淺談茶葉柔性管道鋼桁架結(jié)構(gòu)提升架的多點(diǎn)不對(duì)稱整體提升同步控制方案

淺談茶葉柔性管道鋼桁架結(jié)構(gòu)提升架的多點(diǎn)不對(duì)稱整體提升同步控制方案

大跨度空間的鋼框架結(jié)構(gòu)具有承受質(zhì)量高、橫跨長、施工速度快、造型新穎等優(yōu)點(diǎn)。它被廣泛應(yīng)用于體育、大樓等大型公共建筑中，如甘肅體育?，F(xiàn)代結(jié)構(gòu)常用監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括有線監(jiān)測(cè)、無線監(jiān)測(cè)和云監(jiān)測(cè)等。有線監(jiān)測(cè)較為成熟，操作簡(jiǎn)單，但一般適用于局部或小范圍的監(jiān)測(cè)，且無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。無線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集不受設(shè)備長度等因素的制約，實(shí)施較為簡(jiǎn)單，但該方法由于系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)設(shè)備的局限性，導(dǎo)致信號(hào)不強(qiáng)，僅能在施工現(xiàn)場(chǎng)一定范圍內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且數(shù)據(jù)反饋周期較長。云平臺(tái)監(jiān)測(cè)技術(shù)操作與實(shí)施雖相對(duì)復(fù)雜，但由于其運(yùn)用TPC/IP、UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以通用無線分組業(yè)務(wù)(GPRS)信號(hào)傳輸為保障，數(shù)據(jù)可在全國任何地點(diǎn)進(jìn)行收集，并且其數(shù)據(jù)反饋周期較短，可滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jié)構(gòu)，最大跨度89.7m，結(jié)構(gòu)形式新穎，同時(shí)結(jié)構(gòu)在高空需要多次線性調(diào)整，施工難度大，安裝精度要求高。針對(duì)其結(jié)構(gòu)與施工特點(diǎn)，同時(shí)為滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的安全性要求，采用基于云監(jiān)測(cè)技術(shù)的館內(nèi)多點(diǎn)不對(duì)稱整體提升同步控制的方法對(duì)體育館大跨度空間異形曲面鋼桁架屋蓋進(jìn)行施工。1總體鳥預(yù)防六安體育中心以六安茶水文化作為其設(shè)計(jì)理念，坐落于淠河北岸，外觀以柔美流線為主要風(fēng)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(gè)3萬人座位的體育場(chǎng)、一個(gè)6000人座位的體育館、一所能容納500名師生的體育學(xué)校以及室外綜合配套設(shè)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(jié)構(gòu)六安體育中心體育館屋蓋為大跨度異形曲面鋼桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式新穎，對(duì)焊縫質(zhì)量、桿件精度以及施工安全要求較高。針對(duì)以上特點(diǎn)和要求，對(duì)三種施工方案進(jìn)行比選。2.1方案2:基于現(xiàn)有基礎(chǔ)框架的雙層以上框架結(jié)構(gòu)組合1)在館內(nèi)設(shè)8個(gè)提升架協(xié)助提升工作，同時(shí)設(shè)置若干承重架為拼裝館內(nèi)桁架做準(zhǔn)備。2)在土建結(jié)構(gòu)施工至+5.350m標(biāo)高處(一層框架及看臺(tái)施工完成)，進(jìn)入場(chǎng)館內(nèi)對(duì)提升部分桁架進(jìn)行組裝，同步進(jìn)行二層以上框架結(jié)構(gòu)施工，二層看臺(tái)暫不施工。3)提升部分桁架館內(nèi)組裝完成，進(jìn)行云監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝調(diào)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(jìn)行館內(nèi)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(jié)構(gòu)施工至+5.350m標(biāo)高處(一層框架及看臺(tái)施工完成)，進(jìn)入場(chǎng)館內(nèi)進(jìn)行提升部分桁架的組裝，同步進(jìn)行二層以上框架結(jié)構(gòu)施工，二層看臺(tái)暫不施工。2)提升單元館內(nèi)組裝完成，二層框架及支座立柱施工完成后，在南北側(cè)混凝土柱頂各設(shè)6個(gè)提升架協(xié)助提升工作，同時(shí)進(jìn)行云監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝調(diào)試。3)采用選定的提升系統(tǒng)設(shè)置在柱頂提升架上，進(jìn)行館內(nèi)結(jié)構(gòu)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(shè)8榀起頂支架，利用起頂千斤頂對(duì)結(jié)構(gòu)線型進(jìn)行調(diào)整。混凝土柱提升設(shè)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(zhǔn)備1)土建結(jié)構(gòu)全部施工完成后，在館內(nèi)外設(shè)承重支架，為分段吊裝做準(zhǔn)備。2)對(duì)桁架總體進(jìn)行分段吊裝，分批安裝云監(jiān)測(cè)設(shè)備，將館內(nèi)每榀主桁架分成3段，設(shè)2榀承重支架，選擇200t汽車吊和25t汽車吊配合進(jìn)行吊裝。2.4經(jīng)濟(jì)性和工況根據(jù)體育館的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)方案的可行性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和工期進(jìn)行對(duì)比(表1)。綜合以上對(duì)比，六安體育中心體育館館內(nèi)屋蓋施工采用“基于云平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的館內(nèi)設(shè)提升架整體提升”的方案進(jìn)行施工。3差分非對(duì)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(shè)備;鋼結(jié)構(gòu)吊耳、液壓提升器、鋼絞線、鋼絞線導(dǎo)向架、地錨、液壓泵站、電源、傳感器與計(jì)算機(jī)。設(shè)備的調(diào)試與安裝大致分為以下步驟:1)鋼結(jié)構(gòu)吊耳焊接在桁架上弦桿件上，對(duì)應(yīng)位置設(shè)置加勁板。2)提升器鋼絞線外接孔與支承通孔中心對(duì)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(jìn)行定位，每個(gè)提升器需用4塊L形壓板固定。3)鋼絞線導(dǎo)向架用于提升過程中鋼絞線的疏導(dǎo)，防止鋼絞線纏繞。導(dǎo)向架導(dǎo)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(gè)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(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)力電纜連接。10)進(jìn)行液壓泵站檢查、電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向檢查、電磁換向閥動(dòng)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(shè)備運(yùn)行原理和質(zhì)量控制液壓整體提升同步控制技術(shù)需要提升設(shè)備的良好運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也需要計(jì)算機(jī)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(gòu)件組成。提升時(shí)，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(fù)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(dòng)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(jié)束循環(huán)。3.2.2中央控制室的引導(dǎo)分析計(jì)算機(jī)控制包括:1)監(jiān)控整體提升過程的數(shù)據(jù)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(shè)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面進(jìn)行提升數(shù)據(jù)的觀察和控制指令的發(fā)布。提升過程中通過計(jì)算機(jī)的控制程序，可以實(shí)現(xiàn)提升器按指定命令自動(dòng)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(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)和構(gòu)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(shè)施的良好運(yùn)作、計(jì)算機(jī)同步控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制以及人工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)提升的同步性需要保證各個(gè)提升點(diǎn)的提升器、液壓油管、泵站等硬件設(shè)施配置相同并良好運(yùn)作;需要保證計(jì)算機(jī)同步控制系統(tǒng)中的控制、反饋、分析和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置準(zhǔn)確，并在系統(tǒng)中將提升速度設(shè)置在4m/h上下便于及時(shí)控制調(diào)整;需要保證人工實(shí)時(shí)對(duì)提升點(diǎn)及附近的桿件、節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保各點(diǎn)的同步性。3.3種提升點(diǎn)方案比選體育館館內(nèi)屋蓋結(jié)構(gòu)具有跨度大、非對(duì)稱的特點(diǎn)，必須選取合理的提升點(diǎn)對(duì)屋蓋開展提升工作。采用MIDAS對(duì)三種提升點(diǎn)方案進(jìn)行比選。提升點(diǎn)方案1:內(nèi)側(cè)4點(diǎn)提升;提升點(diǎn)方案2:外側(cè)4點(diǎn)提升;提升點(diǎn)方案3:內(nèi)、外8點(diǎn)提升。1)提升點(diǎn)方案1:選取屋蓋靠?jī)?nèi)側(cè)的2)提升點(diǎn)方案2:選取屋蓋靠外側(cè)提升點(diǎn)方案比較見表2和圖4，結(jié)果表明，提升點(diǎn)方案3內(nèi)、外側(cè)8點(diǎn)提升更加安全合理。3.4提升架和提升板高度根據(jù)施工需要，本項(xiàng)目提升架需要提升平臺(tái)、頂升平臺(tái)以及屋蓋拼裝平臺(tái)三大平臺(tái)，同時(shí)要考慮提升架受力時(shí)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及作為輔助設(shè)備的可拆卸性，為此，本文采用MIDAS軟件對(duì)不同提升架方案以及不同受力情況下的提升架進(jìn)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(shè)計(jì)方案。單個(gè)提升架共有87個(gè)結(jié)點(diǎn)，183個(gè)梁?jiǎn)卧?材料采用Q345鋼材;由5個(gè)不同截面的鋼構(gòu)件組成，鋼材厚度均小于16mm。共設(shè)計(jì)8個(gè)提升架，根據(jù)高度不同分為4組，其中最高提升架頂部標(biāo)高30.280m，最低提升架頂部標(biāo)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(diǎn)距離)。提升架自下而上分5個(gè)平聯(lián)(平聯(lián)1～5，頂部標(biāo)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(tái);平聯(lián)4用作桁架起頂平臺(tái)，上設(shè)起頂箱型分配梁。提升架立柱:模擬時(shí)考慮到恒荷載、施工荷載、風(fēng)荷載和溫度荷載，其中施工荷載(包括節(jié)點(diǎn)加勁及結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)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(jù)提升架處屋蓋反力值確定。仿真模擬計(jì)算表明，整體提升過程中提升架的最大應(yīng)力值為-199.37MPa，位于提升架頂部分配梁，遠(yuǎn)小于GB50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》3.5起頂平臺(tái)及柱頂支柱模擬整個(gè)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(shè)備;然后提升點(diǎn)同步提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高(南北側(cè)桁架端口最大下?lián)?7mm)。2)中間4個(gè)提升點(diǎn)同步超提37mm，外側(cè)4個(gè)提升點(diǎn)同步超提32mm;南北側(cè)桁架斷口下?lián)蠞M足對(duì)接要求(±5mm)。3)柱頂支座就位，南北側(cè)柱頂桁架對(duì)接。4)中間4個(gè)提升點(diǎn)同步下降16mm，外部4個(gè)點(diǎn)同步降18mm;東西側(cè)桁架斷口下?lián)蠞M足對(duì)接要求(±5mm以內(nèi))。5)柱頂支座就位，東西側(cè)柱頂桁架對(duì)接。6)安裝支座處環(huán)桁架及連接系，此時(shí)將桁架梁落在提升架的起頂平臺(tái)上;拆除提升設(shè)備，由起頂平臺(tái)和柱頂支座共同受力，完成支撐體系的轉(zhuǎn)換。施工過程模擬見圖6。整個(gè)提升過程中采用云監(jiān)測(cè)的手段對(duì)屋蓋和提升架進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為施工提供安全保障。3.6不同步提升仿真模擬及結(jié)果分析在整個(gè)提升施工階段，對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大的就是同步提升工作時(shí)的非同步性。如果不能按照結(jié)構(gòu)及施工的要求同步提升結(jié)構(gòu)，屋蓋將會(huì)因局部形變而產(chǎn)生較大應(yīng)力，甚至使結(jié)構(gòu)側(cè)翻或垮塌，因此對(duì)不同步提升的仿真模擬研究尤為重要。本文對(duì)單點(diǎn)在不同位移下以及多點(diǎn)在不同位移下的不同步提升狀態(tài)(圖7)進(jìn)行模擬，研究了16種狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形情況。分析結(jié)果以不同步提升20mm為例，見表3。結(jié)構(gòu)提升非同步時(shí)，應(yīng)力與變形都將發(fā)生較大變化，整體結(jié)構(gòu)形態(tài)極不均勻，已無法滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的要求。因此當(dāng)發(fā)生不同步提升時(shí)，應(yīng)立即停止整體提升工作，將計(jì)算機(jī)同步控制系統(tǒng)由自動(dòng)模式切換成手動(dòng)模式，人工進(jìn)行單點(diǎn)以及多點(diǎn)的高差調(diào)整，并檢查計(jì)算機(jī)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(jìn)行。4云監(jiān)測(cè)技術(shù)4.1云監(jiān)測(cè)平臺(tái)的建設(shè)和應(yīng)用云計(jì)算是一種虛擬化的技術(shù)服務(wù)，用以滿足用戶的運(yùn)算、儲(chǔ)存等多種需求。云平臺(tái)也即以云計(jì)算為依托，基于硬件和軟件資源的一種提供計(jì)算、存儲(chǔ)等功能的服務(wù)工程云監(jiān)測(cè)平臺(tái)是針對(duì)建筑工程開發(fā)的一種服務(wù)平臺(tái)，其主要運(yùn)用TPC/IP、UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。平臺(tái)結(jié)構(gòu)從上到下可分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理儲(chǔ)存層和用戶終端層。結(jié)合力學(xué)和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目旖菪裕脚_(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為施工安全提供強(qiáng)有力的保障(圖9)。4.2云監(jiān)測(cè)設(shè)備和原理云監(jiān)測(cè)設(shè)備主要指完成監(jiān)測(cè)所需的硬件設(shè)施，包括傳感器、數(shù)據(jù)采集與收發(fā)設(shè)備。本節(jié)將結(jié)合實(shí)際工程對(duì)設(shè)備與原理進(jìn)行介紹。4.2.1鋼弦式應(yīng)變計(jì)法六安體育中心體育館項(xiàng)目主要對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，項(xiàng)目中變形采用掃描機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)控，應(yīng)力方面采用應(yīng)變傳感計(jì)監(jiān)測(cè)。建筑工程中常用的應(yīng)變傳感計(jì)有電阻應(yīng)變計(jì)和鋼弦式應(yīng)變計(jì)兩種。電阻應(yīng)變計(jì)一般用于短期的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量;鋼弦式應(yīng)變計(jì)一般用于長期的建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。電阻應(yīng)變計(jì)是基于變形與電阻、電信號(hào)的轉(zhuǎn)換來測(cè)量結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變化。鋼弦式應(yīng)變計(jì)是基于變形與鋼弦張力的轉(zhuǎn)化來測(cè)量結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變化，當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)物發(fā)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變計(jì)左右端座產(chǎn)生相對(duì)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(cè)量?jī)x器輸出脈沖信號(hào)通過線圈激振鋼弦并檢測(cè)出線圈所感應(yīng)信號(hào)的頻率，經(jīng)儀器及云平臺(tái)換算得到被測(cè)結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力-應(yīng)變量鋼弦式應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變換算式如下。1)線性擬合式:式中:ε為當(dāng)前時(shí)刻相對(duì)于初始位置時(shí)的應(yīng)變量，102)多項(xiàng)式擬合式:式中:α，b為系數(shù)，采用最小二乘法擬合的方法求得，其余符號(hào)含義同式(1)4.2.2dtu網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊數(shù)據(jù)采集與收發(fā)設(shè)備包括綜合采集模塊和DTU網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。綜合采集模塊是一種多通道的集線采集設(shè)備，可以接入智能鋼弦式應(yīng)變計(jì)、電感調(diào)頻及半導(dǎo)體溫度傳感器等設(shè)備，同時(shí)可以通過自動(dòng)巡檢識(shí)別設(shè)備并檢查問題。DTU網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊是一種利用CMNET網(wǎng)絡(luò)達(dá)到遠(yuǎn)程傳輸信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，將其與綜合采集模塊進(jìn)行連接，傳輸傳感器數(shù)據(jù)至云平臺(tái)。傳感器常用傳輸協(xié)議以RS232和RS485為主。傳感器數(shù)據(jù)在進(jìn)行無線傳輸時(shí)，需要將RS232/485/422轉(zhuǎn)換為GPRS數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。該類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換一般由轉(zhuǎn)換器(又稱無線數(shù)據(jù)傳輸終端、工業(yè)無線網(wǎng)卡、工業(yè)手機(jī)、GPRS調(diào)制解調(diào)器)來轉(zhuǎn)換5分散不對(duì)稱的總體協(xié)調(diào)推廣5.1屋頂模型計(jì)算模型為保證施工全過程的安全，采用有限元軟件MIDAS對(duì)體育館屋蓋提升全過程進(jìn)行施工仿真模擬(圖10)，獲得了鋼結(jié)構(gòu)屋蓋和提升架的應(yīng)力與豎向位移。屋蓋計(jì)算模型共有436個(gè)結(jié)點(diǎn)，1032個(gè)單元，其中42個(gè)桁架單元，990個(gè)梁?jiǎn)卧瑮U件兩端均采用鉸接。材料采用Q345鋼材，由11個(gè)不同截面的鋼構(gòu)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(diǎn)加勁及結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)等)取值0.15G(自重)。提升架計(jì)算模型信息見3.4節(jié)，本節(jié)選取鋼結(jié)構(gòu)施工模擬的屋蓋最大應(yīng)力出現(xiàn)在屋蓋同步提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高過程中，位于5.2在施工工況下，桿件應(yīng)力與豎向位移轉(zhuǎn)換為起頂平臺(tái)受力提升階段在整個(gè)實(shí)際施工過程中被劃分為11個(gè)工況，屋蓋上選取結(jié)果表明:屋蓋部分結(jié)構(gòu)應(yīng)力與豎向位移在施工工況2(開始提升)時(shí)變化較大，在工況2～8(提升至指定標(biāo)高)過程中變化較為平穩(wěn)，在工況9、10(超提、降落調(diào)整，對(duì)接南北東西環(huán)桁架)過程中大部分桿件的應(yīng)力與豎向位移再次發(fā)生較大變化，最后在工況11(轉(zhuǎn)變承重方式，拆除提升設(shè)備)時(shí)，結(jié)構(gòu)受力發(fā)生轉(zhuǎn)變，桿件的應(yīng)力與豎向位移也相應(yīng)