北京大兴国际机场南航机库钢结构屋盖整体提升过程的远程监控技术

兰春光 董 巍 高玉兰 迂常伟 王益民

1. 北京市建筑工程研究院有限责任公司 北京 100039; 2. 北京建工集团有限责任公司 北京 100055

网架结构相较其他类型的结构，在刚度相同的情况下高度较小，能利用较小的杆形构件拼装成大跨度的建筑，有效地利用了建筑空间，因而得到了广泛的应用[1-2]。多层网架施工中常用的方法为液压整体提升法，其是将结构在地面就位拼装完成，再由液压起重设备垂直地将结构整体提升至设计标高的方法。

整体提升技术以其显著的优势成为一种应用广泛的施工技术，但是，由于整体提升载重大、同步性要求高、环境影响多，故施工过程存在着较大的风险[3-5]。

现阶段对于施工过程的控制主要还是停留在人为对结构少数控制点的位形把控上，少数项目中出现过对杆件等应力热点进行应力控制的应用案例。但是，这些方法都是人工采集，每个测试流程需要耗费较多时间，而整体提升过程的破坏都是短时间内发生的，因此，以上方法都很容易错过损坏过程[6]。

为此，在结构健康监测云平台系统的研究基础上，提出了钢结构屋盖整体提升过程远程监控系统。系统将无线传输、云存储、人工智能等新技术引入整体提升施工过程中，通过4G通信方式将数据传输到云平台，通过集成判定方法的系统软件处理和分析数据，并以短信或APP方式实现整个提升过程的报警预警功能，保证提升安全。最后，通过数据分析给出施工过程质量的定性分析，可用以定量评估大跨钢结构整体施工过程和之后的结构安全状态。

1 工程概况

1.1 项目总概况

北京大兴国际机场南航1号机库，面积为39 000 m2，是全亚洲最大的机库。其可容纳12架飞机，包括2架最大的A380。机库规模在中国的机场中，都是前所未有的。机库大厅屋盖为由平面桁架及单层斜放四角锥网架构成的组合结构体系，平面轴线尺寸405 m 100 m，总高8.5 m，基本网格尺寸6.0 m 6.0 m，上弦中心标高38.5 m（图1）。

图1 屋盖三维示意

1.2 提升过程概况

机库大厅屋盖采用整体提升施工方法，整体提升质量按7 200 t考虑（含马道、机电等附属结构）。由于门头桁架相对大厅网架下沉3.0 m，故考虑分2次提升，即先将大厅网架提升3 m，与门头桁架对接后再提升到位。

网架提升时布置31个提升点，14台100 t油缸，8台200 t油缸，30台350 t油缸，提升高度近38 m，用油压千斤顶同步协调提升。整个网架第1次提升时间为2018年8月18日—8月20日。提升完成后，拼装第2次提升的网架，并与第1次提升的网架对接。网架第2次提升时间为2018年8月31日—9月2日。网架在2018年9月27日全部卸载完成。

2 监控系统的基本原理

首先，分析整体提升过程的使用特点，通过有限元通用软件对整体提升过程和形态进行施工过程仿真模拟分析，确定整体提升过程中原结构的易损性；然后，根据易损性确定整体提升过程中结构的测试参数、布点位置和采集仪器，并根据仪器特性和传感需求优化传感器子系统以及数据采集与传输子系统；最后，通过整体提升过程的安全评定方法集成形成软件，并实现提升过程的自感知和自预警功能，以APP推送通知和短信为表现形式。至此，实现整体提升过程中安全性的有效控制（图2）。

3 监控技术的设计与实施

3.1 钢结构提升过程监控系统设计

3.1.1 网架测点位置

系统传感器布设在设计杆件施工结束后进行，因此，传感器布设点按施工顺序分为一次网架提升、二次网架提升和胎架控制点3个部分。根据易损性分析计算结果，为实现保障提升过程施工安全控制的目的，本项目传感器分布如下：一次提升时被测杆件31根，所用传感器42个；二次提升时被测杆件12根，所用传感器17个；支撑胎架分3种类型，所用传感器24个。项目共计采用传感器83个。

图2 安全监测系统示意

3.1.2 监测仪器优选

应力监测系统选用基康仪器股份有限公司生产的BGK-4000”弧焊型振弦式应变计和BGK-MICRO-40型自动化数据采集仪组合。应变计用于安装在钢结构及其他建筑物表面，测量结构的应变，具有很高的精度和灵敏度，以及卓越的防水、耐腐蚀和长期稳定性。自动化数据采集仪是基康仪器股份有限公司利用最新的电子测量技术推出的用于工程安全自动化测量的新一代产品，集用户管理、测量管理、数据管理、通信管理于一身，为工程安全的自动化测量及数据处理提供了极大的方便和有力的支持。

3.2 钢结构提升远程监控系统具体实施

按钢结构提升过程远程监控系统设计要求的位置布设传感器，并编制相应系统集成和手机APP。应变计安装块是成对提供的，其带有锥尖固定螺钉，传感器布设表面应清理干净。安装时可先确定安装杆的长度，再在钢结构设计位置焊接安装块，最后将安装杆装上即可（图3）。

图3 系统实施示意

3.3 提升过程监测数据分析

3.3.1 网架杆件应力数据分析

图4为屋盖整体提升过程中网架杆件的应力数据分析，主要包括一次提升、二次提升和卸载3个施工过程，其中图4（a）和图4（b）为一次提升前布设的传感器，图4（c）和图4（d）为二次提升前布设的传感器。考虑文章篇幅限制和同类型分析，我们对每个类型仅给出2个传感器数据进行分析。

图4 屋盖整体提升过程中网架杆件的应力数据

一次提升的2个传感器布设在同一个杆件上。由图4（a）和图4（b）可知：其数据变化趋势相同，数值接近；整个过程包括8月18日的一次提升、8月31日的二次提升和9月26日的卸载过程，这与现场实际情况相吻合。

二次提升的传感器在一次提升结束后布设，整个过程仅包括8月31日的二次提升和9月26日的卸载过程。由图4（c）和图4（d）可知：在第1次提升开始前，杆件的应力较小，趋于0；在8月18日开始提升时，传感器数据有骤变；在8月31日第2次提升时，传感器数据有骤变，但差值与第1次提升时相比较小；在9月26日下午开始卸载时，传感器数据有骤变且大小趋于0，完全卸载后网架杆件的应力又趋于稳定，这与施工过程对结构的影响变化规律相符。

3.3.2 支撑胎架全过程应力监测数据分析

本工程支撑胎架主要包括3种类型，选取每种支撑胎架类型中反力最大的架体布设传感器，保证每个竖向支撑钢管上有一个传感器存在，最终选择被测架体编号为D-TSD7、W-TSD1、W-TSD2、W-TSD8，共计15个传感器。考虑篇幅限制和类型分析的必要性，这里选取杆件应力最大的W-TSD1支撑架体作为分析对象。图5为屋盖整体提升过程中支撑架体关键杆件的应力数据分析。

由图5可知：网架2次提升时架体W-TSD1的布设点受压，传感器的应力数据在70 MPa左右，远小于材料的强度，可以判定网架提升时支撑胎架安全，且在网架提升过程中监测立柱各被测杆件的压应力差值不大；在9月26日下午开始卸载时，传感器数据有骤变且大小趋于0，这与提升过程对立柱结构的影响变化规律相符，说明支撑胎架将网架荷载转移到结构支撑上后，荷载被成功卸除，提升过程圆满完成。

图5 架体编号为W-TSD1的传感器数据

4 结语

1）由振弦式传感器和自动化采集仪组成的钢结构屋盖提升过程远程监控系统可分钟级无线传输数据，系统集成软件可对数据进行实时分析与整理，并最终通过APP进行报警预警，在南航机库屋盖提升过程中数据均可实时查看，有效把控钢结构屋盖在提升及卸载过程中的安全性。

2）屋盖杆件用传感器测试数据的演化规律与现场实际情况相吻合，从而验证了该套系统的定量准确性。

3）在网架提升过程中，支撑胎架监测立柱各被测杆件的压应力峰值为70 MPa，且同一胎架立柱各被测杆件的压应力差值不大；在9月26日下午开始卸载时，传感器数据有骤变且大小趋于0，这与提升过程对立柱结构的影响变化规律相符，说明支撑胎架在网架提升过程中处于安全状态。

该套系统可有效定量地把控钢结构提升和卸载施工过程。施工结束后，通过对数据的分析，还可以对施工工艺和临时措施设计进行优化，实现节约能源和材料的目的，具有较大的推广应用价值。