基于物联网技术的大跨度钢桁架施工监测

李上雄LI Shang-xiong

（广东建科创新技术研究院有限公司，中山 528451）

0 引言

大跨度钢桁架的施工过程包括结构拼装阶段、预应力施加阶段、卸载阶段以及钢桁架滑移阶段。其中预应力施加阶段以及卸载阶段的结构主体应力、变形变化幅度较大，往往是整个施工过程中安全风险较大的环节，也是结构成型后能否达到设计要求的关键[1]。对于工程人员来说，理解和预测钢桁架力学参数的数据突变现象对于确保结构的安全性和可靠性具有重要意义。

针对目前大跨度钢桁架施工监测的需求，本文利用物联网技术构建了物联结构变形自动化监测系统，该系统可实时将传感器的监测数据通过物联网设备汇聚至云服务器，并且数据清洗、数据计算以及数据的转发服务均在云端实现，减少了现场布设设备的数量。物联网设备的使用有效地克服了传统结构变形自动化监测系统的缺点，避免了大量电力线缆及信号线缆的敷设，具有维护成本低、施工灵活度高的优势。

1 基于物联网技术的结构变形自动化监测系统

物联结构变形自动化监测系统基于物联网架构设计，主要由传感器数据采集与转发节点、数据中转物联基站、数据转发中台、结构变形自动化监测前端软件组成。其中，物联网设备在数据的采集及传输上扮演着重要的角色，也是本系统克服传统自动化监测方式缺点的关键。

1.1 传感器数据采集与转发节点

传感器数据采集与转发节点主要由传感器与低功耗物联模块构成，两者可通过极短的线缆进行连接，如图1所示。低功耗物联模块又分为低功耗物联串口模块[2]与低功耗物联振弦模块[3]，可适配于市面上大多数使用RS485信号和振弦信号通讯的传感器，并且模块内置的电池可通过稳压模块和升压模块实现对传感器的供电（电池寿命可达两年以上）。针对监测点位较为分散、现场环境杂乱的情况，可将低功耗物联模块当成单通道的数据采集与转发设备使用，一台传感器搭配一台低功耗物联模块进行工作，从而实现便捷的分布式数据独立采集与转发功能，数据转发可通过模块内置的LoRa 装置实现无线通讯，避免了线路集成等繁琐工作步骤。

图1 传感器数据采集与转发节点示例

1.2 数据中转物联基站

物联基站通过LoRa 技术与低功耗物联模块进行无线通讯，包括接收来自物联模块的原始监测数据与下发模块工作指令。LoRa 通讯技术的优势[4]包括：①长距离传输，可在数公里范围传输数据，适用于大规模、分散的物联网应用；②低功耗，能够以较低的能耗进行长距离通信，设备的电池寿命可达数年；③大容量，能够同时连接成千上万个节点，提供大容量数据传输服务。该通讯技术的优势使得一台物联基站即可覆盖现场大量的、分散的传感器数据采集与转发节点。同时，物联基站可通过4G 或5G 信号将原始监测数据发送至云服务器，从而完成数据的中转功能。

1.3 数据转发中台与前端软件

数据转发中台是一种提供数据处理、传输和管理服务的平台[4]，其主要功能之一就是数据输出，它可以将来自物联基站的原始监测数据进行处理，而后将处理完毕的数据以不同的格式发送给不同的前端软件，如web 应用程序、移动应用程序或其他系统。通过这样的方式，数据转发中台可以为不同的业务场景提供数据支持，能够更好地利用和管理数据。

2 工程概况及测点布设方案

2.1 工程概况

某展馆上部结构为大跨度钢桁架结构，其施工工序包括结构拼装、预应力施加、卸载以及滑移四个阶段。为保证结构的稳定性和安全性，钢桁架上弦杆与下弦杆在拼装与预应力施加两个施工阶段设置了支撑胎架。在卸载阶段，逐步拆除钢桁架支撑构件，而后将桁架滑移至预定位置。

钢桁架跨径为117m，在高空中进行拼装，每3 榀钢桁架组成1 个滑移体单元，共计8 个滑移单元。钢桁架在施加预应力以及卸载阶段的受力状态变化较大，是需要重点进行监测的时段。其中，钢桁架下弦杆为预应力施加对象，而上弦杆和下弦杆同为卸载对象（拆除支撑构件）。采用了物联结构变形自动化监测系统对大跨度钢桁架的应变、挠度以及所处环境温度进行了施工监测。

2.2 测点布设方案

由于篇幅有限，仅选取1 个滑移体单元作为施工监测案例进行分析，该单元由3 榀钢桁架构成。每榀钢桁架各选取1 根上弦杆和1 根下弦杆作为应变监测对象，仅选取滑移单元中间榀钢桁架的下弦杆作为挠度监测对象，选取钢桁架中央位置作为环境温度监测对象。本次监测参数的采集频率设置为10 分钟/次，所有传感器的安装工作在钢桁架高空拼装完成后进行。（表1）

表1 某展馆大跨度钢桁架的滑移单元施工监测测点汇总

2.2.1 应变监测

本文首先引入电机输入电能与机器人机械能两个能耗指标，将这两个指标作为目标函数进行不同拾放轨迹的参数优化仿真，并在样机上进行了实验验证；然后通过不同的最优参数轨迹的数据求出能耗值，得出具有Bang-bang速度分配方式的分段多项式曲线为最优拾放轨迹；最后通过不同拾放点与不同轨迹周期试验，展现出最优轨迹具有空间与时间上的可重复性，对不同工业现场的高速拾放操作具有现实的指导意义。本文为机器人轨迹的能耗比较提供了可参考的方法。

为保证应变长期监测的准确性和稳定性，钢桁架应变采用振弦式应变计进行监测。振弦式应变计可安装在钢结构及其他建筑物表面，用于测量结构的应变。

2.2.2 挠度监测

钢桁架挠度采用压差式静力水准传感器系统进行测量。压差式静力水准仪利用连通管原理，经过测量监测点与基准点的液面高度，即可由公式计算监测点相对于基准点的沉降数据。

2.2.3 环境温度监测

钢桁架所处环境温度采用环境温湿度计进行测量。在设计阶段，通常需要考虑钢桁架在不同环境温度下的变形以及受力情况，进而采取合理的构造方式来控制结构的应变和挠度变化。在钢桁架的施工阶段，同样需要考虑环境温度的变化对结构产生的影响，从而采取相应的措施来保证结构的安全性和可靠性。

3 结果与分析

钢桁架高空拼装完成后，进行了应变计、静力水准仪以及环境温湿度计的安装。根据2022 年2 月23 日至2022 年2 月27 日的监测数据，分别对钢桁架预应力施加前、预应力施加完成后至卸载前、卸载完成后的三个监测时段进行了数据的对比分析。

3.1 拼装完成至预应力施加前

3.1.1 应变分析

在钢桁架高空拼装完成后至预应力施加前的监测时段，钢桁架上弦杆应变测点U1、U3（U2 已损坏）以及下弦杆应变测点D1、D2、D3 的监测数据保持以天为周期的规律性波动特征，基本与同一监测时段的环境温度监测数据变化规律保持一致，如图2 至图4 所示。当环境温度升高时，桁架杆件受热膨胀，杆件的伸长导致应变计受拉，其拉应变同步增大。随着温度的下降，杆件发生回缩，拉应变逐渐减小。如表2 所示，在本监测时段，上弦杆测点U1、U3的应变平均值分别为-47.44uε 与-52.23uε，下弦杆测点D1、D2、D3 的 应 变 平 均 值 分 别 为5.00uε、-0.52uε 与17.72uε。

表2 不同监测时段的杆件应变及挠度平均值比较

图2 钢桁架下弦杆应变时程曲线

图3 钢桁架上弦杆应变时程曲线

图4 环境温度时程曲线

3.1.2 挠度分析

在本监测时段，钢桁架下弦杆挠度监测数据基本保持平稳，无明显变化，如图5 所示。如表2 所示，在本监测时段，下弦杆挠度测点N1 的挠度平均值为0.04mm。

图5 钢桁架下弦杆挠度时程曲线

3.2 预应力施加完成后至卸载前

3.2.1 应变分析

预应力施加的对象为钢桁架下弦杆，预应力施加的方式采用后张法。在钢索逐级张拉的过程中，钢桁架下弦杆应变测点D1、D2、D3 的压应变显著增大，表明此时钢桁架下弦杆所承受的压力增大。与预应力施加前的应变平均值相比，预应力施加完成后下弦杆应变测点D1、D2、D3 的压应变平均值分别为-219.51uε、-278.09uε、-242.91uε，分别增大了224.51uε、278.61uε、260.63uε。

3.2.2 挠度分析

与预应力施加前相比，在本监测时段，桁架下弦杆挠度监测数据平均值为-1.17mm，并未发生明显变化。

3.3 卸载完成后

3.3.1 应变分析

在支撑构件拆除的过程中（即卸载阶段），钢桁架所有应变测点的监测数据均发生明显变化。卸载过程中，受杆件自身重力的影响，下弦杆拉应变逐渐增大，最后抵消了在预应力施加阶段杆件产生的预压应变。上弦杆压应变在卸载过程中受自身重力影响显著增大。如表2 所示，卸载完成后，下弦杆应变测点D1、D2、D3 的拉应变平均值分别为63.13、60.58、126.66，上弦杆应变测点U1、U3 压应变平均值分别为-382.45、-330.23。

3.3.2 挠度分析

在卸载过程中，受自身重力影响，钢桁架下弦杆的下挠程度逐渐增大。卸载完成后，挠度监测数据基本保持稳定。如表2 所示，卸载完成后下弦杆挠度为-188.07mm。

由图2、图3 与图5 可知，在2022 年2 月26 日12 时左右（卸载阶段），下弦杆应变值、上弦杆应变值以及下弦杆挠度值均发生大幅度的突变，这种同步性突变现象表明在钢桁架卸载过程中需充分考虑结构的响应，以确保施工过程中结构的安全性和可靠性。

4 结论

针对传统监测方式布线复杂、能耗较高以及施工过程中有线传输链路易损坏等缺陷，采用物联网技术构建了物联结构变形自动化监测系统，该系统可实时将传感器的监测数据通过物联网设备无线汇聚至云服务器，数据清洗、数据计算以及数据的转发服务均在云端实现，有效地克服了传统结构变形自动化监测系统的缺点，避免了大量电力线缆及信号线缆的敷设，具有维护成本低、施工灵活度高、适用业务场景广的优势。

采用物联结构变形自动化监测系统对某展馆大跨度钢桁架的杆件应变、挠度以及所处环境温度进行了施工监测，利用该监测系统获取的监测数据能准确反映出不同施工阶段钢桁架的受力特征，为施工安全提供了保障。