鋼結構巨型轉換桁架卸載過程遠程監(jiān)控技術開發(fā)與應用

國家會議中心二期工程平面尺寸458?m×146?m，地上3層，地下2層，高51.32?m。總用鋼量約13萬t。地上標高14.30020.000?m桁架層包括主會場及會展廳桁架結構。其中主會場平面尺寸為72?m×108?m，會展廳平面尺寸為81?m×234?m，最大跨度81?m，單榀主桁架最重約800?t，該層鋼結構總重41?280.8?t，結構布置如圖1所示。本文以主會場鋼結構巨型轉換桁架卸載過程為例，介紹鋼結構巨型轉換桁架卸載過程中遠程監(jiān)控技術的開發(fā)與應用。圖1?20.000?m標高結構布置1?主會場結構轉換桁架卸載過程概況主會場結構轉換桁架采用整體千斤頂同步卸載施工方法，為化解上層建筑的結構重壓，采用通高7.7?m，由縱向、橫向、斜向桿件交叉構成的轉換桁架結構體系。向上托舉1.6倍于自身的重量，向下承載超大無柱空間，將上層結構的重力均勻傳至首層側邊的支撐柱上，實現(xiàn)整個建筑結構的受力平衡。8?000?的無柱空間主會場（桁架結構），標高20.000?m的轉換層桁架于2020年4月1日開始卸載周邊支撐； 4月3日千斤頂開始逐級同步卸載，當日下午全部卸載完成。圖2為整體卸載過程的安全監(jiān)測系統(tǒng)示意。圖2安全監(jiān)測系統(tǒng)示意2監(jiān)控技術的設計與實施2.1鋼結構轉換桁架卸載過程監(jiān)控系統(tǒng)設計2.1.1桁架測點位置由于系統(tǒng)傳感器布設是在設計桿件施工結束后進行，因此按施工順序將傳感器布設點分為桁架卸載施工控制點、桁架鋼柱控制點和臨時支撐控制點3部分。為實現(xiàn)轉換桁架整體卸載過程的施工安全控制，根據(jù)易損性分析計算結果選取主次轉換桁架應力及變形較大的弦桿和腹桿進行應力及變形監(jiān)測，傳感器分布為：主次桁架被測桿件23根，使用傳感器24只，主次桁架變形監(jiān)測點3個加一個位移基準點，共4個；桁架鋼柱被測構件5根，使用傳感器10個；臨時支撐6根，使用傳感器12只，共采用傳感器46只。2.1.2監(jiān)測儀器優(yōu)選應力監(jiān)測系統(tǒng)選用北京產MOS-9210型自動化數(shù)據(jù)采集儀及MOS-6301弧焊型振弦式表面應變計組合，其中應變計安裝在鋼結構及其建筑物表面，用于測量結構應變，自動化數(shù)據(jù)采集儀是集用戶管理、測量管 理、數(shù)據(jù)管理、通訊管理于一身，便于工程安全的自動化測量及數(shù)據(jù)處理傳感器和解調儀如圖3所示。（a）               （b）圖3項目應變采集系統(tǒng)優(yōu)選儀器（a）BGK-4000弧焊型振弦式應變計；（b）BGK-MICRO-40型自動化數(shù)據(jù)采集儀2.2鋼結構轉換桁架卸載遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實施傳感器按轉換桁架卸載過程遠程監(jiān)控系統(tǒng)要求的位置布設，并進行相應系統(tǒng)集成和監(jiān)測系統(tǒng)編制。應變計安裝塊成對提供帶有錐尖固定螺釘，傳感器表面應清理干凈。安裝時先確定安裝桿長度，再鋼結構設計位置焊接安裝塊，最后裝上安裝桿即可。安裝后的云平臺監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖4所示。（a）               （b）（c）（d）圖4遠程監(jiān)控系統(tǒng)實施（a）桁架鋼柱傳感器布設；（b）網(wǎng)架斜腹桿傳感器布設；（c）監(jiān)測系統(tǒng)主界面（計算機截圖）；（d）數(shù)據(jù)顯示界面（計算機截圖）2.3鋼結構轉換桁架卸載過程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析2.3.1網(wǎng)架桿件應力數(shù)據(jù)分析鋼結構轉換桁架卸載過程中桁架桿件的應力數(shù)據(jù)分析如圖5所示，包括主次桁架桿件、桁架鋼柱和臨時支撐3種監(jiān)測構件，其中圖5（a）和圖5（b）為主次桁架桿件卸載前布設的傳感器，圖5（c）為桁架鋼柱卸載前布設的傳感器，圖5（d）為臨時支撐卸載前布設的傳感器。受篇幅所限，本文每個類型僅給出2個傳感器數(shù)據(jù)分析。由圖5（a）可知，主桁架同一桿件上下布設的2個傳感器數(shù)據(jù)變化趨勢相同，數(shù)值接近，整個過程（包括前期水平支撐卸載和最終豎向卸載過程）的監(jiān)測結果與實際情況吻合較好，僅實測值稍小于桿件模擬值；由圖5（b）和圖5（c）可知，在卸載進行的小步驟內，主次桁架桿件布設的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)均有隨卸載步驟變動的趨勢，千斤頂開始最后一次同步卸載，的應力值與模擬值完全吻合，卸載完成后施工停歇期數(shù)據(jù)平穩(wěn)，符合施工過程對結構的影響變化規(guī)律相，說明監(jiān)測系統(tǒng)可準確獲取卸載過程中轉換層桁架的受力變化狀態(tài)。（a）               （b） （c）圖5轉換桁架卸載過程中桁架桿件的應力數(shù)據(jù)分析（a） 傳感器B-YG-Z3-4+5；（b） 傳感器B-YG-Z4-5（c） 傳感器B-YGZ-112.3.2轉換桁架臨時支撐卸載過程應力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析選取臨時支撐中反力最大的布設傳感器，每個豎向支撐鋼管上同一截面處對立面各設1個傳感器，共12個。受篇幅所限，本文選取桿件B-YGLZ-5和B-YGLZ-6支撐柱體做分析對象。分析結果如圖6 所示。（a）               （b）圖6臨時支撐傳感器數(shù)據(jù)分析（a） 傳感器B-YGLZ-5；（b）傳感器B-YGLZ-6由圖6可得出如下結論。（1）臨時支撐上傳感器均能反映數(shù)據(jù)隨現(xiàn)場卸載5個步驟的變化情況：2020年4月3日0900開始卸載時，所有臨時支撐上傳感器數(shù)據(jù)均有明顯突變且差值均為5?MPa左右，該步卸載完成后在施工停歇期數(shù)據(jù)平穩(wěn)；1020開始第2子步卸載時，傳感器數(shù)據(jù)仍均有明顯突變且傳感器差值均為15?MPa左右，卸載完成后在施工停歇期數(shù)據(jù)平穩(wěn)；1243開始第3子步卸載時，傳感器數(shù)據(jù)均有明顯突變且每個傳感器差值均為5?MPa左右，卸載完成后數(shù)據(jù)在施工停歇期數(shù)據(jù)平穩(wěn)；1402開始第4子步卸載時，傳感器數(shù)據(jù)均有明顯突變且傳感器差值均為5?MPa左右，卸載完成后在施工停歇期數(shù)據(jù)平穩(wěn)，1605開始第5子步卸載時，傳感器數(shù)據(jù)均有明顯突變且每個傳感器差值均為5?MPa左右，卸載完成后數(shù)據(jù)在施工停歇期數(shù)據(jù)平穩(wěn)；這與施工過程對結構的影響變化規(guī)律相符。（2）分析對比臨時支撐同一截面對立位置傳感器數(shù)據(jù)分析可知，由傳感器獲取的數(shù)據(jù)差值為2?MPa左右，說明轉換層桁架卸載施工過程中臨時支撐僅承受豎向荷載，不受彎矩作用，說明卸載時鋼支撐結構 安全。（3）對比5個步驟的數(shù)據(jù)可知，實測數(shù)據(jù)與理論值吻合很好，特別是第四和第五階段的監(jiān)控數(shù)據(jù)更接近理論數(shù)據(jù)，證明監(jiān)控過程定量可控，布設傳感器可準確獲取施工過程桿件的受力狀態(tài)，能滿足設計及施工要求。2.3.3轉換桁架鋼柱卸載過程應力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析本工程主次桁架梁柱連接為剛接節(jié)點，轉換桁架安裝與卸載過程中鋼柱應力需要進行監(jiān)測的鋼柱共 5根?？紤]偏心荷載作用，每根柱需在受彎方向對面布設兩個監(jiān)測點，共10個傳感器。受篇幅所限，本文選取鋼柱B-YGZ-11做分析對象（圖7）。圖7轉換層桁架鋼柱卸載過程傳感器數(shù)據(jù)分析由圖7可得出結論如下。（1）在卸載進行的小步驟內，監(jiān)測數(shù)據(jù)均有隨卸載步驟變動的趨勢，卸載完成后在施工停歇期數(shù)據(jù)平穩(wěn)；與施工過程對結構的影響變化規(guī)律相符，從定性分析角度表明卸載過程是可控的。測點B-YGZ-11-1在4月3日上午900千斤頂開始第一次同步卸載時應力變化2?MPa左右；1020千斤頂開始第二次同步卸載時應力變化為4?MPa左右；1243千斤頂開始第三次同步卸載開始時應力變化4?MPa左右；1402，千斤頂開始第四次同步卸載時應力變化為2?MPa左右；1605千斤頂開始最后一次同步卸載，其應力值穩(wěn)定在12?MPa，與模擬值14?MPa相近，證明監(jiān)測系統(tǒng)可準確獲取卸載過程中轉換層鋼柱的受力變化狀態(tài)。（2）分析對比安裝在同一柱對立面的兩個傳感器卸載當天的部分監(jiān)測點數(shù)據(jù)分析，鋼柱里側編號為1，外側編號為2，傳感器B-YGZ-11外側傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論值吻合，內側傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)小于理論值，差值為10?MPa，證明鋼柱受到較小偏載的作用，與模擬狀態(tài)一致。上述定性和定量分析數(shù)據(jù)均表明北區(qū)轉換層桁架鋼柱卸載過程大部分傳感器的實測值與數(shù)值模擬值有較好的吻合度，也驗證了有限元模型的正確性，說明卸載過程是可控的，未出現(xiàn)明顯異常，可繼續(xù) 施工。3結論液壓千斤頂卸載法以其可采用計算機聯(lián)動同步控制、數(shù)據(jù)反饋準確、同步性好、卸載設備可循環(huán)使用等優(yōu)點，已被廣泛用于鋼結構支撐體系中。本文針對現(xiàn)階段轉換桁架卸載過程監(jiān)測需求不足的問題，提出基于云存儲、4G傳輸、監(jiān)控平臺顯示的鋼結構轉換桁架卸載過程遠程監(jiān)控技術，并用于國內規(guī)模最大的鋼結構轉換桁架國家會議中心二期主會場鋼結構轉換桁架卸載中，得到如下結論。（1）卸載和卸載完成后的穩(wěn)定狀態(tài)的自動采集數(shù)據(jù)表明。監(jiān)測數(shù)據(jù)無明顯波動和干擾，絕大多數(shù)傳感器均正常工作，數(shù)據(jù)可信。（2）在定性分析方面，應力數(shù)據(jù)具有相同的變化規(guī)律，即卸載過程中隨卸載工況有明顯變化，可觀察到結構對稱性。卸載結束后一定時間內參數(shù)變化較 小，結構無向一個方向變動的趨勢，處于穩(wěn)定狀態(tài)。（3）在定量分析方面，通過對比卸載階段和穩(wěn)定階段的實測值和數(shù)值模擬值可知，卸載過程中絕大多數(shù)測試點的數(shù)據(jù)與理論值吻合較好，兩者差值均小于10?MPa，不會影響結構安全，穩(wěn)定狀態(tài)的實測值在一個穩(wěn)定的值隨溫度變化上下波動。定量分析表明在結構施工過程中與理論值較接近，施工結束后應力隨溫度穩(wěn)定變化，不存在明顯的安全隱患。通過上述系統(tǒng)可有效定量地把控鋼結構轉換桁架卸載施工過程，施工結束后通過對分析數(shù)據(jù)還可優(yōu)化施工工藝和臨時措施設計，以節(jié)約能源和材料，具有較大的推廣應用價值。