大跨度钢结构屋架挠度变形监测方法

大跨度钢结构屋架挠度变形监测方法 铁道建筑 RailwayEngineeringDecember ,2006 文章编号:1003.1995(2006)12.0096.03 大跨度钢结构屋架挠度变形监测方法 李锦城 (广东工业大学建设学院,广州510000) 摘要:介绍一种通过测量视线与水平视线高差的方法,精确测定大跨度钢结构屋架挠度变形.在监测过 程中采取一定的措施,使全站仪的测角精度《2s时,变形点的高差测量精度能达到二等水准测量精度, 能满足《建筑物变形测量》中挠度变形监测的精度要求. 关键词:屋盖桁架挠度变形观测精度 中图分类号:TUI98.6文献标识码:B 现代大跨度场馆的屋盖中,大都采用钢结构 桁架,由于跨度大,钢结构桁架将会产生不容忽视的挠 度变形.因此,钢结构桁架在安装及使用过程中,须及 时监测其挠度的变化情况,钢结构的安全稳定性, 以便及早发现问题,及时采取有效补救措施,避免事故 的发生.由于大跨度钢结构屋架结构的特殊性.用二 等水准测量方法测定其挠度,往往难以实现,有的只好 贴反射片.但反射片对油漆防锈施工有一定影响,还 可能引起锈蚀,业主往往不同意贴反射片监测的方法. 本文通过工程实例,介绍一种通过测量视线与水平视 线间的高差,精确测定大跨度钢结构桁架挠度变化的 方法.实际应用和理论分析证明,该方法能达到二等 水准测量精度,能满足《建筑物变形测量规范》中挠度 变形监测的精度要求. l工程概况 某大学体育中心体育馆屋盖采用双向正交平面桁 架.工程按照国家现行有关规范,规程,建设进行 设计和施工.体育馆屋盖耐火等级为一级,采用薄型 防火涂料,耐火极限为2.0h.工程抗震措施采用设防 烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g;基本风压 .=0.55km/m,地面粗糙度为B类;体育馆屋盖上弦 恒载1.0kN/m,活荷载0.5kN/m.,下弦恒载为0.2 kN/m.屋盖双向正交平面桁架跨度尺寸66.1mX 66.1m,见图1.依据设计院设计要求及《网架结构设 计与施工规程》(JGJ7—91)要求,应对体育馆钢屋架进 行挠度变形监测,测点布设见图1. 2挠度变形监测及精度分析 2.1基准控制网布设 \_/ ‘ Nr , , 看台×1的JZI,JZ6点),使其构成基 准点观测网.如果看台结构物整体均匀下沉,对于挠 度变形观测来讲不会产生影响.但是,若基础结构发 生不均匀沉降,基准点相对于变形点的高差将发生变 化.因此,在每次挠度变形观测前,先对基准点进行精 密水准测量,通过平差求得各基准点的高程,以便利用 这些基准点准确测得各变形点挠度的变形值. 基准点采用直径约1cm,长约10cm的不锈钢条 且顶部刻有十字,冲击钻打孔后用环氧树脂粘合于看 台上,确保其稳固. 2.2观测点布设 根据设计要求,在体育馆屋盖桁架3XC轴,4XE 轴,5XD轴,6xF轴下弦交点处(屋盖桁架底部梁 2006年第l2期大跨度钢结构屋架挠度变形监测方法97 上),布设4个挠度变形观测点(如图1中的1,2,3,4 点). 变形观测点采用自制的边长14.1cm的正方形钢 板,沿对角线两边喷黑与白的油漆,使黑白分界线垂直 地面焊接在梁上,让每边的三角形顶点(a,b,C)在上 下方向的垂直距离为10cm(见图2). 图2变形观测点标志图 2.3测量方法 1)测量精度要求《建筑物变形测量规范》中要求 变形点单程高差观测中误差m=?0.7mm. 2)基准控制网测量每次挠度变形观测前,先对 基准点进行精密水准测量,再用高精度全站仪测量各 基准点的坐标和两点之间的距离,高差,经平差后得出 各点的高程和距离,确定基准点的基本参数后,再进行 挠度变形观测点的观测.每次用全站仪观测基准点高 差变化,再用精密水准仪进行校核测量,检验全站仪精 度的变化及气象条件的改变对全站仪高差测量精度的 影响,求出可能的修正值,确保全站仪高差测量的精度 要求. 3)挠度变形观测的方法首次观测时,在变形点 上精确安置反射镜,在基准点上用全站仪测定每一变 形观测点与基准点之间的高差和水平距离,经平差解 算出各点的高程和相对于各基准点的水平距离,作为 以后每次变形观测比较的依据,以后要定期进行检测. 这种观测精度要求较高,规范要求必须连续进行两次 观测,互差小于限差时取其平均值作为最后结果. 图3挠度变形观测方法示意图 挠度变形观测时,在一基准点上安置全站仪,精确 对中,严格整平,在另一基准点上安置带有对中杆的三 脚架和反射棱镜,精确对中和整平.首先观测测站点 (基准点)到镜站点i(基准点)的斜距.s.及竖直角a (见图3),可按(1)式计算出镜站水平视线相对于镜站 点地面标志的高差. Ah.=D.tana+(1一K)D/(2尺)+b(1) (1)式中a为视线i与水平线之间的竖直角,b为反射 镜高,为大气折光系数,尺为地球的平均曲率半径, D.为测站,镜站两点间的水平距离,D.=S.COS0t.,然 后,在测站(基准点)上观测变形监测点的竖直角,测 定其相对于水平视线的竖直角a,(如图3所示).由于 其相对于测站点的水平距离D,已知,则可计算出变形 点相对于测站点水平视线的高差为 Ah=Dtana+(1一K)D/(2R)(2) (2)式中a,为测站点到变形点的视线与水平线之间 的竖直角,其他符号与(1)式含义相同.此时,变形点 相对于镜站点的高差为 Ah=Ahi—Ah= Djtana,一D.tana+ (1一K)(D一D)/(2尺)+b(3) 观测时,在每个测站分别观测每个变形标志(如 )三角形三个顶点的竖直角,计算三角形标志三个顶 1.4mm时,取均值为最后结 果. 对于挠度变形观测来说,由于观测目标固定,反射 镜镜高固定,测站固定,目标的挠度变形是上下垂直位 移,所以测站至目标的水平距离是不变的.每次观测 时水平距离的变化主要是仪器对中误差的影响.大气 折光对观测点测量高差值的影响,在变形量比较时可 以互相抵消.因此,在进行变形量比较的每次测量高 差计算时,(3)式的后两项可以不参加计算,即 Ah=?一Ah;:DJtan%一D;tana(4) 而某次观测点的高程为 , = h.+?(5) 其挠度变形量为 ?(变形量)=(初次)一(本次)(6) 2.4精度分析 变形点与镜站点(基准点)高差计算公式: Ah=?,一Ah;= Ssin%一S.sina.+b+ (1一K)(D一D~)/(2R) 对其进行全微分得 dAh=[sinai+SjcosCtj(1一K)IR]dSj+ [一sina;一s.COS2a.(1一K)/R]dS+ [Sjcosaj/p一(1一)s2c0sl”,(脚)]d+ [,Sic0sa./p+(1一K)s:c0sasina;,(邱)]da.+ db 根据误差传播定律公式,高差测量中误差 m=?|采ss{采m’, 将竖直角和斜距观测值,大气折光系数K(取 0.14)和地球平均半径R(取6371000m)及P(P= 206265”)代人上式,并取测角中误差m=?0.5”,m =?1mm,m=?0.3mm.最弱点单程高差中误差估 量计算得m:?0.587mm,达到《建筑物变形测量规 范》中变形点单程高差观测中误差m=?0.7mm的 要求.高差测量较差可取?1.4liltm.n次等精度观测 值的算术平均值中误差为m/?n. 3实测数据 在本工程实例体育馆屋盖桁架两次竖直角高程测 量中观测精度(用测角中误差m=?0.5”的徕卡 TC2000全站仪)见1.表1中所列各实测精度均能 表1屋盖桁架高程测量表mm 观测观测目标高差较差两测站高 变形量 日期点号口,b问b,c问程互差 1一O.7一O.5—1.1 2一O.3O.O一1.3 04一O6 3O.4O.1O.8 4O.2O.61.4 1一O.2一O.4一O.83.5 2O.OO.2一O.55.2 04—2O 3O.6O.81.26.1 4一O.3O.5一O.94.2 允许误差1.O1.O1.4 达到有关要求. 4结论 由上述分析可以看出,采用本方法监测大型场馆 的钢结构屋盖桁架在建造过程中或使用过程中的挠度 变形,测量精度完全可以达到二等水准测量的精度要 求.根据理论分析和实际应用经验,建议如下: 1)在使用全站仪监测时,应根据不同距离及仪器 的精度指标进行精度估算,确定测距,测角的测回数, 仪器的测角精度应《2s. 2)基准点的选择尽可能的靠近观测点,且仰角不 宜过大,以<25.为宜.基准点间最好用精密水准观 测,提高观测效率. 3)观测目标点的制作时应能较长时间保存,不易 损坏,尤其结构物在使用过程中要进行观测目标点的 保护.如用本文所述的钢板直接焊接,棱角要清楚,便 于观测,提高瞄准精度. 4)挠度观测时,钢结构的屋盖桁架与竖向受力支 柱的接触部位注意其变动对挠度的影响等. 本方法还可用于桥梁的挠度变形监测等. 参考文献 [1]胡伍生,潘庆林,黄腾.土木工程施工测量手册[M].北京:人 民交通出版社,2005. [2]JGJ/TS--97,建筑变形测量规范[s]. 修回日期:2006—09—08 (责任审编白敏华)