鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

(1.中國(guó)建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京 101300； 2.中建科技(北京)有限公司，北京 100070)

引言

近年來，大型鋼結(jié)構(gòu)在大型公共建筑中得到了廣泛的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)體系越來越新穎、形式越來越復(fù)雜、規(guī)模越來越龐大，已成為當(dāng)代建筑結(jié)構(gòu)中最重要和最活躍的領(lǐng)域之一[1]。然而，鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的事故卻在不斷的增加，鋼結(jié)構(gòu)施工過程中監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用成為結(jié)構(gòu)安全施工的保障。鋼結(jié)構(gòu)的迅猛發(fā)展，對(duì)施工過程監(jiān)測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。據(jù)資料記載，全球近120起具有代表性的鋼結(jié)構(gòu)事故，共有59起事故發(fā)生在制作或安裝階段，此階段事故發(fā)生概率高達(dá)49.2%。究其原因[2]，如設(shè)計(jì)上沒有完全考慮各施工的工況、局部施工荷載遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)荷載、現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量不能完全達(dá)到設(shè)計(jì)的要求、施工單位缺乏復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)等，這就要求相關(guān)單位要對(duì)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過程監(jiān)測(cè)。施工過程中的監(jiān)測(cè)不僅能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)決策提供技術(shù)依據(jù)，達(dá)到保證施工安全的目的，還能為后續(xù)運(yùn)營(yíng)階段的監(jiān)測(cè)提供原始數(shù)據(jù)，真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和性能。

鑒于鋼結(jié)構(gòu)施工過程安全監(jiān)測(cè)的重要性，本文綜合多個(gè)行業(yè)技術(shù)，設(shè)計(jì)并集成開發(fā)出反映結(jié)構(gòu)受力及變形的全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 應(yīng)力應(yīng)變、變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 應(yīng)力應(yīng)變、變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案

應(yīng)變、變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)總體示意圖如圖1所示； 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及用戶的要求，可以選擇方式1服務(wù)器模式或方式2電臺(tái)通訊方式； 每個(gè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)終端均由振弦傳感器、應(yīng)變采集器、通訊模塊組成； 變形監(jiān)測(cè)終端由測(cè)量機(jī)器人、通訊模塊組成。

圖1 應(yīng)力應(yīng)變、變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分布式架構(gòu)示意圖

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端采集到鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變、變形數(shù)據(jù)后，通過通訊模塊把監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或接收電臺(tái)，安裝有監(jiān)測(cè)軟件的PC客戶端可實(shí)時(shí)查看每一個(gè)監(jiān)測(cè)終端的監(jiān)測(cè)信息并根據(jù)需要導(dǎo)出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，具有權(quán)限的操作人員可通過客戶端遠(yuǎn)程配置、更新現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本原理介紹

應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中用到的振弦傳感器其工作原理為[3]： 兩個(gè)端塊之間張拉一根一定長(zhǎng)度的鋼弦，端塊牢固置于鋼結(jié)構(gòu)表面，鋼結(jié)構(gòu)的變形使得兩端塊相對(duì)移動(dòng)并導(dǎo)致鋼弦發(fā)生張拉變化，這種張力的變化使得鋼弦諧振頻率發(fā)生改變，以此來測(cè)量鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，最后再通過鋼材的彈性模量E即可計(jì)算得到應(yīng)力。

變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用到的測(cè)量機(jī)器人工作原理：首先須要開通測(cè)量機(jī)器人的GeoCom通訊接口，通過此接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測(cè)量機(jī)器人與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)或服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換。測(cè)量機(jī)器人通過CCD影像傳感器對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別、迅速作出分析、判斷與推理，并自動(dòng)完成照準(zhǔn)、測(cè)量，以代替手工操作。測(cè)量機(jī)器人測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)置包括測(cè)站、基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)。測(cè)站用來架設(shè)測(cè)量機(jī)器人，要求與基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間具有良好的通視條件； 基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在穩(wěn)固不動(dòng)處，一般設(shè)2-3個(gè)，在基準(zhǔn)點(diǎn)安裝正對(duì)測(cè)站的棱鏡或反射片； 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在變形體關(guān)鍵部位，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處安裝棱鏡或者反射片。測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用前，先通過手動(dòng)測(cè)量完成測(cè)量機(jī)器人的學(xué)習(xí)，獲取每一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間位置信息，這些信息遠(yuǎn)傳到安裝有監(jiān)測(cè)軟件的上位機(jī)或者服務(wù)器并保存，后測(cè)量機(jī)器人在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器的監(jiān)測(cè)程序下作全自動(dòng)的、不間斷的、無人值守的變形監(jiān)測(cè)，測(cè)量每一個(gè)點(diǎn)的三維變形大小，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)形保存、分析、預(yù)警、圖像顯示、打印輸出等。

1.3 應(yīng)變自動(dòng)采集終端系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

應(yīng)變自動(dòng)采集終端系統(tǒng)由應(yīng)變傳感器、電源管理模塊、通訊模塊、應(yīng)變采集器組成； 應(yīng)變監(jiān)測(cè)終端總體框圖如圖2所示。

圖2 應(yīng)變監(jiān)測(cè)終端總體框圖

應(yīng)變傳感器選取長(zhǎng)沙某公司振弦式傳感器，技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 振弦傳感器參數(shù)

應(yīng)變采集器選取原則：應(yīng)具有組網(wǎng)的485通訊接口，支持二次開發(fā)，廠家提供二次開發(fā)的通訊協(xié)議。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選取北京某公司型號(hào) HC-2 000A多通道振弦采集模塊，精確采集傳感器的頻率和溫度數(shù)據(jù)，內(nèi)嵌高性能ARM控制器，反應(yīng)快速，性能穩(wěn)定； 頻率采集范圍400Hz—5 000Hz，精度0.1Hz； 3k熱電偶溫度采集，精度0.5℃； 通道選擇使用松下高端MOSFET繼電器，具有無火花、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)； 標(biāo)準(zhǔn)RS-485通信接口； IEEE標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)型技術(shù)方式； 內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘，掉電后仍可正常計(jì)時(shí)； 16通道采集頻率及溫度信號(hào)。

為了降低應(yīng)變采集系統(tǒng)的功耗，延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，選取具有可編程配置功能的電源管理模塊。一方面根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集周期調(diào)整的需要，可由遠(yuǎn)程PC端實(shí)時(shí)配置； 另一方面通過遠(yuǎn)程PC可實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端設(shè)備的配置信息及剩余電量信息，避免了人工去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)、查看的麻煩。

通訊模塊根據(jù)組網(wǎng)方式的不同，選取不同的硬件模塊； 當(dāng)選取服務(wù)器模式時(shí)選擇3G/4G DTU模塊； 現(xiàn)場(chǎng)近距離通信時(shí)選取傳統(tǒng)通訊433MHz電臺(tái)。

1.4 變形自動(dòng)采集終端系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

變形自動(dòng)采集終端系統(tǒng)主要由測(cè)量機(jī)器人、Y型電纜、供電部分、通訊模塊組成； 變形監(jiān)測(cè)終端總體框圖如圖3所示。

圖3 變形監(jiān)測(cè)終端總體框圖

測(cè)量機(jī)器人選用徠卡超高精度TS50型號(hào)，測(cè)角精度0.5s，測(cè)距精度0.6mm+1ppm，具有自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、瞄準(zhǔn)、測(cè)量功能； Y型電纜聚儀器供電與通訊為一體； 通訊模塊根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及用戶需求選擇為3G/4G DTU或電臺(tái)； 供電裝置可為儀器自身電池或現(xiàn)場(chǎng)市電。

1.5 應(yīng)變、變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)變、變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有自動(dòng)采集控制、遠(yuǎn)程設(shè)備配置、遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、圖形化顯示、數(shù)據(jù)異常報(bào)警、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)程序運(yùn)行于Windows系統(tǒng)，采用VB.net語言進(jìn)行編程，支持多項(xiàng)目、多用戶、分級(jí)權(quán)限管理。

自動(dòng)采集控制實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)信息的自動(dòng)采集，自動(dòng)采集控制流程圖如圖4所示； 每一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端都有一個(gè)唯一的設(shè)備識(shí)別地址，通過上位機(jī)軟件配置，此設(shè)備地址作為該監(jiān)測(cè)終端在整個(gè)分布式自動(dòng)應(yīng)變采集系統(tǒng)中的唯一身份識(shí)別。自動(dòng)運(yùn)行過程中，首先對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備通訊參數(shù)、設(shè)備地址進(jìn)行檢查，然后加載配置文件對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，設(shè)備初始化成功則啟動(dòng)監(jiān)測(cè)任務(wù)線程，定時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀?。?另外，啟動(dòng)監(jiān)測(cè)任務(wù)的同時(shí)啟動(dòng)配置更新輪詢線程，監(jiān)聽設(shè)備配置是否更新，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的遠(yuǎn)程配置，如果設(shè)備配置有更新，則重新加載配置參數(shù)，重新啟動(dòng)監(jiān)測(cè)控制。

圖4 自動(dòng)采集控制流程圖

圖5 服務(wù)器程序總體框架

ASP.NET是微軟提出的用于創(chuàng)建動(dòng)態(tài)Web內(nèi)容的一種強(qiáng)大的服務(wù)器端技術(shù)。.NET是微軟推出的一個(gè)跨操作系統(tǒng)、跨平臺(tái)的應(yīng)用體系框架，.NET通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的類庫抽象了操作系統(tǒng)提供的進(jìn)程、文件、網(wǎng)絡(luò)等功能，并附加了豐富的文本處理、加密解密、調(diào)試跟蹤等功能。ASP.NET與其底層框架.NET緊密結(jié)合，為動(dòng)態(tài)的Web開發(fā)技術(shù)提供了豐富而強(qiáng)大的類庫資源。本自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)器程序基于Asp.NET框架進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)語言采用VB.net，服務(wù)器程序部署于IIS服務(wù)器，服務(wù)器程序總體框架如圖5所示。

監(jiān)測(cè)終端與Asp.net服務(wù)器程序以http方式進(jìn)行通信，請(qǐng)求及返回?cái)?shù)據(jù)遵循JSON數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)庫采用SQLSever2008R2，為避免因高并發(fā)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)訪問帶來的性能問題，在服務(wù)器程序中增加數(shù)據(jù)緩存區(qū)，減少數(shù)據(jù)重復(fù)進(jìn)行物理加載，提高讀寫效率。應(yīng)變自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面如圖6所示，應(yīng)變自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖7所示，變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)置如圖8所示，變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)運(yùn)行界面如圖9所示。

圖6 應(yīng)變自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

圖7 應(yīng)變自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行界面

圖8 變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

圖9 變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行界面

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

杭州國(guó)際博覽中心工程，占地面積19萬m2，總建筑面積約85萬m2。鋼結(jié)構(gòu)總量約為14萬t，鋼構(gòu)件總數(shù)量約6.2萬件。

本工程鋼結(jié)構(gòu)主要分布于44m標(biāo)高以下及上蓋物業(yè)塔樓、會(huì)議會(huì)展、城市會(huì)客廳、屋蓋等八個(gè)區(qū)域； 其中上蓋物業(yè)塔樓主要為勁性結(jié)構(gòu)，會(huì)議會(huì)展總體上由鋼管混凝土柱(地下室為勁性鋼柱、地上為鋼管混凝土柱)、鋼梁(H型鋼梁、箱型梁)、鋼桁架結(jié)構(gòu)、鋼筋桁架樓承板等組成，屋面由城市客廳球殼、屋面飄帶網(wǎng)架及屋頂花園等部分組成，鋼結(jié)構(gòu)分布如圖10所示。本文選取城市客廳球殼監(jiān)測(cè)為例進(jìn)行介紹。

圖10 鋼結(jié)構(gòu)分布圖

城市客廳球殼結(jié)構(gòu)形式為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，球半徑為29.625m，支承于主體結(jié)構(gòu)的44m標(biāo)高樓面，安裝最高點(diǎn)標(biāo)高為85.625m。在標(biāo)高75.043m以上為扇形三向網(wǎng)格型球面網(wǎng)殼(凱威特K8型)，此標(biāo)高以下按照80等分劃分圓周，形成三角形單元組成的單層球殼。單層球殼局部因建筑需要，開有兩個(gè)洞口，單層球殼底部通過環(huán)形桁架支承于主體結(jié)構(gòu)，城市客廳單層球殼示意圖如圖11所示。

圖11 城市客廳單層球殼示意圖

2.2 應(yīng)變監(jiān)測(cè)

應(yīng)力應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)盡可能獲得結(jié)構(gòu)中受力較大、受力狀態(tài)復(fù)雜、對(duì)結(jié)構(gòu)整體承載力與穩(wěn)定性具有重要影響的部位或桿件，因此應(yīng)變傳感器的測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡可能布置在應(yīng)力較大和構(gòu)件較為集中的區(qū)域，同時(shí)考慮系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸問題，傳感器布設(shè)應(yīng)盡量集中布設(shè)，不宜過于分散，服從分塊集中的原則。

杭州國(guó)際博覽中心屋蓋球殼結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布設(shè)以施工過程結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算結(jié)果為參考，選取應(yīng)力較大的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖12為結(jié)構(gòu)施工卸載結(jié)束階段球殼應(yīng)力比分布圖，從圖中可以看出單層球殼熱點(diǎn)應(yīng)力區(qū)域主要位于結(jié)構(gòu)中心區(qū)域及八個(gè)主肋方向，綜合考慮測(cè)點(diǎn)布設(shè)因素和單層球殼的應(yīng)力熱點(diǎn)分布，由于結(jié)構(gòu)形式單軸對(duì)稱，應(yīng)力測(cè)點(diǎn)沿著對(duì)稱軸單側(cè)布置，共16個(gè)測(cè)點(diǎn)，球殼應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖13所示，采用應(yīng)變自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量。

圖12 施工完成時(shí)單層球殼應(yīng)力比分布圖

(1) (2)

(3) (4)圖13 單層球殼應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

圖14 某一測(cè)點(diǎn)應(yīng)變監(jiān)測(cè)曲線

圖14為某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變監(jiān)測(cè)曲線，由該測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)曲線可知，該區(qū)域所監(jiān)測(cè)的應(yīng)變沒有大的變化，其應(yīng)變只是隨著外界溫度變化而發(fā)生微小的變化，且此應(yīng)變變化處于60με以內(nèi)，遠(yuǎn)小于Q345的設(shè)計(jì)值，處于安全范圍之內(nèi)。

2.3 變形監(jiān)測(cè)

變形監(jiān)測(cè)，是施工中最常見的監(jiān)測(cè)內(nèi)容。變形監(jiān)測(cè)也是大跨度結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)內(nèi)容，變形測(cè)點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)服眾整體分布均勻，重點(diǎn)部位加密的原則，同時(shí)根據(jù)施工模擬結(jié)果，對(duì)變形敏感部位進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)，考察關(guān)鍵點(diǎn)的施工全過程變形發(fā)展規(guī)律。

根據(jù)實(shí)際施工過程對(duì)單層球殼豎向變形進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖15所示，施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置14個(gè)(如圖16所示)采用變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量。

圖15 施工完成時(shí)單層球殼豎向變形分布圖

圖16 單層球殼撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖(14個(gè))

測(cè)點(diǎn)20140403201404132014042410-1.20.020-2.0-2.630-0.20.0403.42.6502.21.5604.32.8700.61.180-2.7-2.290-0.80.1100-0.4-0.9110-3.1-2.4120-0.5-1.4130-2.2-2.21401.90.0

表2為球殼豎向變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，球殼卸載前為初始狀態(tài)，卸載后部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于釋放焊接應(yīng)力出現(xiàn)起拱，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)下?lián)希鋼隙茸兓^小，最大撓度為4.3mm，小于JGJ7-2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定所允許的變形，即L/400(其中L為網(wǎng)殼短向跨度)，滿足規(guī)范的要求。

3 結(jié)語

為確保鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量及施工過程安全，針對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有硬件設(shè)備，集成開發(fā)出了應(yīng)力、變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； 實(shí)施過程中根據(jù)施工過程數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置的位置，用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)科學(xué)施工； 通過在杭州國(guó)際博覽中心城市客廳球殼施工監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，表明該應(yīng)力、變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)測(cè)量精度高，可廣泛應(yīng)用于其它類似工程的施工安全監(jiān)測(cè)。

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