智能監(jiān)測技術(shù)在超高層塔冠結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用*

秦天保，韓文濤，郭學(xué)衛(wèi)，滕洪園，張明濤

(1.中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064； 2.武漢襄投置業(yè)有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

國內(nèi)外已有較多對鋼結(jié)構(gòu)施工過程監(jiān)測的研究。Hampshire等基于結(jié)構(gòu)工程、傳感器、信號處理和控制綜合系統(tǒng)，研究監(jiān)測鋼結(jié)構(gòu)性能的分布式光纖傳感器。鮑廣鑒等基于廣州新白云國際機(jī)場航站樓鋼結(jié)構(gòu)整體滑移技術(shù)，提出管桁架系統(tǒng)設(shè)置及實(shí)施等關(guān)鍵技術(shù)。在監(jiān)測傳感器、施工監(jiān)測模擬分析、滑移施工技術(shù)及監(jiān)測軟件開發(fā)等研究中做出諸多成果，但對超高層塔冠大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過程監(jiān)測方法的研究相對較少，對滑移模擬分析與實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析較少。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，國內(nèi)對智能監(jiān)測系統(tǒng)的研究相對較少，現(xiàn)有監(jiān)測儀器多借鑒國外傳感器技術(shù)研制開發(fā)。同時(shí)，不同監(jiān)測技術(shù)采用的數(shù)據(jù)庫格式不同，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此，監(jiān)測儀器的適用性受到較大限制。智能監(jiān)測系統(tǒng)亟待解決的技術(shù)問題如下：①缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，需建立通用的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議；②當(dāng)前無線監(jiān)測儀器的耐久度、信號傳輸、能源供應(yīng)等問題給監(jiān)測工作帶來困難，增加監(jiān)測項(xiàng)目成本，制約監(jiān)測技術(shù)推廣，需改進(jìn)傳感器；③現(xiàn)有智能監(jiān)測系統(tǒng)在遠(yuǎn)程監(jiān)控中應(yīng)用不多，可預(yù)見該技術(shù)是未來發(fā)展趨勢，需完善無線監(jiān)測技術(shù)。因此，研究智能有效的監(jiān)測方案及技術(shù)手段是當(dāng)務(wù)之急，也是智能監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

本文對復(fù)雜大跨空間鋼結(jié)構(gòu)施工滑移的智能監(jiān)測方法進(jìn)行研究，結(jié)合襄陽大廈塔冠鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目施工階段監(jiān)測過程，提出適用于超高層大跨復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)塔冠施工的監(jiān)測方法，對比分析有限元仿真模型，開展超高層塔冠智能監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐。

1 工程概況

新建商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施項(xiàng)目(襄陽大廈)位于武漢市武昌區(qū)中北路青魚嘴。襄陽大廈總建筑面積14 836m2，其中地上58層，建筑面積10 924m2；地下4層，建筑面積39 120m2。建筑高度249.9m，女兒墻處建筑高度263.2m。平面呈三角形，主要柱網(wǎng)尺寸為9，6.5m。地上部分主要用作辦公和酒店，裙樓主要功能為宴會廳和配套措施，地下室主要為停車及設(shè)備用房。本工程54層至桁架層底標(biāo)高227.400m，頂標(biāo)高260.800m，總高度33.4m。監(jiān)測襄陽大廈54層至桁架層，即54～58層及屋頂層、屋頂設(shè)備層內(nèi)圓鋼管格構(gòu)柱及外層方鋼柱、屋頂構(gòu)架層桁架結(jié)構(gòu)外框架柱及鋼桁架等關(guān)鍵構(gòu)件截面應(yīng)力及變形情況。塔冠鋼結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 塔冠鋼結(jié)構(gòu)(單位：m)

2 結(jié)構(gòu)監(jiān)測原理

2.1 監(jiān)測步驟

整個(gè)塔冠結(jié)構(gòu)監(jiān)測過程分步驟進(jìn)行：編制監(jiān)測方案→安裝應(yīng)力計(jì)及其他設(shè)備→設(shè)備功能調(diào)試→云平臺智能數(shù)據(jù)采集與初步處理→系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析→成果報(bào)告總結(jié)。

2.2 傳感器及應(yīng)力計(jì)原理

采用不銹鋼式焊接型應(yīng)力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集(見圖2)。該產(chǎn)品適用于長期埋設(shè)在水工結(jié)構(gòu)物、其他混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)或鋼結(jié)構(gòu)受荷載作用下，測量結(jié)構(gòu)物內(nèi)、外部的應(yīng)變量，具有高防水性能、通用性好、長期監(jiān)測穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢，確保數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

圖2 應(yīng)力計(jì)

2.3 應(yīng)變計(jì)原理

表面應(yīng)變計(jì)主要用于鋼結(jié)構(gòu)表面，也可用于混凝土表面。表面應(yīng)變計(jì)由2塊安裝鋼支座、微振線圈、電纜組件和應(yīng)變桿組成，微振線圈可從應(yīng)變桿卸下，增加可變度，使傳感器安裝、維護(hù)更方便，并且可調(diào)節(jié)測量范圍(標(biāo)距)。安裝時(shí)使用定位托架，用電弧焊將兩端的安裝鋼支座焊(或安裝)在待測結(jié)構(gòu)表面。表面應(yīng)變計(jì)的特點(diǎn)在于安裝快捷，可在測試開始前安裝，避免前期施工造成損壞。

現(xiàn)場原始數(shù)據(jù)通過監(jiān)測監(jiān)管云平臺及時(shí)推送給相關(guān)單位管理人員和技術(shù)人員，可及時(shí)掌握工程安全信息。

除記錄傳感器編號和對應(yīng)測試頻率外,原始數(shù)據(jù)還能時(shí)刻反映施工環(huán)境和現(xiàn)場信息。

測試數(shù)據(jù)處理如下：

(1)

3 監(jiān)測點(diǎn)位布置

本項(xiàng)目監(jiān)測的主要內(nèi)容為主體鋼結(jié)構(gòu)及大跨度鋼桁架施工過程。結(jié)合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的傳感器布置方法、評價(jià)準(zhǔn)則、監(jiān)測內(nèi)容，包含位移監(jiān)測和應(yīng)變監(jiān)測，最終根據(jù)超大塔冠施工結(jié)構(gòu)特性科學(xué)布設(shè)測點(diǎn)。

3.1 位移監(jiān)測布點(diǎn)

位移監(jiān)測布點(diǎn)的主要原則是測量各控制點(diǎn)空間三維坐標(biāo)(或豎向變形)，防止在鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程中出現(xiàn)與理論值相差較大的變形。目的是通過測量各監(jiān)測點(diǎn)，得出各監(jiān)測點(diǎn)吊裝后實(shí)測坐標(biāo)或位移，并對比控制值，得出結(jié)構(gòu)在各工況下的位移變化：①54層至設(shè)備層 測點(diǎn)布置在外柱立柱頂部，共36個(gè)測點(diǎn)，編號為C1～C36；②屋頂構(gòu)架層 測點(diǎn)布置在柱頂、桁架底，共33個(gè)測點(diǎn)，編號為C37～C69。由于鋼結(jié)構(gòu)受溫度影響很大，因此監(jiān)測過程考慮溫度變化對監(jiān)測點(diǎn)的影響，而測試時(shí)避開溫度變化較大的時(shí)間段。

塔冠桁架位移監(jiān)測點(diǎn)位布置如圖3所示。

圖3 塔冠桁架位移監(jiān)測點(diǎn)位布置

3.2 應(yīng)變(應(yīng)力)監(jiān)測布點(diǎn)

應(yīng)變監(jiān)測布點(diǎn)原則是主體鋼結(jié)構(gòu)及屋頂大跨鋼桁架施工模擬計(jì)算結(jié)果中應(yīng)力較大的節(jié)點(diǎn)、弦桿等，通過監(jiān)測最不利位置應(yīng)變，使結(jié)構(gòu)施工完成后性能符合理論設(shè)計(jì)值。應(yīng)力監(jiān)測布置應(yīng)遵循以下原則：①使用階段應(yīng)力比較高的桿件；②施工階段中內(nèi)力變化較大、內(nèi)力重分布明顯的桿件；③弦桿溫度應(yīng)力較大的桿件。54層至頂層外層方鋼柱結(jié)構(gòu)測點(diǎn)布置在柱頂，測點(diǎn)共9×8=72個(gè)，編號為N1～N72；桁架層測點(diǎn)布置在環(huán)形桁架梁(桁架頂、桁架底、桁架腹桿)，測點(diǎn)共12×3=36個(gè)，編號為N73～N108。

應(yīng)變監(jiān)測工況和位移監(jiān)測工況相似，對連體結(jié)構(gòu)從地面組裝、空中提升到空中拼裝的應(yīng)變監(jiān)測分為施工階段應(yīng)變監(jiān)測和使用階段應(yīng)變監(jiān)測。

4 結(jié)構(gòu)監(jiān)測方案

4.1 應(yīng)力監(jiān)測

從施工階段到使用階段全過程進(jìn)行觀測，適時(shí)采集應(yīng)力數(shù)值，并根據(jù)需要可選擇性地連續(xù)觀測全天應(yīng)力，觀測1d內(nèi)桿件的應(yīng)力變化情況。各桿件應(yīng)力傳感器分別匯集編號，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多測點(diǎn)應(yīng)力自動(dòng)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控，應(yīng)及時(shí)整理每天(次)的觀測數(shù)據(jù)。

4.2 溫度監(jiān)測

應(yīng)力監(jiān)測采用YL-BSG應(yīng)變計(jì)，內(nèi)置測溫功能，同步測試溫度。

4.3 變形監(jiān)測

在監(jiān)測點(diǎn)處粘貼萊卡反光十字標(biāo)記，并現(xiàn)場安置3個(gè)觀測基準(zhǔn)點(diǎn)，與位移監(jiān)測點(diǎn)一起建立變形監(jiān)測網(wǎng)，采用全站儀進(jìn)行觀測。卸載前進(jìn)行對比試驗(yàn)，在不同時(shí)段進(jìn)行測量，從而驗(yàn)證變形監(jiān)測網(wǎng)的可靠性，并檢驗(yàn)測量精度。監(jiān)測所用儀器包括振弦式傳感器、全站儀、信號采集儀、水準(zhǔn)儀。

位移、應(yīng)力/應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)的選取至關(guān)重要，根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)方案，選取并埋設(shè)位移監(jiān)測點(diǎn)69個(gè)，應(yīng)力/應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)108個(gè)，通過以上監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測鋼網(wǎng)架及罩棚空中拼裝的全施工過程。位移監(jiān)測累計(jì)10次，應(yīng)力/應(yīng)變監(jiān)測累計(jì)64次。

5 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

5.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)監(jiān)測塔冠鋼構(gòu)柱施工過程應(yīng)力/應(yīng)變觀測點(diǎn)(72個(gè))，由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，截至9月22日塔冠柱累計(jì)最大應(yīng)變量為-140.3με(測點(diǎn)6)，累計(jì)最小應(yīng)變量為-58.1με(測點(diǎn)71)，整個(gè)施工過程中塔冠鋼構(gòu)柱相對穩(wěn)定。

對塔冠鋼結(jié)構(gòu)260.650m標(biāo)高桁架施工過程應(yīng)力/應(yīng)變36個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，累計(jì)最大應(yīng)變量為512.9με(測點(diǎn)74)，累計(jì)最小應(yīng)變量為-498.6με(測點(diǎn)77)，整個(gè)施工過程桁架結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。

對塔冠鋼結(jié)構(gòu)施工過程33個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，塔冠桁架鋼結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)異常位移情況，無明顯變化。其中構(gòu)件1最大撓度為14.6mm，構(gòu)件7最大撓度為3.6mm。由此可見塔冠鋼結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)較大位移變化，整個(gè)施工過程塔冠桁架結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。

5.2 大跨度鋼桁架仿真模擬分析

利用SAP2000軟件對塔冠層進(jìn)行建模，模擬分析施工工況。完成屋面鋼桁架安裝，各方檢測驗(yàn)收合格后卸載胎架。胎架卸載完成后塔冠鋼桁架模擬結(jié)果如圖4所示。通過仿真模型可以看出，三角區(qū)域C6號監(jiān)測點(diǎn)位移最大。胎架卸載后最大位移值為88mm，位于3道GHJ3交界處三角區(qū)域內(nèi)。外圍區(qū)域C42號監(jiān)測點(diǎn)位移最大，為75mm，位于GHJ1/GHJ6交界處。C6，C42號測點(diǎn)的實(shí)際變形值與仿真模擬分析值對比結(jié)果如圖5所示。

圖4 胎架卸載后鋼桁架仿真模擬(單位：MPa)

圖5 實(shí)際監(jiān)測位移變形值與仿真模擬分析值對比

結(jié)合理論分析與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果，塔冠鋼桁架未出現(xiàn)異常位移情況，無明顯變化。其中C6號測點(diǎn)最大位移為14.6mm，C42號測點(diǎn)最大位移為7.9mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)過程中的仿真模擬分析安全值。由此可見，塔冠鋼結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)較大位移，整個(gè)施工過程塔冠桁架結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

6 結(jié)語

通過選擇合適的傳感器、科學(xué)布置監(jiān)測點(diǎn)、智能化采集處理數(shù)據(jù)，同理論仿真模擬相結(jié)合，保證了結(jié)構(gòu)施工安全，控制施工質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)精度。本文介紹的智能監(jiān)測技術(shù)在超高層塔冠結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，對鋼結(jié)構(gòu)塔冠及相似結(jié)構(gòu)的塔冠施工或研究起一定借鑒作用。此項(xiàng)智能監(jiān)測技術(shù)在儀器采用以及數(shù)據(jù)庫的兼容性方面，需要找到更標(biāo)準(zhǔn)、更統(tǒng)一的監(jiān)測硬件和軟件。