大跨度非對(duì)稱空間異形曲面鋼桁架結(jié)構(gòu)施工新技術(shù)與智慧云監(jiān)測研究

蘇 杭 王靜峰，2，* 曹 晗 張 榮 于向濤

（1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009；2.安徽省先進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心，合肥 230009；3.中鐵四局集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)建筑有限公司，合肥 230022.）

0 引言

大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形式之一，具有跨度大、承載重、造型新穎、施工快捷等特點(diǎn)，在博物館、航站樓、會(huì)展中心、體育場館中應(yīng)用較多，例如中國國家博物館［1］、甘肅省體育館［2］等。由于體育館等大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑對(duì)外觀要求高，經(jīng)常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)形態(tài)多變，受力復(fù)雜，因此選用科學(xué)合理的施工技術(shù)和監(jiān)控方法是保證結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵因素。目前，針對(duì)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的常用施工方法有分條分塊吊裝法［3］、高空散裝法［4］、高空滑移法［5］、整體提升法［6］等。分條分塊吊裝法基本可實(shí)現(xiàn)各種鋼構(gòu)件的吊裝工作，但其機(jī)械臺(tái)班費(fèi)較高，不利于流水施工。高空散裝法可適應(yīng)起重條件較差或運(yùn)輸困難的山區(qū)等地區(qū)，但該方法需搭設(shè)大量腳手架，高空作業(yè)量大，施工速度較慢。高空滑移法可用于現(xiàn)場狹窄的施工場地，也適用于跨越施工，但針對(duì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的異形結(jié)構(gòu)，該方法較難發(fā)揮其優(yōu)勢。整體提升法將結(jié)構(gòu)在地面或平臺(tái)上拼裝完畢，施工質(zhì)量和精度較高，雖然該方法施工難度較高，但易于保證焊接質(zhì)量和幾何尺寸的準(zhǔn)確性。

常用結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)主要包括有線監(jiān)測、無線監(jiān)測和智慧云監(jiān)測等。其中有線監(jiān)測實(shí)施簡單且成熟，但其一般僅適用于局部或小范圍的監(jiān)測，且無法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。無線監(jiān)測擺脫了數(shù)據(jù)線的限制，實(shí)施也相對(duì)簡單，但該方法由于監(jiān)測設(shè)備和系統(tǒng)的局限性，數(shù)據(jù)反饋周期較長，僅能在現(xiàn)場一定范圍內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測。智慧云平臺(tái)監(jiān)測技術(shù)操作與實(shí)施雖相對(duì)繁瑣，但其數(shù)據(jù)反饋周期較短，可滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測的要求，并且該方法運(yùn)用GPRS進(jìn)行信號(hào)傳輸，運(yùn)用TPC/IP、UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)可在全國任意地點(diǎn)進(jìn)行收集。

六安體育中心體育館屋蓋結(jié)構(gòu)采用非對(duì)稱空間異形曲面鋼桁架結(jié)構(gòu)，最大跨度89.7 m，結(jié)構(gòu)跨度大，結(jié)構(gòu)非對(duì)稱且施工精度要求較高；針對(duì)其結(jié)構(gòu)與施工特點(diǎn)，本工程采用“館內(nèi)多點(diǎn)不對(duì)稱整體同步控制提升、館外分段吊裝”的施工新方法；為了保證施工安全，本項(xiàng)目采用智慧云平臺(tái)海量數(shù)據(jù)處理與實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1 工程概況

六安體育中心以“茶韻古今”作為其設(shè)計(jì)理念，形似中國十大茶品“六安瓜片”。體育中心包括一個(gè)30 000人座位的體育場、一個(gè)6 000人座位的體育館、一所能容納500名師生的體育學(xué)校以及室外綜合配套設(shè)施。體育中心總用地面積約375畝，建筑用地面積249 958 m2，總建筑面積81 538 m2?？傮w鳥瞰平面布置見圖1。

圖1 六安體育中心體育館Fig.1 Liuan Sports cente

體育館建筑面積23 780 m2，結(jié)構(gòu)層數(shù)為地上三層，建筑高度32 m。體育館上部的屋蓋系統(tǒng)為縱橫向非對(duì)稱異形曲面鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，覆蓋面積17 000 m2，總重量約2250 t。屋蓋結(jié)構(gòu)南北向最大跨度77.1 m，東西向最大跨度89.7 m；跨中桁高3.5 m，最高位置標(biāo)高28.3 m。內(nèi)部混凝土柱頂設(shè)滑動(dòng)鉸支座，外圍設(shè)傾斜鋼柱用以支撐屋蓋。六安體育中心體育館結(jié)構(gòu)三維模型見圖2。

圖2 體育館結(jié)構(gòu)三維模型圖Fig.2 3D model of gymnasium structure

2 體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工重難點(diǎn)

六安體育中心體育館采用大跨度非對(duì)稱空間異形曲面鋼桁架結(jié)構(gòu)，通過對(duì)結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析，施工中將會(huì)有以下重點(diǎn)和難點(diǎn)需要解決。

3 體育館施工新技術(shù)

為解決施工中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，本項(xiàng)目采用“館內(nèi)多點(diǎn)不對(duì)稱整體同步控制提升、館外分段吊裝”的施工新技術(shù)進(jìn)行施工。整個(gè)提升過程中采用智慧云平臺(tái)海量數(shù)據(jù)處理與實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為施工提供安全保障。

從屋蓋的館內(nèi)拼裝、館內(nèi)提升、館外懸拼再到屋蓋的最終卸載，整個(gè)施工流程可大致分為15個(gè)工況。體育館鋼結(jié)構(gòu)施工場地劃分見圖3，主要施工順序見圖4，各工況具體施工方法見表2。

表2 體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工工況Table 2 The construction method of steel structure roof of gymnasium

圖4 體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋主要施工順序Fig.4 Main sequence of steel roof of gymnasium

表1 施工重點(diǎn)難點(diǎn)Table 1 Key points and difficulties in construction

圖3 體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工區(qū)域劃分Fig.3 Construction area division of steel structure roof of gymnasium

4 體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工全過程仿真模擬

為保證施工全過程的安全，采用有限元分析軟件MIDAS對(duì)六安市體育中心體育館鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了施工全過程仿真模擬，得到鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的應(yīng)力與豎向位移。

計(jì)算模型共有2 195個(gè)節(jié)點(diǎn)、5 288個(gè)單元，其中244個(gè)桁架單元、5 044個(gè)梁單元，屋蓋桿件兩端均采用鉸接。材料采用Q345鋼材，有38個(gè)不同截面的鋼構(gòu)件組成，所有截面鋼材厚度均大于16 mm，小于或等于40 mm。模型中考慮到恒荷載、施工荷載和溫度荷載，其中施工荷載（包括節(jié)點(diǎn)加勁及結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)等）取值0.15G（自重）。內(nèi)部鋼筋混凝土柱頂采用一般彈性支承模擬滑動(dòng)支座；外部鋼斜柱底部固接，上部采用剛性連接。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）［7］的規(guī)定滿足如下要求：①鋼構(gòu)件的應(yīng)力限值為295 MPa；②鋼屋蓋受彎構(gòu)件的撓度容許值為L/400。

鋼結(jié)構(gòu)屋蓋重要施工工況應(yīng)力見圖6，豎向位移見圖7。整個(gè)施工過程中桿件應(yīng)力最大值為99.22 MPa（正、負(fù)代表拉、壓），遠(yuǎn)小于295 MPa。桿件及節(jié)點(diǎn)的最大變形值為-49.96 mm（正負(fù)代表Z軸正負(fù)方向），均滿足規(guī)范要求。結(jié)果表明，體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋所采用的施工方法安全合理。

圖6 體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋主要施工工況應(yīng)力狀況Fig.6 Stress condition of main construction conditions of steel roof of gymnasium

圖7 體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋主要施工工況豎向位移狀況Fig.7 Vertical deformation of main construction conditions of steel roof of gymnasium

5 體育館智慧云監(jiān)測

5.1 云計(jì)算與智慧監(jiān)測云平臺(tái)

云計(jì)算是一種虛擬化的技術(shù)服務(wù)，用以滿足用戶的運(yùn)算、儲(chǔ)存等多種需求。云平臺(tái)也即以云計(jì)算為依托，基于硬件資源和軟件資源的一種提供計(jì)算、存儲(chǔ)等功能的服務(wù)［12］，云平臺(tái)的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從“Client/Server”向“Browser/Server”的轉(zhuǎn)變［12］。

工程智慧云監(jiān)測平臺(tái)是結(jié)合力學(xué)等建筑學(xué)科開發(fā)的一種工程服務(wù)平臺(tái)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)可分為三個(gè)層面：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理儲(chǔ)存層和用戶終端層。平臺(tái)主要運(yùn)用TPC/IP、UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過WebService、WebSocket等接口與APP和PC聯(lián)接。平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，為施工安全提供強(qiáng)有力的保障。

圖5 有限元分析模型Fig.5 Finite element model

5.2 智慧云監(jiān)測設(shè)備與原理

智慧云監(jiān)測設(shè)備主要指完成監(jiān)測所需的硬件設(shè)施，包括傳感器、數(shù)據(jù)采集與收發(fā)設(shè)備。本節(jié)將結(jié)合體育館的實(shí)際工程對(duì)設(shè)備與原理進(jìn)行分析說明。

5.2.1 傳感器原理及安裝

六安體育中心體育館項(xiàng)目主要對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變與變形進(jìn)行監(jiān)測，項(xiàng)目中變形采用掃描機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)控，應(yīng)力方面采用應(yīng)變傳感器進(jìn)行監(jiān)測。

建筑工程中較為成熟的應(yīng)變傳感器有電阻式應(yīng)變計(jì)和鋼弦式應(yīng)變計(jì)兩種。電阻式應(yīng)變計(jì)常用于短期的結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測，鋼弦式應(yīng)變計(jì)一般用于長期的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量。電阻應(yīng)變計(jì)是以變形與電阻的轉(zhuǎn)換為原理，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行測量。鋼弦式應(yīng)變計(jì)是以變形與鋼弦張力的轉(zhuǎn)化為原理，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行測量，當(dāng)被測結(jié)構(gòu)物發(fā)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變計(jì)左右端座產(chǎn)生相對(duì)位移并傳遞給鋼弦，使鋼弦受力發(fā)生變化，從而改變鋼弦的固有頻率；測量儀器輸出脈沖信號(hào)通過線圈激振鋼弦并檢測出線圈所感應(yīng)信號(hào)的頻率，經(jīng)儀器及云平臺(tái)換算得到被測結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力應(yīng)變量［13］。

圖8 智慧云監(jiān)測平臺(tái)結(jié)構(gòu)與聯(lián)系Fig.8 Structure and connection of smart cloud monitoring platform

圖9 智慧監(jiān)測云平臺(tái)系統(tǒng)功能Fig.9 Function of smart cloud monitoring platform

應(yīng)變計(jì)安裝方面，本項(xiàng)目應(yīng)變計(jì)采用點(diǎn)焊與云石膠相結(jié)合的方式與結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接；安裝順序方面，本項(xiàng)目館內(nèi)屋蓋采用先分塊拼裝再整體提升的形式，應(yīng)變計(jì)的安裝及測點(diǎn)的布置順序跟隨屋蓋桁架的拼裝從東向西進(jìn)行；安裝后對(duì)設(shè)備及時(shí)進(jìn)行保護(hù)與調(diào)試，避免后續(xù)施工破壞設(shè)備，以保證監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

5.2.2 綜合采集設(shè)備與收發(fā)原理

數(shù)據(jù)采集與收發(fā)設(shè)備包括高速通用采集模塊和DTU網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。高速通用采集模塊是一種自動(dòng)搜索、自動(dòng)巡檢的信息采集設(shè)備，可以同時(shí)接入多個(gè)智能鋼弦式應(yīng)變計(jì)、電感調(diào)頻及半導(dǎo)體溫度傳感器等設(shè)備。DTU網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊是一種利用CMNET網(wǎng)絡(luò)達(dá)到遠(yuǎn)程傳輸信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，將其與高速通用采集模塊連接，可以實(shí)現(xiàn)傳輸傳感器數(shù)據(jù)至云平臺(tái)的目的。

傳感器常用傳輸協(xié)議以RS232和RS485為主。傳感器數(shù)據(jù)在進(jìn)行無線傳輸時(shí)，需要將RS232/485/422通過轉(zhuǎn)換器（又稱無線數(shù)據(jù)傳終端、工業(yè)無線網(wǎng)卡、工業(yè)手機(jī)、GPRS調(diào)制解調(diào)器）［15］轉(zhuǎn)換為GPRS數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。由于GPRS的成熟化與基站的普及，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)較快且跨地區(qū)的傳輸。本項(xiàng)目中即由高速通用采集模塊以及DTU網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊來實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)采集頻率方面，設(shè)備及系統(tǒng)支持自定義設(shè)置，最短可設(shè)定為5s/次，可根據(jù)施工階段的長短及關(guān)鍵性調(diào)整采集頻率，但如果測點(diǎn)較多采集周期則會(huì)適當(dāng)延長。

5.3 監(jiān)測點(diǎn)布置

本工程館內(nèi)提升區(qū)中部設(shè)置8個(gè)提升點(diǎn)，依次分布在⑦軸、⑨軸、12軸、14軸和?軸、?軸六榀主桁架的交點(diǎn)上，具體提升位置在桁架上弦的吊耳處。通過MIDAS計(jì)算模擬，算出應(yīng)力較大的桿主要分布在⑦、⑨、12、14、?、?軸線的桁架上，因此根據(jù)桿件的受力情況，將應(yīng)變測點(diǎn)布置在應(yīng)力較大的桿件上，共布置28個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)具體布置見圖10。

圖10 應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.10 Layout of stress monitoring point

變形方面，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的變形測點(diǎn)根據(jù)監(jiān)測方案并結(jié)合施工現(xiàn)場情況進(jìn)行布置，在屋蓋上變形最不利位置（根據(jù)MIDAS計(jì)算模擬確定最不利位置）布置反光貼，主要布置在⑩軸、11軸、?軸和G軸四榀主桁架上。在不同施工工況下分別對(duì)變形測點(diǎn)進(jìn)行觀測，以實(shí)時(shí)監(jiān)測施工過程中屋蓋桿件的變形值，確保施工過程中的安全。

圖11 變形監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.11 Layout of deformation monitoring point

6 監(jiān)測結(jié)果與仿真模擬對(duì)比分析

6.1 應(yīng)力分析

從鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的所有測點(diǎn)中選取了部分應(yīng)力測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測值和計(jì)算值的對(duì)比。橫縱兩榀框架中各選出3個(gè)測點(diǎn)（D號(hào)、12號(hào)、18號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、9號(hào)），對(duì)15個(gè)工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比情況見圖12。單位為MPa，正負(fù)代表受拉與受壓。

圖12 部分測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.12 Stress comparison

根據(jù)測點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知：

（1）整個(gè)施工過程中，應(yīng)力在工況2、工況9、工況10以及工況15時(shí)應(yīng)力變化較大，部分桿件中途伴隨著拉壓狀態(tài)的變化，其他工況下應(yīng)力變化較小。施工過程中實(shí)測值與模擬值變化趨勢基本保持一致。

（2）整個(gè)施工過程中，計(jì)算值與實(shí)測值差值幅度在±9 MPa以內(nèi)，兩者吻合程度較好。

6.2 豎向位移分析

本文選取了部分變形測點(diǎn)進(jìn)行了豎向位移實(shí)測值與計(jì)算值的對(duì)比。從橫、縱兩榀框架中各選出3個(gè)測點(diǎn)（1號(hào)、7號(hào)、15號(hào)、10號(hào)、12號(hào)、13號(hào)）進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)比情況見圖13。

圖13 部分測點(diǎn)豎向位移數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.13 Vertical displacement comparison

根據(jù)測點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知：

（1）在整體提升前，由于提升架與承重架的支撐作用，使得屋蓋變形較小，屋蓋在工況2后變形逐漸增加，在工況9、工況13和工況15時(shí)豎向位移變化較大，部分桿件中途伴隨著變形方向的轉(zhuǎn)變。施工過程中實(shí)測值與模擬值變化趨勢基本保持一致。

（2）整個(gè)施工過程中，實(shí)測值與計(jì)算值差值幅度在±10 mm以內(nèi)，兩者吻合程度較好。

7 結(jié) 論

（1）本文針對(duì)六安體育中心體育館工程特點(diǎn)和技術(shù)重難點(diǎn)制定了體育館“館內(nèi)多點(diǎn)不對(duì)稱整體同步控制提升、館外分段吊裝”的施工新技術(shù)；采用MIDAS軟件對(duì)施工全過程進(jìn)行了仿真模擬，結(jié)果表明，施工過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形均滿足規(guī)范要求，證明該施工方法安全合理。

（2）本文研發(fā)了一種針對(duì)體育館非對(duì)稱空間異形曲面鋼桁架結(jié)構(gòu)的智慧云平臺(tái)海量數(shù)據(jù)處理與實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測系統(tǒng)，在六安體育中心體育館成功應(yīng)用，監(jiān)測結(jié)果滿足規(guī)范要求；監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果趨勢相近，證實(shí)該技術(shù)合理可行，能夠保證施工的安全。