大截面型钢混凝土梁施工对策及智能监控

2021-11-05王东云殷志坚王培胜周益众戴莹芝龚安灿

建筑施工 2021年7期

关键词：钢梁型钢钢筋

王东云殷志坚王培胜周益众戴莹芝龚安灿李强

1. 浙江省二建建设集团有限公司浙江宁波 315202；2. 河南工业大学土木工程学院河南郑州 450001；3. 温州肯恩大学浙江温州 325060；4. 浙大宁波理工学院土木建筑工程学院浙江宁波 315100

大截面型钢混凝土梁是采用大尺寸截面型钢梁与混凝土共同组成的结构受力体系，其通过减小轴向压力，提高了结构稳定性，在使用过程中具有防火防腐蚀、提高刚度与承载力等优点[1-2]。

随着我国建筑水平与建造能力的不断提高，型钢混凝土梁得到了广泛应用。但由于我国型钢混凝土梁的研究与发展较晚，在民用建筑使用中产生了很多施工问题，比如型钢梁安装定位不准、梁板节点细部做法不明确以及节点处混凝土浇筑质量不良等[3-4]。

针对型钢梁安装定位不准的问题，李磊等[5]提出了在安装过程中实时校核标高、轴线并通过高强螺栓连接而后焊接的解决方法。

针对节点细部做法不明确的问题，蒋永生等[6]优化型钢混凝土梁节点配筋设计，提出了新型节点设计方法。

针对节点处混凝土浇筑质量不良的问题，高勇刚等[7]优化节点钢筋布置，采取预留穿筋孔、绕开钢柱等措施，王成[8]则通过将细石混凝土强度提高一个等级，并对布料点位钢筋进行局部松脱，取得了较好的施工效果。

随着物联网监测技术的发展，基于物联网技术的智能监控正在逐步使用。物联网智能监控是利用物联网的特点，通过传感器获取结构特征参数，利用通信网络实现数据自动采集与传输[9]。通过相关软件处理后，可以在后结构施工过程中实时监测已建前结构的性能变化情况，对其安全状况进行评估[10]。

王颖[11]采用Zigbee无线通信技术（动态组网，抗干扰性强），实时监测隧道内各种有关施工安全的参数，确保安全施工和实现精确化管理。

王亚琼等[12]对接触力进行施工监控量测，降低了工程造价并进行了科学有效的监控和预警。

孔令威[13]通过结构受力分析得出挠度在型钢梁中跨较大，并在型钢梁中跨及立柱底部安装了挠度监测设备进行监测。

蒋田勇等[14]在型钢梁翼缘板内安装传感器对结构界面进行损伤监测，通过分析信号幅值，监测和评价了界面损伤状况。

可以看出，目前对于隧道及部分普通型钢混凝土结构的监测应用较多，而针对大截面型钢混凝土梁智能监控的研究还相对缺乏。

本文以温州肯恩大学学习与活动中心项目为研究对象，针对大截面型钢混凝土梁施工过程中存在的若干问题，给出了相应的施工对策。并通过无线传感设备获取大截面型钢混凝土梁的应变和位移信息，通过分析监控数据，探究上层结构施工时对下层大截面型钢混凝土梁的影响，进行了大截面型钢混凝土梁的智能监控。

1 工程概况

温州肯恩大学学习与活动中心工程，总建筑面积24 498.36 m2，建筑高度31.165 m。型钢采用Q345B，型钢梁混凝土采用C30混凝土，型钢梁净长均为18.9 m，梁沿轴线方向有2种截面形式：800 mm×2 750 mm、800 mm×2 200 mm。在结构施工过程中，大截面型钢混凝土梁位于结构3层，具体位置如图1所示。

图1 大截面型钢混凝土梁结构位置

2 大截面型钢混凝土梁施工问题及对策

在大截面型钢混凝土梁施工过程中，项目人员发现有型钢混凝土梁与叠合板连接不合格、型钢混凝土梁连接节点存在孔洞等病害现象。为此，项目部成员以项目实际情况为主线，通过理论学习、现场实践学习、头脑风暴法，从人、机、料、法、环、测六个角度，归集出影响型钢混凝土梁施工质量的因素。提出在施工过程中导致质量问题的三个要因：型钢梁安装位置定位不准、梁板节点细部做法不明确和节点处混凝土浇筑质量不良。

2.1 型钢梁安装位置定位不准

大截面型钢混凝土梁截面尺寸大，节点施工质量要求高。型钢梁与钢筋连接的部位多且箍筋排布密集等原因会造成型钢梁的定位不准。

在型钢梁安装的相关工程案例中，蔡建军等[15]使用大节段吊装方法采取分阶段实时调整措施，对大桥钢箱梁的安装架设进行控制，肖洪涛等[16]在大跨度钢结构安装中采用分区域吊装措施，钢梁安装时用全站仪进行定位，保证了安装精度。以上学者研究表明，采取分阶段实时调整技术与测量精度实时控制技术能够起到较好的施工效果。

对策实施：针对型钢梁吊装定位问题成立专项施工小组，进行钢梁质量控制方案多方讨论会，并确定施工方案如下：

1）做好预埋件的安装定位复查，即钢梁与混凝土柱的预埋件，钢梁与圆钢柱安装加劲板的连接，并在吊装前做好梁底板铺设工作。

2）根据现场实际情况，低层采用吊车吊装，高层用塔吊进行吊装。先将梁吊装做临时连接并找正位置，中心线互相对准，在安装过程中，利用水平调节丝杆来调节垂直度。安装型钢梁时，施工人员观测并实时调整其轴线、标高、垂直度偏差值并根据观察结果调整模板间隙（图2、图3），符合规范要求后用高强螺栓暂时连接。

图2 施工过程实测实量

图3 实时调整模板间隙

3）在高强螺栓连接后，采用人工测量复核。人工复核其轴线、标高、垂直度偏差值，确保型钢梁安装符合规范要求，无误后再进行对接焊接。

2.2 梁板节点细部做法不明确

叠合板与型钢梁连接节点处钢筋排布密集，钢筋施工不能满足钢结构的组装要求，节点详图深化的过程中存在缺陷。

在明确细部构造做法的相关案例中，柴文静等[17]通过使用有限元软件分析型钢混凝土梁柱节点，采取针对细部结构的合理措施，明确了型钢混凝土组合结构的构造。田东等[18]、张雪龙等[19]采用BIM技术针对建筑结构细部构造设计了三维数据模型，解决了细部构造复杂造成的施工困难问题。

对策实施：项目部采用BIM技术与现场施工相结合的方式。一方面使用BIM技术以可视化的角度引导，一方面以紧抓现场标准施工为手段，使梁板细部做法与BIM技术形成紧密衔接。BIM结构3D模型如图4所示。

图4 BIM结构3D模型

严格按照图纸进行大截面型钢梁施工，在梁板钢筋绑扎过程中与BIM图认真比对，确保节点细部构造准确合理，现场实施如图5所示。

图5 型钢梁板节点现场施工

2.3 节点处混凝土浇筑质量不良

型钢混凝土梁节点处大量的梁柱纵筋、箍筋与型钢交叉，配筋构造复杂，且型钢骨架含有栓钉，梁宽较窄，加之下翼缘板空间较小，混凝土的浇筑极易造成漏振或大面积蜂窝（图6），且在浇筑过程中，振动棒不易插拔。另外，模板合缝不严等也易引起混凝土浇筑困难产生漏浆（图7）。

图6 大截面型钢梁底部蜂窝麻面

图7 叠合板与大截面型钢混凝土梁交接处漏浆

在处理节点混凝土浇筑不良的相关工程案例中，张玉品等[20]优化了大截面型钢混凝土梁的配筋设计；黄昕等[21]、李玉梅等[22]优化施工工艺，使梁边部钢筋绕开钢柱并将钢筋以倾斜角度绕行，同时在混凝土浇筑时制定专项方案，保证了混凝土的浇筑质量。

对策实施：实施方案主要从钢筋和混凝土这2个方面来考虑。

2.3.1 钢筋方面

针对梁柱纵筋、箍筋与型钢交叉的问题，在型钢腹板部分，通过开孔使梁主筋顺利穿过，开孔时选择机械打孔方式，避免明火。对于其他不能打孔的，采取改道等措施解决。

针对梁底纵筋和叠合板纵筋过密的问题，加大钢筋间距定位措施，按照规范绑扎确保相邻钢筋间距均匀，避免由于布置位置不准造成钢筋积聚。并在钢筋密集区对钢筋采取区域留孔措施。

2.3.2 混凝土方面

针对混凝土浇筑困难的问题，在满足混凝土配合比及各种规范的前提下适当调整混凝土粗骨料粒径（最大公称粒径不大于25 mm）来满足浇筑要求。浇筑的具体操作要点如下：

1）由于型钢梁柱节点部位钢筋多，合模后不易掌握内部钢筋情况，故指导现场施工者熟悉内部钢筋总体布置。对于钢筋过密、振动棒下不去区域，采取区域留孔措施，对钢筋位置进行微调，保证底部施工振捣空间。

2）混凝土振捣时以混凝土表面出现浮浆，且不再下沉为实施标准。

3）振捣棒不碰到钢筋、模板，浇筑过程中由专人看管，发现问题及时解决。

为验证以上采取的措施是否有效，项目总工及工段负责人现场检查施工质量，结果表明截面尺寸符合图纸设计，施工质量符合规范要求，无孔洞、蜂窝麻面等外观质量缺陷，证明采取的措施取得了良好效果。大截面型钢混凝土梁拆模后现场如图8所示。

图8 拆模后大截面型钢混凝土梁

3 基于物联网技术的大截面型钢混凝土梁监测控制

3.1 监测设计

该项目建造的多功能厅采用型钢柱加框支型钢梁，其顶部的大截面型钢混凝土梁施工较复杂且面临其他工段施工的干扰风险，为防止由于型钢梁质量控制不良导致的施工质量问题，项目技术人员采用在大截面型钢梁上安装振弦式应变计、振弦式测缝计等传感器，利用无线传输功能，实时获取型钢混凝土梁的应变和位移等信息。

型钢梁应变监测设备选取基康BGK-4000振弦式应变计，测量应变精度可达0.01 με，应变计采用环氧树脂胶固定安装在型钢梁侧面梁底位置。型钢梁的下挠监测设备为基康BGK-4420振弦式裂缝计，测量精度可达0.01 μm，裂缝计通过钻孔固定安装在A型钢梁跨中梁底位置。安装测试位置如图9、图10所示。

图9 多功能厅顶部结构平面

图10 A型钢梁立面及测点布置

3.2 监测过程及结果分析

以图9编号A、B的大截面型钢梁为研究对象，采用物联网监控系统加以人工巡检的方式对其进行施工期安全保护监测。该系统根据有关研究和相应技术规范，对图9、图10所示的位置进行重点监控，监控内容包括型钢梁的应变和下挠。以A型钢梁为例，每根梁设置3处应变传感器监测位置，3个位置编号分别为A-Y1、A-Y2、A-Y3（A-Y1表示A型钢梁Y1位置），另外编号为A的型钢梁另设1根位移传感器测量该梁的下挠。

仪器监测时间从8月28日至9月28日，共31 d，监测期间内，工程进行了型钢梁处内架的拆除、5层梁板的支模及浇筑等过程，为方便分析上部结构施工对型钢梁的影响，对型钢梁区域进行结构简化，如图11所示。

图11 监测前后局部结构变化

在监测的31 d内，工程先后进行了5层梁板支模架的安装、多功能厅内架的拆除、多功能厅相邻区域和所在区域的5层梁板浇筑及养护，对A、B型钢梁下挠、应变进行监测，并对各施工阶段的数据进行处理，结果如图12～图15所示。

图12 监测位移

图14 B型钢梁应变变化情况

图15 A、B型钢梁相同位置应变对比

由图12可以看出：型钢梁总体呈下挠趋势。在开始监测后的1 d内，梁下拱增大，因该区域4层自那天起开始搭设5层梁板支模架，在开始监测的15 d后，5层梁板相邻区域进行浇筑，型钢梁下挠再次明显增大。在监测的20 d后，该区域5层梁板进行浇筑，但型钢梁的下挠趋于稳定。在监测的31 d时间里，型钢梁的总下挠约为0.45 mm。根据组合结构设计规范，其应变、位移测试数据满足大截面型钢梁安全规范，说明上部结构施工时，型钢梁下挠值很小，结构处于安全状态。

由图13、图14可以看出：A型钢梁监控期间Y1、Y2、Y3处应变最大值为19、50、67 με，应变最小值分别为－75、－37、－40 με；B型钢梁Y1、Y2、Y3处应变最大值为25、38、90 με，应变最小值分别为－37、－35、－40 με。

通过两根型钢梁对比（图15）看出，在开始监测19 d之后，A-Y3处应变与B-Y3处应变大小基本一致，但A-Y1处应变与B-Y1处应变相差约40 με，两梁Y2处应变相差约10 με。但通过施工图纸了解到A-Y1位置配筋率比B-Y1配筋率大。

综合上述信息，分析Y1处应变差值较大的主要原因是型钢梁、柱节点施工时存在差异。由于型钢梁中节点处大量的梁柱纵筋、箍筋与型钢交叉，造成浇筑质量不佳。另外，Y1位置构造比Y3位置复杂，故Y1位置两根型钢梁应变有40 με的应变差，而Y3位置两根型钢梁应变相差不大。