钢结构工程钢桁架提升监测

　　一、概况

　　本项目为钢结构综合展馆，总建筑面积68599平方米，其中地下建筑面积31748平方米，车库部分地下3层，典藏库为地下1层；地上建筑面积36851平方米，共6层。展馆钢结构主要包括地下室劲性钢骨结构、一至五层钢框架结构、六至屋面层悬挑钢桁架结构、月牙结构，建筑结构最高点为39.400米，钢结构约12650吨。施工内容包括：钢柱（十字柱、钢管柱、箱型柱及异型柱）、柱间支撑、钢梁(H型梁、箱型梁）、水平支撑、钢桁架、月牙结构、钢筋桁架楼承板、预埋件等。其中钢桁架为组合桁架，最大高度为8.800米，最大长度为128.600米，最大悬挑为58.450米，最大截面为1000*500*50*50。

　　二、监测目的

　　本建筑结构体系受力复杂，建造周期长，施工工况多，加上结构本身的投资大，结构的重要性极高。因此，对这样一座重要性极高的建筑，非常有必要建立一个监测系统，对施工过程进行实时跟踪监测。其目的是为了保证施工过程的顺利进行，确保结构或构件不至于在施工过程中出现过度的变形或破坏，使结构在施工完毕后能够达到设计要求。监测的主要对象是结构或构件的应力，并随时根据对结构或构件的应力监测结果进行分析，调整施工过程中的相关环节，具体目的如下：

　　（1）通过施工期间对结构的监测，以保证结构在施工期间的安全与施工质量控制。

　　（2）依据监测数据，全面掌握结构实际受力变形状态与设计的符合情况，为结构竣工验收提供重要技术依据。

　　三、监测依据

　　（1）《钢结构工程施工质量验收标准》GB 50205-2020；

　　（2）《建筑变形测量规范》JGJ 8-2016；

　　（3）《建筑与桥梁结构监测技术规范》GB 50982-2014；

　　（4）《结构健康监测系统设计标准》CECS 333：2012；

　　（5）委托方提供的设计图纸、施工方案等技术资料。

　　四、监测范围和内容

　　4.1监测范围

　　展馆外悬挑钢桁架，跨度约60m，且属于超过1000KN以上整体提升施工工艺。根据住房城乡建设部办公厅《关于实施危险性较大的分部分项工程安全管理规定有关问题的通知》（建办质[2018]31号）要求，此项为超过一定规模的危险性较大的分部分项工程。

　　本项目的监测对象为展馆外悬挑钢桁架整体提升施工区域。

　　4.2监测内容

　　展馆外桁架应力应变监测

　　五、测点布置位置及数量

　　本次应力应变监测主要布设在钢桁架的关键位置、大跨度钢梁的关键位置。

　　钢桁架下弦杆共设置应变监测点30点。

　　六、监测仪器设备

　　6.1应变传感器

　　本次应变监测采用BSIL-ST2振弦式应变计。BSIL-ST2应变计用于安装在钢结构及其它建筑物表面，测量结构的应变。仪器与钢结构的温度膨胀系数相同，与混凝土的温度膨胀系数也非常接近。所以很少需要温度修正。需要时，内置的温度传感器可同时监测安装位置的温度。该仪器为采用不锈钢制造的振弦式应变计，具有很高的精度和灵敏度、卓越的防水性能、耐腐蚀性和长期稳定性。仪器由专用的四芯屏蔽电缆传输频率和温度电阻信号，频率信号不受电缆长度的影响。仪器适合在恶劣的环境下长期监测建（构）筑物的应变变化。

　　BSIL-ST2应变计在钢结构上安装时，采用焊接安装块的方式。传感器体不能通过焊接电流，否则将造成传感器的损坏。因此，传感器的安装应在焊接工作全部完成后进行。可利用一个根据仪器尺寸制作的安装杆定位和焊接安装块（安装杆可使用外径φ12mm的钢筋制作或车削，要求长度不低于160mm，外表通直光滑）。安装块是成对提供的，其中带有锥尖固定螺钉，焊接表面应清理干净，焊接时应避免过热，不能焊接平直端面，否则将影响仪器的拆装。焊接完成后，使用适当方法对安装块降温并去除焊渣，并检查调整两端块是否同心。拆下安装杆，安装仪器。如图所示，穿入应变杆，套上线圈并固定卡箍。将线圈卡在应变计中部，将卡箍套在线圈上拧紧。先将应变计有V型槽的一端用螺钉固定，调节另一端使之达到预期的初始读数，最后用螺丝固定。通过对钢结构的应变进行监测，可以随时换算为钢结构的应力。

　　6.2智能数据采集箱

　　监测现场将所有的传感器接入智能数据采集箱，可以远程实现对监测点的自动监测控制，如启动或中止监测，设置监测频率，将监测数据上传至远程服务器等。

　　智能数据采集箱的主要参数如下：

　　◆设备工作电压：3.2～4.2V

　　◆设备充电电压：7V～24V

　　◆设备充电电流：1.2～1.5A

　　◆传感器采集输出电流：500mA

　　◆设备待机电流（DTU开启）：80～200mA，（DTU关闭）：4～5mA

　　◆设备休眠电流：5～10uA

　　◆通道数：16、32和48通道（根据需要定制）

　　◆储存条数：4096

　　◆存储空间：256KB

　　◆采集时间（视不同传感器而定）：3秒◆采集间隔：60秒

　　◆待机时间（容量为32Ah一次性电池，采集频率一天一次）：1年

　　◆工作环境：-15～55℃，5%～95%RH(无凝露)

　　七、自动化监测系统平台

　　本项目采用先进的自动化监测系统。

　　7.1监测系统的架构

　　自动化监测系统，主要由四大部分组成：

　　（1）感知系统：即各类传感器，主要包括环境监测传感器、变形监测传感

　　器、应力应变传感器、荷载监测传感器等。

　　（2）数据采集系统：即数据采集控制单元，有一定的内存，并能安装控制

　　软件，对传感器的工作方式进行控制，接收云端远程控制信号。不同类别的传感

　　器一般对应不同型号的采集控制单元。

　　（3）数据传输系统：通过无线或有线等各种传输方式，将采集到的监测数

　　据上传至云端服务器。

　　（4）控制分析系统：在云端服务器上，可以对监测数据进行计算、处理和

　　分析。监测成果可以通过网页、手机APP、短信等多种方式分发至指定客户。

　　7.2监测平台的主要功能

　　（1）创建工程项目

　　对于每一个新项目，需要在平台创建工程项目，即生成项目路径，并填入项

　　目名称、项目地址、监测起止时间等基本信息。平台可实时显示相应信息。

　　（2）配置传感器

　　项目创建完成后，根据项目的实际采用传感器的情况，配置具体的传感器类

　　别、编号、型号等相关参数。

　　（3）测点管理

　　传感器配置完毕后，可对传感器进行测点管理，将多个传感器归纳到对应的

　　测点分组内，方便后期管理与查找。

　　（4）查看数据

　　可以查看后台存储的各类监测数据。并可以将相关数据导出，生成图表、报

　　表等。

　　（5）可视化展示

　　八、监测频率及现场监测

　　由于本项目采用自动化监测系统，可以实现连续在线实时监测功能。

　　本次施工过程监测频率如下：

　　一般阶段：1次/2小时

　　提升过程：1次/15分钟

　　九、监测报警值

　　十、主要施工节点

　　十一、监测数据分析

　　11.1首次提升及静置阶段监测

　　钢桁架GHJ-1～GHJ-8在首次提升及静置阶段应力变化曲线。

　　2022.1.12·11：00～2022.1.12·17：00为脱离胎架阶段，2022.1.12·17：

　　00～2022.1.12·21：00为首次提升阶段，2022.1.12·21：00～2022.1.13·07：

　　00为悬空静置阶段。

　　由图可见，钢结构脱离胎架期间，由于结构应力重新分布，监测点应力缓慢

　　增大。提升期间随着液压油缸压力的加大，钢结构应力也逐渐增大，直至钢结构

　　下底面完全脱离胎架后，监测点应力基本达到稳定值，应力最大点为Y7，最大

　　应力值25.8MPa（报警值为80MPa）。提升前期，监测点应力处于可控状态，无突变情况。此外，在首次提升后的静置阶段，由图可见各监测点应力基本无变化，曲线非常平稳。本阶段现场施工进展顺利，巡视检查钢结构未发现异常情况。

　　11.2连续提升阶段监测

　　由图中可以看出，曲线变化较为平缓，钢结构连续提升期间，监测点应力变

　　化非常小，基本处于稳定状态。在气温较高的中、下午时段，钢结构应力稍大，

　　其后又恢复至之前状态。本阶段应力最大点Y7，最大应力26.8MPa（报警值为

　　80MPa）。

　　本阶段钢结构连续提升，提升工作平稳有序，巡视检查钢结构未发现异常情

　　况。

　　11.3.提升完成后焊接阶段监测

　　钢桁架GHJ-1～GHJ-8在提升完成后的焊接阶段应力变化曲线。

　　从图中可以看出，钢结构提升完成后焊接期间，监测点应力由于受结构应力重新分布、温度影响等原因，局部出现波动但是波动幅度较小（约为5MPa）,整体未发生突变等异常情况。截至2022年1月19日8:00，应力最大点为Y2，最

　　大应力值为25.6MPa（报警值为80 MPa）。本阶段为钢结构内、外桁架的对接焊接，现场各项工作进展正常，巡视检查

　　钢结构未发现异常情况，整个施工过程进展顺利。

　　十二、结语

　　本次监测过程中，我方按照委托方的要求，根据施工进度需要，提前安装了监测设备，钢结构提升施工过程中现场提供了跟踪式监测服务。在整个监测过程中，监测设备运行正常，各监测点数据均未达到监测报警值，监测过程未发现数据异常，施工过程进展顺利。本次监测工作的开展得到了本工程建设单位、监理、施工等各方现场人员的大力支持和积极配合，在此致以诚挚的谢意。