钢结构施工过程健康监测技术研究与应用

陈红萍

钢结构施工过程健康监测技术研究与应用

陈红萍

近年来，随着建筑行业的飞速发展，大型钢结构在大型公共建筑中的应用也越来越广泛。钢结构的体系较为新颖、形式较为复杂、规模较为庞大，因而成为当代建筑结构中十分重要和活跃的领域。但是钢结构在施工过程中的事故发生率也较高，钢结构施工过程中健康监测技术的研究和应用是钢结构进行安全施工的可靠保障。本文对几种常用的健康监测技术以及其在钢结构施工过程中的应用进行了分析。

钢结构；施工过程；健康监测；技术研究；应用研究

国家对建筑行业技术发展水平的评价标准就是大型钢结构。近些年来，随着我国建筑水平不断趋于成熟，大型钢结构开始广泛应用于各种大型的剧院、大型体育馆、大型机场候机楼、大型会议展览中心等重要的标志性建筑。大形纲结构的应用与发展是现代文明的体现。为了弥补钢结构在施工过程中频繁出现安全事故的不足，需利用健康监测技术对其施工过程进行监测，从而更好的发挥钢结构在建筑中的应用效果。

1　加强钢结构施工过程健康监测的目的和意义

由于大型钢结构主要在大型标志性建筑中应用，国家政府对其投入了大量的人力、物力和财力，其施工过程和施工后的使用涉及范围较广，因而需加大其健康监测力度。同时，由于施工过程中其结构的受力较为复杂，与实际设计中力学的模型计算存在较大差异，健康监测可以保证其结构安全，可保障建筑结构的后续的使用。健康监测主要涉及了应力、施工环境、位移和振动监测四个方面的内容。

①对大型钢结构的施工过程进行监测的意义在于体现国家政策所倡导和坚持的“以人为本”的方针。因为土木工程是一项事故多发工程，给施工人员和居民带来了安全隐患，健康监测能帮助我们及时了解隐患，并采取应对措施，从而可有效减少人员伤亡。②有利于实时掌握工程结构的动态，了解其安全性，保障建筑工程的顺利完成。③由于健康监测是一种实时监测，因而可提高施工水平与施工技术，为具体的施工提供依据。然后，对其设备与技术进行研究可以为其他行业提供借鉴。④可为施工阶段完成后，对建筑结构的长期监测和使用寿命的评估提供依据。

2　钢结构施工过程监测的重点内容

对钢结构进行健康监测基本原理在于利用被安装在建筑结构上传感器系统对施工过程中结构特性的变化情况进行实时收集。然后通过收集的结构数据对钢结构当前的运行情况进行分析与判断，从而发现施工过程中一系列不稳定因素、不准确性因素和不安全性因素，保证整个工程施工的顺利完成。

2.1几何变形监测

钢结构施工过程中，几何变形监测是对变形体的具体目标点进行测量。其目的在于对变形体的空间位置和变形体的内部形态的变化情况和变化特征进行随时监测，观察其随时间的变化情况。变形监测主要是利用专门的测量仪器监测在空间三维集合体上，对建立了基准数据的测量变形体的变化情况进行监测。当前，运用较为广泛的测量仪器主要有经纬仪、水准仪、全站仪、摄影测量设备和激光测距仪等。这些常规的测量方法由于测量技术较为成熟，具有以下方面的优势：①其通用型较好。②其精确度也较高，能够满足常规的钢结构监测要求。③其能够监测变形物体或者对象的变形信息和具体的变性趋势。但是，这些通用的监测方法也具有较为明显的缺点，主要表现在以下几个方面：①由于野外作业的工作量较大，导致其易受工作面的干扰。②这些测量方法不能够满足对结构进行连续、动态和远程监控。近些年来，随着激光技术、电子技术、空间定位技术、自动控制技术和远程通信技术等高新技术的发展，以测量智能机器人、激光三维扫描仪、GPS技术等为主要代表的现代仪器与现代通讯网络相结合，形成了一种能够对结构物体进行全天候自动监测和连续监测的监测系统，并且已经开始得到应用。这种监测系统对变形监测具有重要作用，能够快速有效的监测出各种变形问题，使监测效率得到了较大提高。

2.2应力监测

施工监测的主要内容包括对结构构件截面的应力进行监测。无论是哪种钢结构，其指定点的应力与结构的几何位置一样，其应力值也会随着施工进度的变化而发生变化。因而在应力值不断变化的过程中，施工监测所关心的核心问题是某一时刻的应力值是否与理论分析值相同，某一时刻的应力值是否处于安全范围。而对于这两个问题进行解决的方法就在于对施工过程的应力进行监测，当监测发现了相关问题，必须立即停止建筑结构的施工，找到相关的原因并进行及时处理。大型钢结构中，通常需对施工关键点、最大应力点、体现环境影响特征点和应力变化较大点等点位进行监测。常用应力监测方法主要有振弦式传感器、电阻应变片、光纤光栅式传感器以及其他传感器。表1是不同应力监测方法的比较情况。

2.3索力监测

拉索是一种能够承受较强拉力的结构构件，因而开始广泛应用于建筑工程中。拉索通常能够参与多种结构类型。例如：所弯顶、所析架、张弦梁等。索力测试的准确性与拉索结构施工的顺利实施关系密切。同时，索力测试也是拉索结构是否能够修建的关键所在。磁通量法、压力传感器测定法、压力表测定法以及频率法是常用的对索力进行测定的方法。其中，压力传感器和压力表测定法是对正在张拉拉索的索力进行测定，频率法和磁通量法主要对建筑使用过程中的长期监测。

表1　各种应力监测方法比较

2.4施工环境监测

通常，温度、噪音、风压、雨量、风速、适度是施工环境监测的主要内容。施工环境的良好对施工的顺利完成具有重要作用。温度和风速风压是施工环境中对工程影响最为明显的因素。

温度对大型钢结构施工过程的影响较为明显。例如：温度的升降会导致拉索长度的变化。钢结构施工中，电阻温度计测温法、辐射测温法以及其他温度传感器是常见的结构温度测量方法。以“水立方”为例，其采用的是光纤光栅温度传感器，一方面可对应变传感器进行补偿，另一方面可监测水立方的温度场信息。

对于大型钢结构而言，风速和风压对其的影响也较为严重。上文已经提到大型钢结构主要应用于大型建筑之中，而这些大型的、专业化建筑的空间造型较为复杂，因而对风相当敏感。同时，风洞试验测量与建筑实体结构的风荷载情况具有较大差异，这种差异是模型的缩尺效应带来雷诺效应引起的。另外，由于对结构的风振响应分析方法具有较大局限。因此，对钢结构的施工阶段和使用阶段的风速和风压进行监测意义较为重大。“水立方”的平面尺寸较大，其结构范围内风速变化不大，因而相关施工单位对风速、风攻角和方向进行监测，只在“水立方”结构屋顶安装了一个三维超声风速仪。

3　结束语

根据以上分析，虽然钢结构在建筑中的应用代表了我国建筑行业的发展水平，在当今大型建筑中得到了较为广泛的应用。但是钢结构在施工过程中也存在诸多安全隐患，因而需对施工过程进行健康监测。钢结构施工过程健康监测是一个涉及了施工环境、应力、变形、振动等多方面因素的实时监测、判断和分析的过程。由于每个因素都有多种监测方法，因而需根据具体情况，恰当选择方法进行监测。

[1]罗永峰，叶智武，王磊.大型复杂钢结构施工过程监测系统研究现状[J].施工技术，2015（02）：68～74.

[2]赵有山，郭明，段向胜.大跨钢结构施工过程整体变形监测技术研究[J].工程质量，2014（01）：3～7.

[3]殷永艺，王军，司坤.大同美术馆钢结构施工监测技术[J].施工技术，2015（08）：67～70，79.

[4]王猛，郝建勋.钢结构施工过程跟踪监测技术与工程实例探讨[J].中国建筑金属结构，2013（18）：12.

TU758.11

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1673-0038（2015）32-0153-02

2015-6-12

陈红萍（1981-），女，助理工程师，大专，主要从事建筑工程管理工作。