷載(包括節(jié)點加勁及結構補強等)取值0.15G(G為自重)。提升架柱底采用剛性連接，提升架上的集中荷載根據提升架處屋蓋反力值確定。仿真模擬計算表明，整體提升過程中提升架的最大應力值為-199.37MPa，位于提升架頂部分配梁，遠小于GB50017—2017《鋼結構設計標準》3.5起頂平臺及柱頂支柱模擬整個提升階段可以分為以下幾步:1)試提升100mm，靜置24h，檢查提升支架及提升設備;然后提升點同步提升至設計標高(南北側桁架端口最大下?lián)?7mm)。2)中間4個提升點同步超提37mm，外側4個提升點同步超提32mm;南北側桁架斷口下?lián)蠞M足對接要求(±5mm)。3)柱頂支座就位，南北側柱頂桁架對接。4)中間4個提升點同步下降16mm，外部4個點同步降18mm;東西側桁架斷口下?lián)蠞M足對接要求(±5mm以內)。5)柱頂支座就位，東西側柱頂桁架對接。6)安裝支座處環(huán)桁架及連接系，此時將桁架梁落在提升架的起頂平臺上;拆除提升設備，由起頂平臺和柱頂支座共同受力，完成支撐體系的轉換。施工過程模擬見圖6。整個提升過程中采用云監(jiān)測的手段對屋蓋和提升架進行實時監(jiān)測，為施工提供安全保障。3.6不同步提升仿真模擬及結果分析在整個提升施工階段，對結構影響較大的就是同步提升工作時的非同步性。如果不能按照結構及施工的要求同步提升結構，屋蓋將會因局部形變而產生較大應力，甚至使結構側翻或垮塌，因此對不同步提升的仿真模擬研究尤為重要。本文對單點在不同位移下以及多點在不同位移下的不同步提升狀態(tài)(圖7)進行模擬，研究了16種狀態(tài)下結構的應力及變形情況。分析結果以不同步提升20mm為例，見表3。結構提升非同步時，應力與變形都將發(fā)生較大變化，整體結構形態(tài)極不均勻，已無法滿足結構設計與施工的要求。因此當發(fā)生不同步提升時，應立即停止整體提升工作，將計算機同步控制系統(tǒng)由自動模式切換成手動模式，人工進行單點以及多點的高差調整，并檢查計算機的控制、反饋、分析與監(jiān)控系統(tǒng)以及液壓提升器、泵站系統(tǒng)，確保下一步提升的同步進行。4云監(jiān)測技術4.1云監(jiān)測平臺的建設和應用云計算是一種虛擬化的技術服務，用以滿足用戶的運算、儲存等多種需求。云平臺也即以云計算為依托，基于硬件和軟件資源的一種提供計算、存儲等功能的服務工程云監(jiān)測平臺是針對建筑工程開發(fā)的一種服務平臺，其主要運用TPC/IP、UDP協(xié)議進行數據通信。平臺結構從上到下可分為數據采集層、數據處理儲存層和用戶終端層。結合力學和網絡傳輸的快捷性，平臺可以實現(xiàn)對結構的實時監(jiān)測，為施工安全提供強有力的保障(圖9)。4.2云監(jiān)測設備和原理云監(jiān)測設備主要指完成監(jiān)測所需的硬件設施，包括傳感器、數據采集與收發(fā)設備。本節(jié)將結合實際工程對設備與原理進行介紹。4.2.1鋼弦式應變計法六安體育中心體育館項目主要對結構的應力與變形進行監(jiān)測，項目中變形采用掃描機器人進行監(jiān)控，應力方面采用應變傳感計監(jiān)測。建筑工程中常用的應變傳感計有電阻應變計和鋼弦式應變計兩種。電阻應變計一般用于短期的建筑結構應變測量;鋼弦式應變計一般用于長期的建筑結構監(jiān)測。電阻應變計是基于變形與電阻、電信號的轉換來測量結構的內力與變化。鋼弦式應變計是基于變形與鋼弦張力的轉化來測量結構的內力與變化，當被測結構物發(fā)生應變時，應變計左右端座產生相對位移并傳遞給鋼弦，使鋼弦受力發(fā)生變化，從而改變鋼弦的固有頻率;測量儀器輸出脈沖信號通過線圈激振鋼弦并檢測出線圈所感應信號的頻率，經儀器及云平臺換算得到被測結構物的應力-應變量鋼弦式應變計的應變換算式如下。1)線性擬合式:式中:ε為當前時刻相對于初始位置時的應變量，102)多項式擬合式:式中:α，b為系數，采用最小二乘法擬合的方法求得，其余符號含義同式(1)4.2.2dtu網絡傳輸模塊數據采集與收發(fā)設備包括綜合采集模塊和DTU網絡傳輸模塊。綜合采集模塊是一種多通道的集線采集設備，可以接入智能鋼弦式應變計、電感調頻及半導體溫度傳感器等設備，同時可以通過自動巡檢識別設備并檢查問題。DTU網絡傳輸模塊是一種利用CMNET網絡達到遠程傳輸信號的網絡傳輸模塊，將其與綜合采集模塊進行連接，傳輸傳感器數據至云平臺。傳感器常用傳輸協(xié)議以RS232和RS485為主。傳感器數據在進行無線傳輸時，需要將RS232/485/422轉換為GPRS數據進行傳輸。該類數據轉換一般由轉換器(又稱無線數據傳輸終端、工業(yè)無線網卡、工業(yè)手機、GPRS調制解調器)來轉換5分散不對稱的總體協(xié)調推廣5.1屋頂模型計算模型為保證施工全過程的安全，采用有限元軟件MIDAS對體育館屋蓋提升全過程進行施工仿真模擬(圖10)，獲得了鋼結構屋蓋和提升架的應力與豎向位移。屋蓋計算模型共有436個結點，1032個單元，其中42個桁架單元，990個梁單元，桿件兩端均采用鉸接。材料采用Q345鋼材，由11個不同截面的鋼構件組成，所有截面鋼材厚度均大于16mm，不大于40mm。模型中考慮恒荷載、施工荷載和溫度荷載，其中施工荷載(包括節(jié)點加勁及結構補強等)取值0.15G(自重)。提升架計算模型信息見3.4節(jié)，本節(jié)選取鋼結構施工模擬的屋蓋最大應力出現(xiàn)在屋蓋同步提升至設計標高過程中，位于5.2在施工工況下，桿件應力與豎向位移轉換為起頂平臺受力提升階段在整個實際施工過程中被劃分為11個工況，屋蓋上選取結果表明:屋蓋部分結構應力與豎向位移在施工工況2(開始提升)時變化較大，在工況2～8(提升至指定標高)過程中變化較為平穩(wěn)，在工況9、10(超提、降落調整，對接南北東西環(huán)桁架)過程中大部分桿件的應力與豎向位移再次發(fā)生較大變化，最后在工況11(轉變承重方式，拆除提升設備)時，結構受力發(fā)生轉變，桿件的應力與豎向位移也相應