大跨度非对称空间异形曲面钢桁架结构施工新技术与智慧云监测研究

苏 杭 王静峰，2，* 曹 晗 张 荣 于向涛

（1.合肥工业大学，合肥 230009；2.安徽省先进钢结构技术与产业化协同创新中心，合肥 230009；3.中铁四局集团钢结构建筑有限公司，合肥 230022.）

0 引言

大跨度钢桁架结构是空间结构的主要结构形式之一，具有跨度大、承载重、造型新颖、施工快捷等特点，在博物馆、航站楼、会展中心、体育场馆中应用较多，例如中国国家博物馆［1］、甘肃省体育馆［2］等。由于体育馆等大跨度钢结构建筑对外观要求高，经常导致结构形态多变，受力复杂，因此选用科学合理的施工技术和监控方法是保证结构安全的关键因素。目前，针对大跨度空间钢结构的常用施工方法有分条分块吊装法［3］、高空散装法［4］、高空滑移法［5］、整体提升法［6］等。分条分块吊装法基本可实现各种钢构件的吊装工作，但其机械台班费较高，不利于流水施工。高空散装法可适应起重条件较差或运输困难的山区等地区，但该方法需搭设大量脚手架，高空作业量大，施工速度较慢。高空滑移法可用于现场狭窄的施工场地，也适用于跨越施工，但针对结构较为复杂的异形结构，该方法较难发挥其优势。整体提升法将结构在地面或平台上拼装完毕，施工质量和精度较高，虽然该方法施工难度较高，但易于保证焊接质量和几何尺寸的准确性。

常用结构监测技术主要包括有线监测、无线监测和智慧云监测等。其中有线监测实施简单且成熟，但其一般仅适用于局部或小范围的监测，且无法对结构进行实时监控。无线监测摆脱了数据线的限制，实施也相对简单，但该方法由于监测设备和系统的局限性，数据反馈周期较长，仅能在现场一定范围内进行监测。智慧云平台监测技术操作与实施虽相对繁琐，但其数据反馈周期较短，可满足实时监测的要求，并且该方法运用GPRS进行信号传输，运用TPC/IP、UDP协议进行数据通讯，数据可在全国任意地点进行收集。

六安体育中心体育馆屋盖结构采用非对称空间异形曲面钢桁架结构，最大跨度89.7 m，结构跨度大，结构非对称且施工精度要求较高；针对其结构与施工特点，本工程采用“馆内多点不对称整体同步控制提升、馆外分段吊装”的施工新方法；为了保证施工安全，本项目采用智慧云平台海量数据处理与实时传输监测技术对结构进行实时监测。

1 工程概况

六安体育中心以“茶韵古今”作为其设计理念，形似中国十大茶品“六安瓜片”。体育中心包括一个30 000人座位的体育场、一个6 000人座位的体育馆、一所能容纳500名师生的体育学校以及室外综合配套设施。体育中心总用地面积约375亩，建筑用地面积249 958 m2，总建筑面积81 538 m2。总体鸟瞰平面布置见图1。

图1 六安体育中心体育馆Fig.1 Liuan Sports cente

体育馆建筑面积23 780 m2，结构层数为地上三层，建筑高度32 m。体育馆上部的屋盖系统为纵横向非对称异形曲面钢桁架结构体系，覆盖面积17 000 m2，总重量约2250 t。屋盖结构南北向最大跨度77.1 m，东西向最大跨度89.7 m；跨中桁高3.5 m，最高位置标高28.3 m。内部混凝土柱顶设滑动铰支座，外围设倾斜钢柱用以支撑屋盖。六安体育中心体育馆结构三维模型见图2。

图2 体育馆结构三维模型图Fig.2 3D model of gymnasium structure

2 体育馆钢结构屋盖施工重难点

六安体育中心体育馆采用大跨度非对称空间异形曲面钢桁架结构，通过对结构形式和设计要求进行分析，施工中将会有以下重点和难点需要解决。

3 体育馆施工新技术

为解决施工中的重点、难点，本项目采用“馆内多点不对称整体同步控制提升、馆外分段吊装”的施工新技术进行施工。整个提升过程中采用智慧云平台海量数据处理与实时传输监测技术进行实时监测，为施工提供安全保障。

从屋盖的馆内拼装、馆内提升、馆外悬拼再到屋盖的最终卸载，整个施工流程可大致分为15个工况。体育馆钢结构施工场地划分见图3，主要施工顺序见图4，各工况具体施工方法见表2。

表2 体育馆钢结构屋盖施工工况Table 2 The construction method of steel structure roof of gymnasium

图4 体育馆钢结构屋盖主要施工顺序Fig.4 Main sequence of steel roof of gymnasium

表1 施工重点难点Table 1 Key points and difficulties in construction

图3 体育馆钢结构屋盖施工区域划分Fig.3 Construction area division of steel structure roof of gymnasium

4 体育馆钢结构屋盖施工全过程仿真模拟

为保证施工全过程的安全，采用有限元分析软件MIDAS对六安市体育中心体育馆钢结构进行了施工全过程仿真模拟，得到钢结构屋盖的应力与竖向位移。

计算模型共有2 195个节点、5 288个单元，其中244个桁架单元、5 044个梁单元，屋盖杆件两端均采用铰接。材料采用Q345钢材，有38个不同截面的钢构件组成，所有截面钢材厚度均大于16 mm，小于或等于40 mm。模型中考虑到恒荷载、施工荷载和温度荷载，其中施工荷载（包括节点加劲及结构补强等）取值0.15G（自重）。内部钢筋混凝土柱顶采用一般弹性支承模拟滑动支座；外部钢斜柱底部固接，上部采用刚性连接。根据《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）［7］的规定满足如下要求：①钢构件的应力限值为295 MPa；②钢屋盖受弯构件的挠度容许值为L/400。

钢结构屋盖重要施工工况应力见图6，竖向位移见图7。整个施工过程中杆件应力最大值为99.22 MPa（正、负代表拉、压），远小于295 MPa。杆件及节点的最大变形值为-49.96 mm（正负代表Z轴正负方向），均满足规范要求。结果表明，体育馆钢结构屋盖所采用的施工方法安全合理。

图6 体育馆钢结构屋盖主要施工工况应力状况Fig.6 Stress condition of main construction conditions of steel roof of gymnasium

图7 体育馆钢结构屋盖主要施工工况竖向位移状况Fig.7 Vertical deformation of main construction conditions of steel roof of gymnasium

5 体育馆智慧云监测

5.1 云计算与智慧监测云平台

云计算是一种虚拟化的技术服务，用以满足用户的运算、储存等多种需求。云平台也即以云计算为依托，基于硬件资源和软件资源的一种提供计算、存储等功能的服务［12］，云平台的出现实现了网络结构从“Client/Server”向“Browser/Server”的转变［12］。

工程智慧云监测平台是结合力学等建筑学科开发的一种工程服务平台，平台结构可分为三个层面：数据采集层、数据处理储存层和用户终端层。平台主要运用TPC/IP、UDP协议进行数据通讯，通过WebService、WebSocket等接口与APP和PC联接。平台可以实现对建筑结构的实时监测，为施工安全提供强有力的保障。

图5 有限元分析模型Fig.5 Finite element model

5.2 智慧云监测设备与原理

智慧云监测设备主要指完成监测所需的硬件设施，包括传感器、数据采集与收发设备。本节将结合体育馆的实际工程对设备与原理进行分析说明。

5.2.1 传感器原理及安装

六安体育中心体育馆项目主要对结构的应力应变与变形进行监测，项目中变形采用扫描机器人进行监控，应力方面采用应变传感器进行监测。

建筑工程中较为成熟的应变传感器有电阻式应变计和钢弦式应变计两种。电阻式应变计常用于短期的结构应变监测，钢弦式应变计一般用于长期的建筑结构应变测量。电阻应变计是以变形与电阻的转换为原理，对结构内力进行测量。钢弦式应变计是以变形与钢弦张力的转化为原理，对结构内力进行测量，当被测结构物发生应变时，应变计左右端座产生相对位移并传递给钢弦，使钢弦受力发生变化，从而改变钢弦的固有频率；测量仪器输出脉冲信号通过线圈激振钢弦并检测出线圈所感应信号的频率，经仪器及云平台换算得到被测结构物的应力应变量［13］。

图8 智慧云监测平台结构与联系Fig.8 Structure and connection of smart cloud monitoring platform

图9 智慧监测云平台系统功能Fig.9 Function of smart cloud monitoring platform

应变计安装方面，本项目应变计采用点焊与云石胶相结合的方式与结构进行连接；安装顺序方面，本项目馆内屋盖采用先分块拼装再整体提升的形式，应变计的安装及测点的布置顺序跟随屋盖桁架的拼装从东向西进行；安装后对设备及时进行保护与调试，避免后续施工破坏设备，以保证监测的准确性。

5.2.2 综合采集设备与收发原理

数据采集与收发设备包括高速通用采集模块和DTU网络传输模块。高速通用采集模块是一种自动搜索、自动巡检的信息采集设备，可以同时接入多个智能钢弦式应变计、电感调频及半导体温度传感器等设备。DTU网络传输模块是一种利用CMNET网络达到远程传输信号的网络传输设备，将其与高速通用采集模块连接，可以实现传输传感器数据至云平台的目的。

传感器常用传输协议以RS232和RS485为主。传感器数据在进行无线传输时，需要将RS232/485/422通过转换器（又称无线数据传终端、工业无线网卡、工业手机、GPRS调制解调器）［15］转换为GPRS数据进行传输。由于GPRS的成熟化与基站的普及，监测数据可以实现较快且跨地区的传输。本项目中即由高速通用采集模块以及DTU网络传输模块来实现。

数据采集频率方面，设备及系统支持自定义设置，最短可设定为5s/次，可根据施工阶段的长短及关键性调整采集频率，但如果测点较多采集周期则会适当延长。

5.3 监测点布置

本工程馆内提升区中部设置8个提升点，依次分布在⑦轴、⑨轴、12轴、14轴和Ⓔ轴、Ⓗ轴六榀主桁架的交点上，具体提升位置在桁架上弦的吊耳处。通过MIDAS计算模拟，算出应力较大的杆主要分布在⑦、⑨、12、14、Ⓔ、Ⓗ轴线的桁架上，因此根据杆件的受力情况，将应变测点布置在应力较大的杆件上，共布置28个测点，测点具体布置见图10。

图10 应力监测点布置Fig.10 Layout of stress monitoring point

变形方面，钢结构屋盖的变形测点根据监测方案并结合施工现场情况进行布置，在屋盖上变形最不利位置（根据MIDAS计算模拟确定最不利位置）布置反光贴，主要布置在⑩轴、11轴、Ⓕ轴和G轴四榀主桁架上。在不同施工工况下分别对变形测点进行观测，以实时监测施工过程中屋盖杆件的变形值，确保施工过程中的安全。

图11 变形监测点布置Fig.11 Layout of deformation monitoring point

6 监测结果与仿真模拟对比分析

6.1 应力分析

从钢结构屋盖的所有测点中选取了部分应力测点进行实测值和计算值的对比。横纵两榀框架中各选出3个测点（D号、12号、18号、5号、7号、9号），对15个工况下的数据进行对比，对比情况见图12。单位为MPa，正负代表受拉与受压。

图12 部分测点应力数据对比Fig.12 Stress comparison

根据测点数据对比可知：

（1）整个施工过程中，应力在工况2、工况9、工况10以及工况15时应力变化较大，部分杆件中途伴随着拉压状态的变化，其他工况下应力变化较小。施工过程中实测值与模拟值变化趋势基本保持一致。

（2）整个施工过程中，计算值与实测值差值幅度在±9 MPa以内，两者吻合程度较好。

6.2 竖向位移分析

本文选取了部分变形测点进行了竖向位移实测值与计算值的对比。从横、纵两榀框架中各选出3个测点（1号、7号、15号、10号、12号、13号）进行数据对比，对比情况见图13。

图13 部分测点竖向位移数据对比Fig.13 Vertical displacement comparison

根据测点数据对比可知：

（1）在整体提升前，由于提升架与承重架的支撑作用，使得屋盖变形较小，屋盖在工况2后变形逐渐增加，在工况9、工况13和工况15时竖向位移变化较大，部分杆件中途伴随着变形方向的转变。施工过程中实测值与模拟值变化趋势基本保持一致。

（2）整个施工过程中，实测值与计算值差值幅度在±10 mm以内，两者吻合程度较好。

7 结 论

（1）本文针对六安体育中心体育馆工程特点和技术重难点制定了体育馆“馆内多点不对称整体同步控制提升、馆外分段吊装”的施工新技术；采用MIDAS软件对施工全过程进行了仿真模拟，结果表明，施工过程中结构的应力与变形均满足规范要求，证明该施工方法安全合理。

（2）本文研发了一种针对体育馆非对称空间异形曲面钢桁架结构的智慧云平台海量数据处理与实时传输监测系统，在六安体育中心体育馆成功应用，监测结果满足规范要求；监测结果与模拟结果趋势相近，证实该技术合理可行，能够保证施工的安全。