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)