大跨度鋼結(jié)構(gòu)多點(diǎn)吊裝實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

王嘉榮

（中建鋼構(gòu)工程有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

大跨度空間結(jié)構(gòu)具有三維形狀，在載荷作用下也具有三維力學(xué)性能。在早期，這種結(jié)構(gòu)主要用于體育館，如日本代吉游泳館，美國(guó)佐治亞州穹頂。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑材料的升級(jí)和建設(shè)，大跨度空間結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)航站樓、展覽中心、大型劇院、工廠等。同時(shí)，由于大跨空間鋼結(jié)構(gòu)材料具有高強(qiáng)度、重量輕、良好的延性和可塑性，已成為近年來空間結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展趨勢(shì)[4]。

大跨度結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的研究主要集中在分析控制和監(jiān)測(cè)方法兩個(gè)方面。在分析和控制方面，一些學(xué)者開發(fā)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以便分析和控制大跨度換流站鋼結(jié)構(gòu)的施工過程。任峰等[5]建立了適用于寒冷工況的大跨度換流站鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將大跨度換流站鋼結(jié)構(gòu)的溫度參數(shù)作為機(jī)械參數(shù)來指導(dǎo)施工過程。邱德隆等[6]人分析了利用光纖信號(hào)進(jìn)一步監(jiān)測(cè)大跨度結(jié)構(gòu)，提出了一種基于光纖信號(hào)的大跨度換流站鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

目前，許多具有新穎結(jié)構(gòu)形式和大跨度鋼結(jié)構(gòu)涌現(xiàn)，也產(chǎn)生了許多新的問題。對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)，施工特點(diǎn)均為規(guī)模大、范圍廣、周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜[1-3]。另一方面，不完整的結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的施工荷載、物理性質(zhì)的時(shí)變和許多突發(fā)事件都會(huì)使結(jié)構(gòu)在施工階段面臨更高的風(fēng)險(xiǎn)。事故一旦發(fā)生，后果就極其嚴(yán)重，如巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，以及嚴(yán)重的社會(huì)問題。因此對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)測(cè)是非常重要的和必要的。同時(shí)目前相關(guān)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的吊裝經(jīng)驗(yàn)較少。為避免大跨度結(jié)構(gòu)吊裝過程中發(fā)生災(zāi)害，有必要對(duì)吊裝過程進(jìn)行實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步保證大跨度鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程的順利進(jìn)行。

1 工程背景

某鋼結(jié)構(gòu)建筑面積約307 700m2，東西長(zhǎng)約730m，南北長(zhǎng)約480m。鋼屋頂?shù)钠矫娉叽缂s為500m×240m，由一個(gè)單殼、雙層空間桁架和垂直支撐系統(tǒng)組成。大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋面采用三層對(duì)角金字塔網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，格柵構(gòu)件之間的連接多采用螺栓球形接頭。網(wǎng)格框架的下弦有轉(zhuǎn)移梁、設(shè)備起重梁和起重機(jī)梁。轉(zhuǎn)移梁、設(shè)備起重梁和起重機(jī)梁設(shè)置在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的底部弦上。大跨度鋼結(jié)構(gòu)最大跨度為89.5m，吊裝鋼結(jié)構(gòu)重量為755t。共設(shè)計(jì)了12 個(gè)吊點(diǎn)，采用多點(diǎn)吊裝。大跨度鋼結(jié)構(gòu)的吊裝分為三個(gè)階段：鋼結(jié)構(gòu)預(yù)吊、鋼結(jié)構(gòu)吊裝、鋼結(jié)構(gòu)提升至頂，安裝322.7t 設(shè)備。

2 監(jiān)測(cè)和分析

2.1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)多點(diǎn)吊裝監(jiān)測(cè)方案

采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)、人工測(cè)量對(duì)比的方法對(duì)吊裝進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)集成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，輸出鋼結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)二維和三維圖像。通過這些實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像，可以快速分析施工過程，以幫助及時(shí)做出針對(duì)出現(xiàn)的工程問題的決策。自動(dòng)監(jiān)測(cè)分為撓度監(jiān)測(cè)和應(yīng)變監(jiān)測(cè)兩部分。水平單軸傾角儀主要用于撓度監(jiān)測(cè)，如圖1 所示。

圖1 水平單軸傾斜儀

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了13 個(gè)點(diǎn)的溫度和位移，這些點(diǎn)的位置與監(jiān)測(cè)期間的位置相同。手動(dòng)測(cè)量方法使用水平桿、塔尺和水平儀。液位棒的原理是液位是水平的，而液位氣泡用于直接顯示位移，使其測(cè)量獲得測(cè)量被測(cè)表面相對(duì)水平、垂直和傾斜位置的偏差程度?，F(xiàn)場(chǎng)使用的液位尺長(zhǎng)度為250cm，精度為0.02mm。塔尺與水平儀配合使用，以測(cè)量高度差?，F(xiàn)場(chǎng)使用的塔尺長(zhǎng)度為2 m，精度為5mm。水平用于提供水平視線，借助帶有分區(qū)的水平尺，直接測(cè)量地面上兩點(diǎn)的高度差，然后根據(jù)已知點(diǎn)高程和實(shí)測(cè)高度差計(jì)算未知點(diǎn)高程。現(xiàn)場(chǎng)使用的液位精度為1mm。在吊裝過程中，每半小時(shí)進(jìn)行一次人工測(cè)量，測(cè)量大跨度鋼結(jié)構(gòu)的機(jī)械撓度和應(yīng)變變化。

借助先進(jìn)的算法，實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以整合從大跨度鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中收集的各種信息和數(shù)據(jù)。通過對(duì)信息的綜合分析和評(píng)估，實(shí)時(shí)可視化大跨度鋼結(jié)構(gòu)吊裝全過程的安全和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在大跨度鋼結(jié)構(gòu)吊裝風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)之前發(fā)出報(bào)警預(yù)警信息。實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)包括三個(gè)功能子層：數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用。

數(shù)據(jù)傳感模塊主要通過各種智能傳感器和監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)大跨度鋼結(jié)構(gòu)溫度、位移等變化，采集測(cè)量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，輔助現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)傳輸模塊將傳感模塊的各種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與監(jiān)控系統(tǒng)的信息互聯(lián)互通。

數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用模塊主要包括鋼結(jié)構(gòu)安全可視化監(jiān)控、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)下載、信息查詢、預(yù)警信息發(fā)布等[7]。監(jiān)控人員可以通過各種客戶端利用云平臺(tái)，隨時(shí)隨地了解鋼結(jié)構(gòu)的安全動(dòng)態(tài)，快速查詢和下載鋼結(jié)構(gòu)安全評(píng)估所需的數(shù)據(jù)，并獲取帶有圖片和文字的監(jiān)控報(bào)告。同時(shí)，用戶還可以在結(jié)構(gòu)首次發(fā)生異常變化時(shí)獲得預(yù)警信息，以便監(jiān)測(cè)人員能夠及時(shí)采取相應(yīng)措施，防止安全事故的發(fā)生。此外，監(jiān)測(cè)人員可以根據(jù)監(jiān)控項(xiàng)目的需要和各種突發(fā)事件的預(yù)期，與巡更人員實(shí)時(shí)互動(dòng)。

2.2 傳感器和采樣頻率

某大跨度鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了有線連接系統(tǒng)。為了評(píng)估溫度評(píng)估，安裝在17 個(gè)不同位置的數(shù)字熱傳感器。每個(gè)位置安裝了6 個(gè)傳感器，以消除輻射對(duì)當(dāng)?shù)販囟鹊挠绊憽Ｈ緝x連同安裝反射棱鏡用于結(jié)構(gòu)位移測(cè)量。位移測(cè)量點(diǎn)數(shù)為12 個(gè)。傳感器的規(guī)格位置和序列號(hào)如圖2 所示。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于卸載階段時(shí)，溫度測(cè)量的采樣頻率為每30 min 一次。同時(shí)，在停工階段調(diào)整為每10 min 一次。如果溫度超過結(jié)構(gòu)封閉施工的溫度要求，將相應(yīng)停止施工。

圖2 溫度傳感器的布置圖

本文對(duì)圖2 所示的位于大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋頂結(jié)構(gòu)上的1、2、3、4、5、6、7、17 的溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了分析和討論。圖2 中8、9、10、11、12、12、13、14、15、16 編號(hào)的測(cè)點(diǎn)在合攏階段進(jìn)行了分析和討論。對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)時(shí)，將全站基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在大跨度鋼結(jié)構(gòu)中部[8]。將全站儀后視棱鏡設(shè)置在測(cè)量點(diǎn)1 的底部。然后，將總站分別與每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的中心對(duì)齊。因此，通過全站儀對(duì)應(yīng)的函數(shù)，可以得到各測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)?？梢韵鄳?yīng)地計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的三維位移。

2.3 溫度監(jiān)測(cè)與分析

2.3.1 卸載階段的溫度監(jiān)測(cè)

該結(jié)構(gòu)的卸載工程已于2022 年4 月10 日至28 日進(jìn)行。由于鋼結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度主要受溫度的影響，因此在整個(gè)卸荷階段都采用了溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。日平均最高溫度和最低溫度的變化如圖3 所示。從這6 個(gè)傳感器的平均溫度中選擇包含6 個(gè)傳感器的每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的日平均最大溫度或最低溫度。從圖中可以看到，日平均最高溫度小于40℃，日平均最低溫度大于15℃，整個(gè)卸載施工期間整體鋼結(jié)構(gòu)屋面溫度處于正常狀態(tài)。進(jìn)一步表明溫度不會(huì)對(duì)構(gòu)件造成較大的應(yīng)力影響。后續(xù)施工可正常進(jìn)行。監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 和點(diǎn)4 的溫度值小于其他點(diǎn)，說明這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度低于其他點(diǎn)。主要由于鋼的規(guī)格熱容，溫度測(cè)量大于天氣溫度。某些點(diǎn)的溫度值較大，也可能是由于局部焊接或臨時(shí)切割造成的。

圖3 卸載階段溫度變化曲線

2.3.2 處于閉合階段的溫度監(jiān)測(cè)

對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)的合攏溫度通常意味著結(jié)構(gòu)的初始溫度，其合理性將直接影響結(jié)構(gòu)的力特性。因此，有必要選擇一個(gè)合適的合攏溫度。首先，考慮當(dāng)?shù)氐臏囟群吞鞖鈼l件，確保合攏溫度接近年平均溫度。其次，還要考慮施工進(jìn)度和可能的情況，并預(yù)留封閉溫度的允許偏差范圍。第三，合攏溫度應(yīng)盡可能接近平均溫度。平均溫度是指結(jié)構(gòu)性最高溫度與最低溫度之間的中值點(diǎn)。合攏溫度應(yīng)接近鋼構(gòu)件的平均溫度，以具有合理的力特性穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。最后，溫室等導(dǎo)致的溫度上升的風(fēng)險(xiǎn)和可能性。這也被考慮到了，并適當(dāng)?shù)卣{(diào)整了合攏溫度。

基于以上考慮，大跨度鋼結(jié)構(gòu)合攏溫度范圍為23℃～30℃。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)的溫度為23℃～30℃時(shí)，可以進(jìn)行閉合工作.否則，閉合工作將按建議停止。此外，由于夜間溫度的變化相對(duì)較溫和，也可以避免鋼構(gòu)件由于不同的輻照度而引起的不均勻溫度升高。因此，該結(jié)構(gòu)的閉合工作最終在夜間進(jìn)行。

對(duì)8 至16 號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，以確保大跨度鋼結(jié)構(gòu)的建設(shè)溫度處于安全狀態(tài)。監(jiān)測(cè)時(shí)間分為三個(gè)周期，從5 月25 日20：00 到5 月26 日02：20、從5 月26 日20：00 到02：20，5 月27 日及5 月27 日20 時(shí)至5 月27 日22 時(shí)。閉合階段的監(jiān)測(cè)溫度測(cè)量值如圖4 所示。

圖4 閉合階段溫度變化曲線

從溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中可以看出如下結(jié)果：（1）每天20：00，由于白天陽光照射，鋼殼表面溫度仍高于平均水平。而地表溫度基本保持在28℃～30℃。（2）每天20：00 后，溫度逐漸下降。將靠近海邊的測(cè)點(diǎn)與其他遠(yuǎn)離大海的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行比較，前者的溫度下降的速度快于后者，這是由風(fēng)荷載的作用引起的[9]。（3）每天22：00 左右，整個(gè)鋼殼的監(jiān)測(cè)溫度達(dá)到25℃～27℃。（4）在整個(gè)閉合過程中，鋼屋面的溫度設(shè)置為23℃～30℃，可滿足閉合階段的溫度要求。因此，封閉施工已安全完成。此外，封閉施工對(duì)環(huán)境溫度的影響較小。

2.4 位移監(jiān)測(cè)與分析

2.4.1 卸載階段的位移監(jiān)測(cè)

鋼結(jié)構(gòu)屋頂前部的位移監(jiān)測(cè)位置如圖2 所示。圖5 所示的監(jiān)測(cè)位移測(cè)量值是從2022 年4 月10 日至2022 年5 月5 日在結(jié)構(gòu)卸載階段采集的。在卸載階段，對(duì)位于構(gòu)件上的12 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析。分析結(jié)果如下：（1）位移測(cè)量結(jié)果表明，卸載階段的位移與施工條件相匹配。位移測(cè)量值的突變時(shí)間和突變大小與卸載時(shí)間和卸載點(diǎn)位置一致。（2）圖5 表明，不同的卸載位置導(dǎo)致了位移測(cè)量的不同影響。當(dāng)測(cè)點(diǎn)位于卸載分區(qū)中時(shí)，相應(yīng)的位移將發(fā)生明顯變化。當(dāng)測(cè)點(diǎn)位于相鄰的卸載分區(qū)時(shí)，相應(yīng)的位移也存在一定的偏差。以卸載過程為例，卸載時(shí)間為2022 年4 月23 日至24 日。在此期間，鋼結(jié)構(gòu)1、2、3、12 的測(cè)量點(diǎn)代表較大的位移值。其他點(diǎn)的位移測(cè)量值相對(duì)較小。點(diǎn)1 和點(diǎn)12 在Z 方向上的位移是發(fā)生變化的最大位移，接近160mm，表明位移主要是由周圍位置的卸載過程引起的。同時(shí)，點(diǎn)6、7、8 的位移小于點(diǎn)1、2、3、12 的位移，說明距離卸載區(qū)域越大，位移測(cè)量的距離越小。（3）在整個(gè)卸荷過程中，監(jiān)測(cè)構(gòu)件的測(cè)量結(jié)果無異常變化，工作條件穩(wěn)定，卸荷過程平穩(wěn)。

圖5 位移變化

2.4.2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)多點(diǎn)吊裝分析

撓度是反映大跨度結(jié)構(gòu)彎曲變形的重要參數(shù)，是評(píng)價(jià)工程安全性的重要因素。如圖6 所示，從第一階段到第三級(jí)（10：00～15：00），大跨度鋼結(jié)構(gòu)的撓度從81mm 逐漸增加到86mm。15：00 將大跨度鋼結(jié)構(gòu)置于鋼結(jié)構(gòu)桁架上時(shí)，撓度迅速減小至82mm，大跨度鋼結(jié)構(gòu)彎曲程度先緩慢增加后快速減小，最終趨于穩(wěn)定。三個(gè)吊裝階段的最大撓度位于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的中心線；第一階段至第三級(jí)的撓度分別為79.2mm、114.5mm 和175.8mm，第三級(jí)的撓度最大。在施工過程中，構(gòu)件安裝在第二和第三階段的結(jié)構(gòu)中，使得第三階段對(duì)應(yīng)于最大的結(jié)構(gòu)荷載。因此，在該大跨度鋼結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)吊裝過程中，最大荷載狀態(tài)下大跨度鋼結(jié)構(gòu)中心線撓度最大，是最容易發(fā)生工程災(zāi)害的位置。利用結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)在最大荷載狀態(tài)下的中心線進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，在未來的大跨度鋼結(jié)構(gòu)吊裝工程中，有必要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)大跨度鋼結(jié)構(gòu)在最大荷載狀態(tài)下的中心線，以確保安全運(yùn)行。在吊裝過程中，采用加大大跨度鋼結(jié)構(gòu)反向力抵消荷載的方法，減少大跨度鋼結(jié)構(gòu)撓度，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 大跨度鋼結(jié)構(gòu)中心線在三個(gè)階段撓度變化

3 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了大跨度鋼結(jié)構(gòu)在施工階段的溫度和位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)這種大跨度鋼屋頂結(jié)構(gòu)的溫度和位移測(cè)量，對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)在卸載和閉合階段的溫度控制和位移變化及撓度進(jìn)行了詳細(xì)的討論。本文提出的結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅為建設(shè)過程中提供科學(xué)參考信息、且為更容易、更快、更安全的決策起著重要作用，而且深刻提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)的安全性和施工準(zhǔn)確性。其結(jié)論如下：（1）檢測(cè)了結(jié)構(gòu)卸載階段構(gòu)件的結(jié)構(gòu)溫度分布和溫度范圍。施工階段的溫度得到控制，后續(xù)施工可以無風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行。（2）構(gòu)件的溫度滿足了結(jié)構(gòu)封閉階段的溫度極限要求。封閉施工安全順利完成。（3）構(gòu)件的位移發(fā)展以及結(jié)構(gòu)卸載和閉合階段的異常位移變化。（4）討論了溫度引起的位移變化，當(dāng)溫度值為最大尺度時(shí)，Y 方向和Z 方向的位移均處于極值。