大跨钢管拱桁架施工变形监测的工程启示——温度效应与不对称性的控制

文献核心内容

李惠强等人发表在《施工技术》上的这篇论文，以某体育馆屋盖大跨钢管拱桁架为对象，分析了施工过程中的变形监测数据。研究发现：施工中的钢管拱桁架及支墩变形随季节温度变化规律明显，变形与施工时间、支墩抗力体系结构的不对称性以及施工工况状态密切相关。文章强调，施工中的结构与竣工后服役状态的结构受力及变形特点不同，必须认真分析并制定合理的施工方案。

关键技术要点解读

温度变形的规律与量级

钢管拱桁架在施工期间处于无覆盖状态，直接暴露于大气环境中。钢管壁薄、导热快，温度变化会迅速引起杆件的热胀冷缩。研究指出，日温差引起的变形可达数毫米至十几毫米，而季节温差（夏季与冬季）引起的变形可达数十毫米。对于大跨度结构（跨度超过100 m），这一变形量足以影响合龙精度和内力分布。

从热力学角度分析，钢管的线膨胀系数约为1.2×10⁻⁵ /℃，假设桁架跨度为100 m，温差20℃时，自由伸缩量可达24 mm。在实际施工中，如果支墩约束不均匀，这部分变形会转化为附加内力。

支墩抗力体系不对称性的影响

施工过程中，支墩的布置往往受场地条件限制，难以做到完全对称。不对称的支墩抗力体系会导致结构在温度变化下产生不均匀变形，甚至引起局部杆件的超应力。研究建议，在施工方案设计阶段，应通过有限元分析评估支墩刚度对变形的影响，必要时增加临时支撑或调整支墩位置。

施工工况的阶段性特征

拱桁架的施工通常分为地面拼装、分段吊装、高空合龙等多个阶段。每个阶段的约束条件和荷载状态不同，变形特征也不同。例如，在合龙前，结构处于“自由”状态，温度变形主要表现为整体伸缩；合龙后，结构形成闭合体系，温度变形受到约束，产生温度应力。研究强调，施工监测应贯穿全过程，并根据工况变化调整监测频率和重点。

工程实践中的控制措施

合龙温度的选择

合龙是拱桁架施工的关键工序。选择合理的合龙温度，可以最大限度地减小温度应力。通常建议在一天中温度最低且稳定的时段（如凌晨4:00至6:00）进行合龙，合龙温度应接近当地年平均温度。对于大跨度结构，还应考虑合龙后可能出现的极端温度，预留适当的伸缩缝或采用可调节节点。

焊接变形的控制

钢管拱桁架的节点多采用相贯线焊接或管板焊接。焊接热输入会引起局部变形，影响杆件的定位精度。建议采取以下措施：

• 采用对称焊接顺序，减少累积变形。
• 对于壁厚较大的钢管（≥10 mm），焊前预热至80～120℃。
• 焊接完成后，待焊缝冷却至室温后再进行下一道工序，避免热变形叠加。

监测方案的优化

基于该研究的发现，施工监测方案应包括：

• 在关键节点（如拱顶、支墩处、合龙口）布置位移传感器和应变计。
• 同步记录环境温度、风速等气象参数。
• 监测数据实时传输至控制中心，与有限元预测值对比，发现异常及时预警。

关键疑问与思考

施工监测数据的后处理

论文中未详细讨论监测数据的后处理方法。在实际工程中，原始数据往往包含噪声和系统误差，需要进行滤波和温度修正。例如，可以采用移动平均法消除随机波动，或建立温度-变形回归模型来分离温度效应。这些处理方法的准确性直接影响对结构状态的判断。

长期服役阶段的变形监测

施工结束后的结构在服役期间仍然会经历温度变化和荷载作用，其变形特征与施工阶段有何异同？目前的研究多聚焦于施工阶段，对长期服役阶段的变形规律关注不足。建议在结构投入运营后，继续保留部分监测点，积累长期数据，为维护和加固提供依据。

学习心得

这篇文献虽然篇幅不长，但所揭示的问题具有很强的普遍性。在许多钢结构施工中，技术人员往往只关注强度和稳定验算，而忽视了施工过程中的变形控制。实际上，施工阶段的结构处于最不稳定的状态，其受力与设计状态差异很大。作为钢管结构领域的从业者，我们应当将施工监测视为质量控制的重要环节，而不仅仅是“走过场”的合规要求。温度效应和不对称性这两个因素，尤其值得在方案制定时给予充分考虑。