大跨度钢结构多点吊装实时结构监测

王嘉荣

（中建钢构工程有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

大跨度空间结构具有三维形状，在载荷作用下也具有三维力学性能。在早期，这种结构主要用于体育馆，如日本代吉游泳馆，美国佐治亚州穹顶。随着经济的发展，建筑材料的升级和建设，大跨度空间结构已广泛应用于机场航站楼、展览中心、大型剧院、工厂等。同时，由于大跨空间钢结构材料具有高强度、重量轻、良好的延性和可塑性，已成为近年来空间结构的主要发展趋势[4]。

大跨度结构监测的研究主要集中在分析控制和监测方法两个方面。在分析和控制方面，一些学者开发了监测系统来处理监测数据，以便分析和控制大跨度换流站钢结构的施工过程。任峰等[5]建立了适用于寒冷工况的大跨度换流站钢结构健康监测系统，并将大跨度换流站钢结构的温度参数作为机械参数来指导施工过程。邱德隆等[6]人分析了利用光纤信号进一步监测大跨度结构，提出了一种基于光纤信号的大跨度换流站钢结构监测系统。

目前，许多具有新颖结构形式和大跨度钢结构涌现，也产生了许多新的问题。对于大跨度钢结构，施工特点均为规模大、范围广、周期长、工艺复杂[1-3]。另一方面，不完整的结构、复杂的施工荷载、物理性质的时变和许多突发事件都会使结构在施工阶段面临更高的风险。事故一旦发生，后果就极其严重，如巨大的财产损失和人员伤亡，以及严重的社会问题。因此对大跨度钢结构的施工监测是非常重要的和必要的。同时目前相关大跨度钢结构的吊装经验较少。为避免大跨度结构吊装过程中发生灾害，有必要对吊装过程进行实时结构监测，进一步保证大跨度钢结构吊装过程的顺利进行。

1 工程背景

某钢结构建筑面积约307 700m2，东西长约730m，南北长约480m。钢屋顶的平面尺寸约为500m×240m，由一个单壳、双层空间桁架和垂直支撑系统组成。大跨度钢结构屋面采用三层对角金字塔网架结构，格栅构件之间的连接多采用螺栓球形接头。网格框架的下弦有转移梁、设备起重梁和起重机梁。转移梁、设备起重梁和起重机梁设置在网格结构的底部弦上。大跨度钢结构最大跨度为89.5m，吊装钢结构重量为755t。共设计了12 个吊点，采用多点吊装。大跨度钢结构的吊装分为三个阶段：钢结构预吊、钢结构吊装、钢结构提升至顶，安装322.7t 设备。

2 监测和分析

2.1 大跨度钢结构多点吊装监测方案

采用自动监测、人工测量对比的方法对吊装进行实时监测，并将监测数据导入实时结构监测系统。监控系统集成监控数据，输出钢结构实时二维和三维图像。通过这些实时监控图像，可以快速分析施工过程，以帮助及时做出针对出现的工程问题的决策。自动监测分为挠度监测和应变监测两部分。水平单轴倾角仪主要用于挠度监测，如图1 所示。

图1 水平单轴倾斜仪

在现场测量了13 个点的温度和位移，这些点的位置与监测期间的位置相同。手动测量方法使用水平杆、塔尺和水平仪。液位棒的原理是液位是水平的，而液位气泡用于直接显示位移，使其测量获得测量被测表面相对水平、垂直和倾斜位置的偏差程度。现场使用的液位尺长度为250cm，精度为0.02mm。塔尺与水平仪配合使用，以测量高度差。现场使用的塔尺长度为2 m，精度为5mm。水平用于提供水平视线，借助带有分区的水平尺，直接测量地面上两点的高度差，然后根据已知点高程和实测高度差计算未知点高程。现场使用的液位精度为1mm。在吊装过程中，每半小时进行一次人工测量，测量大跨度钢结构的机械挠度和应变变化。

借助先进的算法，实时结构监测平台可以整合从大跨度钢结构监测中收集的各种信息和数据。通过对信息的综合分析和评估，实时可视化大跨度钢结构吊装全过程的安全和监测数据，在大跨度钢结构吊装风险出现之前发出报警预警信息。实时结构监测系统的架构包括三个功能子层：数据感知、数据传输和数据管理和应用。

数据传感模块主要通过各种智能传感器和监测仪器监测大跨度钢结构温度、位移等变化，采集测量结果，实现对大跨度钢结构变化的实时监测，辅助现场巡检人员监测。数据传输模块将传感模块的各种监控数据实时传输到互联网，实现现场与监控系统的信息互联互通。

数据管理与应用模块主要包括钢结构安全可视化监控、系统管理、数据下载、信息查询、预警信息发布等[7]。监控人员可以通过各种客户端利用云平台，随时随地了解钢结构的安全动态，快速查询和下载钢结构安全评估所需的数据，并获取带有图片和文字的监控报告。同时，用户还可以在结构首次发生异常变化时获得预警信息，以便监测人员能够及时采取相应措施，防止安全事故的发生。此外，监测人员可以根据监控项目的需要和各种突发事件的预期，与巡更人员实时互动。

2.2 传感器和采样频率

某大跨度钢结构监测系统采用了有线连接系统。为了评估温度评估，安装在17 个不同位置的数字热传感器。每个位置安装了6 个传感器，以消除辐射对当地温度的影响。全站仪连同安装反射棱镜用于结构位移测量。位移测量点数为12 个。传感器的规格位置和序列号如图2 所示。当结构处于卸载阶段时，温度测量的采样频率为每30 min 一次。同时，在停工阶段调整为每10 min 一次。如果温度超过结构封闭施工的温度要求，将相应停止施工。

图2 温度传感器的布置图

本文对图2 所示的位于大跨度钢结构屋顶结构上的1、2、3、4、5、6、7、17 的温度测点进行了分析和讨论。图2 中8、9、10、11、12、12、13、14、15、16 编号的测点在合拢阶段进行了分析和讨论。对大跨度钢结构构件进行位移监测时，将全站基准点设置在大跨度钢结构中部[8]。将全站仪后视棱镜设置在测量点1 的底部。然后，将总站分别与每个测量点的中心对齐。因此，通过全站仪对应的函数，可以得到各测点的三维坐标。可以相应地计算出每个点的三维位移。

2.3 温度监测与分析

2.3.1 卸载阶段的温度监测

该结构的卸载工程已于2022 年4 月10 日至28 日进行。由于钢结构施工进度主要受温度的影响，因此在整个卸荷阶段都采用了温度监测系统。日平均最高温度和最低温度的变化如图3 所示。从这6 个传感器的平均温度中选择包含6 个传感器的每个测量点的日平均最大温度或最低温度。从图中可以看到，日平均最高温度小于40℃，日平均最低温度大于15℃，整个卸载施工期间整体钢结构屋面温度处于正常状态。进一步表明温度不会对构件造成较大的应力影响。后续施工可正常进行。监测点3 和点4 的温度值小于其他点，说明这些监测点的温度低于其他点。主要由于钢的规格热容，温度测量大于天气温度。某些点的温度值较大，也可能是由于局部焊接或临时切割造成的。

图3 卸载阶段温度变化曲线

2.3.2 处于闭合阶段的温度监测

对于大跨度钢结构，主要结构的合拢温度通常意味着结构的初始温度，其合理性将直接影响结构的力特性。因此，有必要选择一个合适的合拢温度。首先，考虑当地的温度和天气条件，确保合拢温度接近年平均温度。其次，还要考虑施工进度和可能的情况，并预留封闭温度的允许偏差范围。第三，合拢温度应尽可能接近平均温度。平均温度是指结构性最高温度与最低温度之间的中值点。合拢温度应接近钢构件的平均温度，以具有合理的力特性稳定结构。最后，温室等导致的温度上升的风险和可能性。这也被考虑到了，并适当地调整了合拢温度。

基于以上考虑，大跨度钢结构合拢温度范围为23℃～30℃。当钢结构的温度为23℃～30℃时，可以进行闭合工作.否则，闭合工作将按建议停止。此外，由于夜间温度的变化相对较温和，也可以避免钢构件由于不同的辐照度而引起的不均匀温度升高。因此，该结构的闭合工作最终在夜间进行。

对8 至16 号测点进行温度监测，以确保大跨度钢结构的建设温度处于安全状态。监测时间分为三个周期，从5 月25 日20：00 到5 月26 日02：20、从5 月26 日20：00 到02：20，5 月27 日及5 月27 日20 时至5 月27 日22 时。闭合阶段的监测温度测量值如图4 所示。

图4 闭合阶段温度变化曲线

从温度监测数据中可以看出如下结果：（1）每天20：00，由于白天阳光照射，钢壳表面温度仍高于平均水平。而地表温度基本保持在28℃～30℃。（2）每天20：00 后，温度逐渐下降。将靠近海边的测点与其他远离大海的测点进行比较，前者的温度下降的速度快于后者，这是由风荷载的作用引起的[9]。（3）每天22：00 左右，整个钢壳的监测温度达到25℃～27℃。（4）在整个闭合过程中，钢屋面的温度设置为23℃～30℃，可满足闭合阶段的温度要求。因此，封闭施工已安全完成。此外，封闭施工对环境温度的影响较小。

2.4 位移监测与分析

2.4.1 卸载阶段的位移监测

钢结构屋顶前部的位移监测位置如图2 所示。图5 所示的监测位移测量值是从2022 年4 月10 日至2022 年5 月5 日在结构卸载阶段采集的。在卸载阶段，对位于构件上的12 个测点进行了监测和分析。分析结果如下：（1）位移测量结果表明，卸载阶段的位移与施工条件相匹配。位移测量值的突变时间和突变大小与卸载时间和卸载点位置一致。（2）图5 表明，不同的卸载位置导致了位移测量的不同影响。当测点位于卸载分区中时，相应的位移将发生明显变化。当测点位于相邻的卸载分区时，相应的位移也存在一定的偏差。以卸载过程为例，卸载时间为2022 年4 月23 日至24 日。在此期间，钢结构1、2、3、12 的测量点代表较大的位移值。其他点的位移测量值相对较小。点1 和点12 在Z 方向上的位移是发生变化的最大位移，接近160mm，表明位移主要是由周围位置的卸载过程引起的。同时，点6、7、8 的位移小于点1、2、3、12 的位移，说明距离卸载区域越大，位移测量的距离越小。（3）在整个卸荷过程中，监测构件的测量结果无异常变化，工作条件稳定，卸荷过程平稳。

图5 位移变化

2.4.2 大跨度钢结构多点吊装分析

挠度是反映大跨度结构弯曲变形的重要参数，是评价工程安全性的重要因素。如图6 所示，从第一阶段到第三级（10：00～15：00），大跨度钢结构的挠度从81mm 逐渐增加到86mm。15：00 将大跨度钢结构置于钢结构桁架上时，挠度迅速减小至82mm，大跨度钢结构弯曲程度先缓慢增加后快速减小，最终趋于稳定。三个吊装阶段的最大挠度位于大跨度钢结构的中心线；第一阶段至第三级的挠度分别为79.2mm、114.5mm 和175.8mm，第三级的挠度最大。在施工过程中，构件安装在第二和第三阶段的结构中，使得第三阶段对应于最大的结构荷载。因此，在该大跨度钢结构的多点吊装过程中，最大荷载状态下大跨度钢结构中心线挠度最大，是最容易发生工程灾害的位置。利用结构监测系统，对大跨度钢结构在最大荷载状态下的中心线进行监测。因此，在未来的大跨度钢结构吊装工程中，有必要重点监测大跨度钢结构在最大荷载状态下的中心线，以确保安全运行。在吊装过程中，采用加大大跨度钢结构反向力抵消荷载的方法，减少大跨度钢结构挠度，降低工程风险。

图6 大跨度钢结构中心线在三个阶段挠度变化

3 结论

本文详细介绍了大跨度钢结构在施工阶段的温度和位移监测系统。根据这种大跨度钢屋顶结构的温度和位移测量，对大跨度钢结构在卸载和闭合阶段的温度控制和位移变化及挠度进行了详细的讨论。本文提出的结构施工监测系统不仅为建设过程中提供科学参考信息、且为更容易、更快、更安全的决策起着重要作用，而且深刻提高大跨度钢结构的安全性和施工准确性。其结论如下：（1）检测了结构卸载阶段构件的结构温度分布和温度范围。施工阶段的温度得到控制，后续施工可以无风险进行。（2）构件的温度满足了结构封闭阶段的温度极限要求。封闭施工安全顺利完成。（3）构件的位移发展以及结构卸载和闭合阶段的异常位移变化。（4）讨论了温度引起的位移变化，当温度值为最大尺度时，Y 方向和Z 方向的位移均处于极值。