基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大跨度鋼桁架施工監(jiān)測(cè)

李上雄LI Shang-xiong

（廣東建科創(chuàng)新技術(shù)研究院有限公司，中山 528451）

0 引言

大跨度鋼桁架的施工過程包括結(jié)構(gòu)拼裝階段、預(yù)應(yīng)力施加階段、卸載階段以及鋼桁架滑移階段。其中預(yù)應(yīng)力施加階段以及卸載階段的結(jié)構(gòu)主體應(yīng)力、變形變化幅度較大，往往是整個(gè)施工過程中安全風(fēng)險(xiǎn)較大的環(huán)節(jié)，也是結(jié)構(gòu)成型后能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵[1]。對(duì)于工程人員來說，理解和預(yù)測(cè)鋼桁架力學(xué)參數(shù)的數(shù)據(jù)突變現(xiàn)象對(duì)于確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性具有重要意義。

針對(duì)目前大跨度鋼桁架施工監(jiān)測(cè)的需求，本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了物聯(lián)結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)將傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備匯聚至云服務(wù)器，并且數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)計(jì)算以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)均在云端實(shí)現(xiàn)，減少了現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)設(shè)備的數(shù)量。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的使用有效地克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，避免了大量電力線纜及信號(hào)線纜的敷設(shè)，具有維護(hù)成本低、施工靈活度高的優(yōu)勢(shì)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

物聯(lián)結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由傳感器數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)物聯(lián)基站、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中臺(tái)、結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)前端軟件組成。其中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在數(shù)據(jù)的采集及傳輸上扮演著重要的角色，也是本系統(tǒng)克服傳統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式缺點(diǎn)的關(guān)鍵。

1.1 傳感器數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)

傳感器數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)主要由傳感器與低功耗物聯(lián)模塊構(gòu)成，兩者可通過極短的線纜進(jìn)行連接，如圖1所示。低功耗物聯(lián)模塊又分為低功耗物聯(lián)串口模塊[2]與低功耗物聯(lián)振弦模塊[3]，可適配于市面上大多數(shù)使用RS485信號(hào)和振弦信號(hào)通訊的傳感器，并且模塊內(nèi)置的電池可通過穩(wěn)壓模塊和升壓模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的供電（電池壽命可達(dá)兩年以上）。針對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位較為分散、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境雜亂的情況，可將低功耗物聯(lián)模塊當(dāng)成單通道的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備使用，一臺(tái)傳感器搭配一臺(tái)低功耗物聯(lián)模塊進(jìn)行工作，從而實(shí)現(xiàn)便捷的分布式數(shù)據(jù)獨(dú)立采集與轉(zhuǎn)發(fā)功能，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)可通過模塊內(nèi)置的LoRa 裝置實(shí)現(xiàn)無線通訊，避免了線路集成等繁瑣工作步驟。

圖1 傳感器數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)示例

1.2 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)物聯(lián)基站

物聯(lián)基站通過LoRa 技術(shù)與低功耗物聯(lián)模塊進(jìn)行無線通訊，包括接收來自物聯(lián)模塊的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與下發(fā)模塊工作指令。LoRa 通訊技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[4]包括：①長距離傳輸，可在數(shù)公里范圍傳輸數(shù)據(jù)，適用于大規(guī)模、分散的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用；②低功耗，能夠以較低的能耗進(jìn)行長距離通信，設(shè)備的電池壽命可達(dá)數(shù)年；③大容量，能夠同時(shí)連接成千上萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，提供大容量數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。該通訊技術(shù)的優(yōu)勢(shì)使得一臺(tái)物聯(lián)基站即可覆蓋現(xiàn)場(chǎng)大量的、分散的傳感器數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，物聯(lián)基站可通過4G 或5G 信號(hào)將原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器，從而完成數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)功能。

1.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中臺(tái)與前端軟件

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中臺(tái)是一種提供數(shù)據(jù)處理、傳輸和管理服務(wù)的平臺(tái)[4]，其主要功能之一就是數(shù)據(jù)輸出，它可以將來自物聯(lián)基站的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而后將處理完畢的數(shù)據(jù)以不同的格式發(fā)送給不同的前端軟件，如web 應(yīng)用程序、移動(dòng)應(yīng)用程序或其他系統(tǒng)。通過這樣的方式，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中臺(tái)可以為不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景提供數(shù)據(jù)支持，能夠更好地利用和管理數(shù)據(jù)。

2 工程概況及測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案

2.1 工程概況

某展館上部結(jié)構(gòu)為大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)，其施工工序包括結(jié)構(gòu)拼裝、預(yù)應(yīng)力施加、卸載以及滑移四個(gè)階段。為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，鋼桁架上弦桿與下弦桿在拼裝與預(yù)應(yīng)力施加兩個(gè)施工階段設(shè)置了支撐胎架。在卸載階段，逐步拆除鋼桁架支撐構(gòu)件，而后將桁架滑移至預(yù)定位置。

鋼桁架跨徑為117m，在高空中進(jìn)行拼裝，每3 榀鋼桁架組成1 個(gè)滑移體單元，共計(jì)8 個(gè)滑移單元。鋼桁架在施加預(yù)應(yīng)力以及卸載階段的受力狀態(tài)變化較大，是需要重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的時(shí)段。其中，鋼桁架下弦桿為預(yù)應(yīng)力施加對(duì)象，而上弦桿和下弦桿同為卸載對(duì)象（拆除支撐構(gòu)件）。采用了物聯(lián)結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)大跨度鋼桁架的應(yīng)變、撓度以及所處環(huán)境溫度進(jìn)行了施工監(jiān)測(cè)。

2.2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案

由于篇幅有限，僅選取1 個(gè)滑移體單元作為施工監(jiān)測(cè)案例進(jìn)行分析，該單元由3 榀鋼桁架構(gòu)成。每榀鋼桁架各選取1 根上弦桿和1 根下弦桿作為應(yīng)變監(jiān)測(cè)對(duì)象，僅選取滑移單元中間榀鋼桁架的下弦桿作為撓度監(jiān)測(cè)對(duì)象，選取鋼桁架中央位置作為環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)對(duì)象。本次監(jiān)測(cè)參數(shù)的采集頻率設(shè)置為10 分鐘/次，所有傳感器的安裝工作在鋼桁架高空拼裝完成后進(jìn)行。（表1）

表1 某展館大跨度鋼桁架的滑移單元施工監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)匯總

2.2.1 應(yīng)變監(jiān)測(cè)

本文首先引入電機(jī)輸入電能與機(jī)器人機(jī)械能兩個(gè)能耗指標(biāo)，將這兩個(gè)指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行不同拾放軌跡的參數(shù)優(yōu)化仿真，并在樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；然后通過不同的最優(yōu)參數(shù)軌跡的數(shù)據(jù)求出能耗值，得出具有Bang-bang速度分配方式的分段多項(xiàng)式曲線為最優(yōu)拾放軌跡；最后通過不同拾放點(diǎn)與不同軌跡周期試驗(yàn)，展現(xiàn)出最優(yōu)軌跡具有空間與時(shí)間上的可重復(fù)性，對(duì)不同工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的高速拾放操作具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。本文為機(jī)器人軌跡的能耗比較提供了可參考的方法。

為保證應(yīng)變長期監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，鋼桁架應(yīng)變采用振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。振弦式應(yīng)變計(jì)可安裝在鋼結(jié)構(gòu)及其他建筑物表面，用于測(cè)量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。

2.2.2 撓度監(jiān)測(cè)

鋼桁架撓度采用壓差式靜力水準(zhǔn)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。壓差式靜力水準(zhǔn)儀利用連通管原理，經(jīng)過測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的液面高度，即可由公式計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)。

2.2.3 環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)

鋼桁架所處環(huán)境溫度采用環(huán)境溫濕度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。在設(shè)計(jì)階段，通常需要考慮鋼桁架在不同環(huán)境溫度下的變形以及受力情況，進(jìn)而采取合理的構(gòu)造方式來控制結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和撓度變化。在鋼桁架的施工階段，同樣需要考慮環(huán)境溫度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，從而采取相應(yīng)的措施來保證結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

3 結(jié)果與分析

鋼桁架高空拼裝完成后，進(jìn)行了應(yīng)變計(jì)、靜力水準(zhǔn)儀以及環(huán)境溫濕度計(jì)的安裝。根據(jù)2022 年2 月23 日至2022 年2 月27 日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別對(duì)鋼桁架預(yù)應(yīng)力施加前、預(yù)應(yīng)力施加完成后至卸載前、卸載完成后的三個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段進(jìn)行了數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。

3.1 拼裝完成至預(yù)應(yīng)力施加前

3.1.1 應(yīng)變分析

在鋼桁架高空拼裝完成后至預(yù)應(yīng)力施加前的監(jiān)測(cè)時(shí)段，鋼桁架上弦桿應(yīng)變測(cè)點(diǎn)U1、U3（U2 已損壞）以及下弦桿應(yīng)變測(cè)點(diǎn)D1、D2、D3 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保持以天為周期的規(guī)律性波動(dòng)特征，基本與同一監(jiān)測(cè)時(shí)段的環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律保持一致，如圖2 至圖4 所示。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，桁架桿件受熱膨脹，桿件的伸長導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)受拉，其拉應(yīng)變同步增大。隨著溫度的下降，桿件發(fā)生回縮，拉應(yīng)變逐漸減小。如表2 所示，在本監(jiān)測(cè)時(shí)段，上弦桿測(cè)點(diǎn)U1、U3的應(yīng)變平均值分別為-47.44uε 與-52.23uε，下弦桿測(cè)點(diǎn)D1、D2、D3 的 應(yīng) 變 平 均 值 分 別 為5.00uε、-0.52uε 與17.72uε。

表2 不同監(jiān)測(cè)時(shí)段的桿件應(yīng)變及撓度平均值比較

圖2 鋼桁架下弦桿應(yīng)變時(shí)程曲線

圖3 鋼桁架上弦桿應(yīng)變時(shí)程曲線

圖4 環(huán)境溫度時(shí)程曲線

3.1.2 撓度分析

在本監(jiān)測(cè)時(shí)段，鋼桁架下弦桿撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本保持平穩(wěn)，無明顯變化，如圖5 所示。如表2 所示，在本監(jiān)測(cè)時(shí)段，下弦桿撓度測(cè)點(diǎn)N1 的撓度平均值為0.04mm。

圖5 鋼桁架下弦桿撓度時(shí)程曲線

3.2 預(yù)應(yīng)力施加完成后至卸載前

3.2.1 應(yīng)變分析

預(yù)應(yīng)力施加的對(duì)象為鋼桁架下弦桿，預(yù)應(yīng)力施加的方式采用后張法。在鋼索逐級(jí)張拉的過程中，鋼桁架下弦桿應(yīng)變測(cè)點(diǎn)D1、D2、D3 的壓應(yīng)變顯著增大，表明此時(shí)鋼桁架下弦桿所承受的壓力增大。與預(yù)應(yīng)力施加前的應(yīng)變平均值相比，預(yù)應(yīng)力施加完成后下弦桿應(yīng)變測(cè)點(diǎn)D1、D2、D3 的壓應(yīng)變平均值分別為-219.51uε、-278.09uε、-242.91uε，分別增大了224.51uε、278.61uε、260.63uε。

3.2.2 撓度分析

與預(yù)應(yīng)力施加前相比，在本監(jiān)測(cè)時(shí)段，桁架下弦桿撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平均值為-1.17mm，并未發(fā)生明顯變化。

3.3 卸載完成后

3.3.1 應(yīng)變分析

在支撐構(gòu)件拆除的過程中（即卸載階段），鋼桁架所有應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均發(fā)生明顯變化。卸載過程中，受桿件自身重力的影響，下弦桿拉應(yīng)變逐漸增大，最后抵消了在預(yù)應(yīng)力施加階段桿件產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)變。上弦桿壓應(yīng)變?cè)谛遁d過程中受自身重力影響顯著增大。如表2 所示，卸載完成后，下弦桿應(yīng)變測(cè)點(diǎn)D1、D2、D3 的拉應(yīng)變平均值分別為63.13、60.58、126.66，上弦桿應(yīng)變測(cè)點(diǎn)U1、U3 壓應(yīng)變平均值分別為-382.45、-330.23。

3.3.2 撓度分析

在卸載過程中，受自身重力影響，鋼桁架下弦桿的下?lián)铣潭戎饾u增大。卸載完成后，撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本保持穩(wěn)定。如表2 所示，卸載完成后下弦桿撓度為-188.07mm。

由圖2、圖3 與圖5 可知，在2022 年2 月26 日12 時(shí)左右（卸載階段），下弦桿應(yīng)變值、上弦桿應(yīng)變值以及下弦桿撓度值均發(fā)生大幅度的突變，這種同步性突變現(xiàn)象表明在鋼桁架卸載過程中需充分考慮結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，以確保施工過程中結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式布線復(fù)雜、能耗較高以及施工過程中有線傳輸鏈路易損壞等缺陷，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了物聯(lián)結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)將傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無線匯聚至云服務(wù)器，數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)計(jì)算以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)均在云端實(shí)現(xiàn)，有效地克服了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，避免了大量電力線纜及信號(hào)線纜的敷設(shè)，具有維護(hù)成本低、施工靈活度高、適用業(yè)務(wù)場(chǎng)景廣的優(yōu)勢(shì)。

采用物聯(lián)結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)某展館大跨度鋼桁架的桿件應(yīng)變、撓度以及所處環(huán)境溫度進(jìn)行了施工監(jiān)測(cè)，利用該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映出不同施工階段鋼桁架的受力特征，為施工安全提供了保障。