高层连体结构钢连廊整体提升全过程，如何做好安全监测？

保利珑门位于广东省佛山市，为佛山中轴线位置处地标性建筑物，由2幢地上41层塔楼组成，建筑高度141.5m，第1~2层底盘相连，2层以上分为东、西塔楼，在40，41层及天面层设置连体结构，跨度约为46m，属于大跨连体结构。总建筑面积约11.2万㎡，单塔建筑平面布置规则，平面尺寸为37.9m×32.3m，采用框支剪力墙结构体系，塔楼2层及以下采用型钢柱+剪力墙结构，其余部分采用剪力墙结构。连体结构主要受力构件为3榀钢管混凝土拱，内设3层混凝土楼板，总用钢量为1 200t。吊装前钢管混凝土灌注完毕，总提升量为1 310t，连廊吊装至结构40层后与设置在东、西塔楼上的3组牛腿焊接形成门式结构，如图1所示。钢连廊屋盖整体结构主要由主桁架、次桁架及钢管混凝土拱组成，在每层钢板上设置抗剪件使混凝土板与钢梁整体受力。

钢连廊采用液压同步提升技术整体吊装，即采用地面整体拼装→建立提升系统→整体液压提升→合龙焊接施工工艺完成连体结构整体安装。具体流程为：地面钢结构整体拼装→钢连廊预提升0.5m→钢连廊正式提升→钢连廊提升至对应高度微调就位并临时固定→钢连廊与塔楼焊接并拆除临时性支撑→释放液压索力→浇筑混凝土楼板。

在两塔楼底位置搭设临时拼装平台，完成钢连廊底部拼装，同时在两侧塔楼顶层共设置6个提升吊点，每个吊点搭设2台同型号液压提升器（TL-HPS-60），每台液压提升器处共有12根钢绞线，下吊点布置于被提升连廊下弦杆悬挑端部，为优化钢连廊在吊装过程中的受力性能，降低部分杆件在吊装过程中的受力，在下吊点位置设置临时支撑，如图2所示，临时支撑在连廊与塔楼焊接完成后切割拆除。

由于该工程结构具有跨度及自重大、构件类型多及施工过程复杂等特征，因此，监测吊装安全具有重要意义。项目监测目的是保障连廊整体全过程安全提升，对连廊提升过程中引起的结构安全性问题进行评估，预防由施工误差、操作失误引起的结构损伤、失稳甚至破坏。湖南大学大型土木工程结构健康监测研究团队针对本连廊吊装过程，建立了以关键杆件应力水平观测为主的监测系统，健康监测系统由传感器子系统、数据采集和传输子系统、数据处理和管理子系统、结构状态评估子系统4大模块组成，如图3所示。本研究主要介绍超高层连体结构整体提升过程中连廊应变监测内容。

根据初步结构有限元分析及对结构几何特征和受力特点的分析，在钢连廊关键构件上共安装21个JMZX-212HAT型振弦式应变传感器（量程为 ±1 500με， 灵敏度为1με），通过焊接固定于钢结构表面，传感器布置在各施工步骤中内力较大区域（1层型钢梁）、内力方向发生变化的构件（吊柱）及主要受力构件（钢管混凝土拱）上，传感器方向沿构件主要受力方向。应变测点布置方案如表1所示。

表1结构测点布置方案

各层传感器布置位置如图4所示，传感器通过JMZ-4SX水工电缆线汇集至数据采集系统完成数模转换，再通过无线收发模块将应变数据上传云平台完成数据存储及管理，通过设置阈值对结构异常状态预警。监测过程中，信号采样频率设置为3min/次，通过蓄电池+太阳能电池板提供应变采集用电，每层采集器相互串联通过信号线与位于监测总站上的控制器相连从而实现供电和无线传输数据。

所监测的钢连廊于2022年7月8日10：00左右开始吊装工作，至2022年11月19日完成混凝土楼板浇筑，施工进程如表2所示。

表2 施工进程

以钢连廊起吊初始时刻为应变零点，整个施工过程监测所得结构应变响应如图5所示，部分传感器在使用过程中发生损坏，但仍监测到部分关键施工阶段产生的应变。在提升过程中，结构测点处的应变在结构吊装时的几个关键步骤中，由于边界条件及外覆荷载的改变，变化幅值为-250~300με，在结构安装过程中，受施工扰动及环境温度影响，应变数据产生了20~100με的波动，在提升过程中波动较小，表明吊装过程整体平稳。

连廊预提升阶段，结构由简支静置状态变为提升状态，边界条件发生转变，导致结构传力路径发生变化，各测点处应变数据变化显著，此时索缆产生的索力通过临时支撑传递至钢管混凝土拱，主要受力构件钢管混凝土拱受到较大压应变，如图5a所示；各层间荷载通过吊柱传递至拱，吊柱受力由受压转为受拉，产生了较大拉应变，如图5b所示；在整体结构提升至指定位置后，即开展钢管混凝土拱、主桁架与塔楼预留牛腿的焊接工作，焊接时间为07-15—07-28。由图5可知，焊接过程中，钢连廊整体并未受到较大影响，应变波动较小；在连廊与塔楼焊接完成后，即拆除临时支撑，此时结构传力路径发生变化，索缆产生的索力在临时支撑拆除后通过下弦杆传递，致使下弦杆产生了较大应变，此应变在索力释放后减小，如图5c所示，下弦杆重新处于低应力状态；混凝土浇筑阶段，结构受力体系不再转变，由于层间荷载增大，吊柱及钢管混凝土拱应变逐步稳定增大，应变变化稳定。

采用SAP2000有限元分析软件建立钢连廊有限元模型，如图6所示。采用欧拉梁单元(Euler beam element)模拟型钢梁和型钢柱，用4结点薄壳单元(thin shell element)模拟楼板，每个结点6个自由度，分别对桁架结构和楼板进行建模，共937个梁单元，634个结点，5 031个自由度，模型边界条件及上覆荷载均按实际情况设置。有限元分析主要考虑结构自重及布置在结构上的恒荷载，计算模型在不同工况下，由于边界条件变化、部分临时构件拆除及浇筑混凝土楼板导致结构内力变化。计算工况如图7所示。

钢连廊简支静置于拼装平台上，边界条件通过现场实际观测确定，结构自重通过吊柱与临时支撑传递至支撑处，此阶段主要受力构件钢管混凝土拱并未受到较大内力（见图8）。

钢连廊预提升阶段，边界条件发生改变，结构由静置简支状态变为由连廊两侧6组索缆提供拉力的吊起状态，内力变化最大构件为钢管混凝土拱（见图9），其轴力增大1 913kN，各层吊柱轴力方向均发生改变，拱在此阶段作为主要受力构件承受较大轴力，此阶段最大应力变化出现在临时支撑处，为-58MPa。

提升至预定高度后，钢管混凝土拱与塔楼连接并拆除临时支撑，结构主要传力路径（索缆→临时支撑→钢管混凝土拱）发生变化，由于临时支撑的拆除，钢混凝土拱内力直接传递至主体结构牛腿上，索缆提供的拉力通过下弦杆进行传递，致使下弦杆处产生了 -903kN·m 弯矩（见图10），钢管混凝土拱及吊柱内力变化均略微增大，此阶段最大应力变化出现在下弦杆处，为29MPa。

索力释放阶段下弦杆弯矩消失，下弦杆由高应力状态进入低应力状态，由于钢连廊与塔楼已焊接，结构受力体系不再改变，钢连廊其他构件处受到的影响较小，此阶段最大应力变化出现在下弦杆下吊点处（见图11），为-28MPa。

混凝土浇筑阶段，结构层间荷载不断增大，各层间吊柱受到的拉力增大，内力变化最大的构件为钢管混凝土拱，其轴力增大3 715kN(见图12)。这表明钢连廊结构设计合理，钢管混凝土拱作为主要受力构件承受较大内力，此阶段最大应力变化出现在钢管混凝土拱上，为-24MPa。

利用建立的有限元模型计算出各施工阶段理论应变值，与测点处实测应变响应进行对比。测试值取每个关键施工阶段前后应变数据平均值，以1层型钢梁L3、2层型钢梁L20、1层吊柱L12、钢管混凝土拱L18为例进行说明，吊装完成后各施工阶段实测应变与理论应变对比如表3所示。

表3 吊装完成后实测与有限元模拟应变对比

对比理论计算值与实测值可以看出，对于桁架杆系结构，有限元理论计算值能较准确地反映实际结构应力水平。由于钢连廊吊装施工过程中的不可控性及有限元模型不精确，造成理论应变与实测应变有差别，但随着结构受力增大，结构实测值与理论值越来越接近，利用现场实时监测与有限元模型模拟分析能有效指导施工及识别结构异常状态。L18测点处实测值在任一施工阶段皆略大于理论值，该处理论值计算采用平截面假定，考虑到L18测点处为钢管混凝土，分析可能原因为钢管混凝土黏结滑移，导致理论计算所取截面刚度比结构实际截面刚度大，从而导致理论计算值偏小。

本文基于广东佛山保利珑门超高层连体结构吊装，对其大跨钢连廊吊装及安装环节进行全过程实时监测，从而为整体结构施工过程的顺利进行提供保障。通过分析监测所得结构特征应变响应，得到以下结论。

1) 对该工程中钢连廊吊装及安装进行全过程实时监测，结果表明所测得关键构件处应变响应均未达到相应材料屈服强度，表明施工过程中结构材料处于弹性工作状态。同时，应变数据在提升过程中波动较小，表明吊装过程整体平稳。

2) 吊装过程中，钢连廊应变变化主要发生在预提升阶段及混凝土楼板浇筑阶段；钢连廊从静置时的简支状态至提升状态，因其边界条件的变化造成的结构内力重分布，使拱顶轴力增大1 913kN；在混凝土楼板浇筑阶段，外覆荷载的变化使拱顶轴力增大3 715kN。以上2个阶段结构内力变化显著，证明进行结构健康监测的必要性。

3) 对于桁架杆系结构，有限元理论计算值能较为准确地反映实际结构应力水平，利用理论值与实测值对比分析，准确识别各阶段结构内力，实时分析整个过程安全程度，以确保钢连廊吊装安全。