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国家体育场钢结构卸载变形测量技术实践

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    刘增希 秦长利 龙正武 李久林 邱德隆 万里程

    摘 要：本文结合国家体育场钢结构工程卸载变形测量实践，介绍了该工程变形测量的基本特点和方法，供从事施工测量和相关技术人员参考。
    关键词：卸载；变形点；监测
    1工程概况
    国家体育场主体钢结构，采用78个临时支撑点（塔架）分段（共分成182段）高空散装焊接而成。在主体钢结构合拢后，需对临时支撑塔架进行分阶段整体卸载，使鸟巢钢结构屋面由临时塔架的支撑逐步转换为自身承重状态。（见图1）

    国家体育场钢结构支撑塔架卸载工程总卸载量大，屋盖总面积约6万平方米、卸载吨位约1.4万吨，卸载点数较多，根据设计要求钢结构整体分级同步卸载，严格进行比例控制，钢结构支撑塔架卸载步骤共分为七大步，每一大步分为五小步，支撑力最大点卸载吨位约300吨，卸载工作有一定的难度。为了能够确保卸载工作的安全，及时了解卸载过程中每一个步骤钢构件的变形情况是否与设计的油缸升降数据量同步升降，需要对钢结构卸载前、后进行定时监测，卸载过程中随卸载过程作跟踪变形监测，并即时向卸载指挥中心提交监测成果，为决定下一步卸载动作提供依据。
    2变形观测点的位置
    卸载过程中钢结构变形最大的部位是内环桁架梁，根据《国家体育场钢结构工程支撑塔架卸载监测方案》的要求，在主结构内环桁架梁0度、90度、180度和270度四个轴线方向及四个像限的45度方向附近上、下弦各置一个结构变形监测点，并尽可能让同一方向线上的上、下弦监测点处在同一垂直线上，主结构内环桁架梁共布设16个监测点（见图2）。另外在东、西、南、北方向四个支撑塔架上，各布设了一个支撑塔架变形监测点，总共布设了20个监测点。

    3变形测量方法的选择
    由于卸载步骤为每小时进行一步，其中包括油缸升降、对监测点进行观测、监测数据计算及对三个监测单位的数据汇总分析整理，并报告信息中心，信息中心专家综合研究确定下一步卸载动作并报告指挥部，由指挥部下达卸载指令。卸载过程中出于安全原因结构上面不能有人，观测数据又必须在20分钟内提交信息中心，时间很紧，要求监测数据准确及时，立棱镜不仅不安全而且速度慢，时间来不及，还有棱镜的对点误差也会影响到位移精度，因此我们决定用贴反射片的方式来设置监测点，用三台仪器同时观测。反射片虽然测距精度低一些，但同一点两次观测的观测值是同精度的，因此这一点位移量的精度是高的。由于现场条件无法满足仪器视线垂直于监测点反射片的要求，为了了解观测数据准确性，卸载前七天左右在模拟条件进行了测试。首先在地面上，采取旋转反射片使仪器视线与反射片形成不同角度，检查返回信号的强弱和测距精度；然后在现场将返射片设置在偏角和倾角最大的监测点上，用两台仪器进行多次观测和数据对比。随后又选用三台精度基本相同的全站仪，分别由三个人在三个控制点上架设仪器，选择不同的时间段同时对所有监测点进行观测，将所观测的三组数据进行比较，同点的两组观测数据之间最大差值为2mm。可以满足卸载监测需要。
    4变形测量实施
    4.1变形测量程序和方法
    在卸载前三天开始，连续三天对所有监测点分早、中、晚三次观测，同时记录时间和温度，掌握钢结构日变形情况。从卸载开始～卸载结束，对变形监测点的观测频率严格按照总指挥部下达的指令进行观测，卸载过程中共观测了24次。为了确保观测数据的及时性、准确性，每一监测点均由两台仪器同时监测，每一步卸载监测工作的时间必须在20分钟内完成。数据采集时，仪器自动采集和人工记录同时进行。对两种方法采集的数据分别进行处理并对结果进行核对无误后，再与其他两台仪器观测所得的监测数据进行对比分析，确认三台仪器观测所得到的变形趋势一致，变形量很接近，且变形趋势和变形数据与千斤顶油缸升降成正相关时，将监测数据提交给信息处理中心。
    4.2监测点变形状况
    4.2.1 内环上、下弦水平位移变形
    根据观测数据绘制的内环监测点上、下弦水平位移变形情况（见内环上、下弦水平位移变形矢量示意图）。从图中可以看出南北方向内环上弦两监测点向环内变形移动，分别为24?和32?；下弦两监测点向环外方向变形移动，位移量相对较小，分别为12mm和2mm。表明南北方向内环桁架在卸载过程中受应力影响，向场内方向倾斜变形。
    东西方向内环上弦两监测点分别向东、西方向（场外方向）变形移动，分别为5mm和9mm；下弦两监测点也同时分别向东、西方向（场外方向）移动，分别为54mm和58mm，远远大于上弦两监测点的位移量，说明东、西方向内环桁架上、下弦监测点向外位移变形的同时，向场外方向倾斜变形。
    4.2.2支撑塔架水平位移变形
    在卸载过程中，观测数据反映的临时支撑塔架的水平位移变形情况见内环支撑塔架水平位移变形矢量示意图。从图中可以看出南北方向上与监测点相对应的支撑塔架，卸载后均向外环方向位移，其位移量为8?～16?；东西方向上监测点两侧的支撑塔架同时向外环方向位移9?～15?；

    4.2.3垂直位移曲线图
    根据观测数据绘制的国家体育场钢结构工程卸载内环下弦监测点沉降曲线图可以看出
    监测点在钢结构支撑塔架卸载的过程中与油缸同步下降，最终下降量与理论计算值基本一致（理论计算值为286mm，实际观测值为271mm）。

    4.2.4卸载结束后的监测
    卸载结束后每天在相同时间段对结构的稳定性进行监测，用同样的方法对监测点持续进行观测，根据三天的观测数据比较（气温在19℃～22℃），钢结构内环环桁架各变形监测点的标高互差值最大为2?，依据观测数据分析，认为卸载后的钢结构屋面基本稳定，微小的变化量也是由温度差和观测误差所引起的，至此停止对监测点的观测。
    5观测结论
    此次国家体育场钢结构工程卸载变形测量实践中由于采用强制对中点设站，监测点（反射片）固定在内环上、下弦结构和支撑塔架上，消除了仪器和棱镜的对中误差；卸载过程中仪器、人员固定，方法一致，使得观测数据的相对精度较高；使用三台全站仪在不同的控制点上设站同时进行观测和数据对比，保证了观测成果的可靠性。为信息处理中心的正确决策提供了依据。
    国家体育场钢结构工程卸载变形测量除采用全站仪进行变形监测外，还利用当前测绘先进的激光扫描仪进行变形测量，对整个钢结构的变形状况都有详细的记录，取得了可靠成果，为今后类似工程的设计、施工和变形测量积累了经验。

    参考文献
    [1] 北京市标准，建筑工程施工测量规程（DBJ01-21-95）
    [2] 国家行业标准，建筑变形测量规程（JGJ/T8-97）
    [3] 北京城建集团企业标准，国家体育场钢结构工程施工质量验收标准（QB/GJJT-GTCG-2005）
    [4] 国家体育场工程钢结构支撑塔架卸载操作程序手册[C]，北京城建集团国家体育场工程总承包部，2006年9月.
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