钢结构巨型转换桁架卸载过程远程监控技术开发与应用

国家会议中心二期工程平面尺寸458?m146?m，地上3层，地下2层，高51.32?m。总用钢量约13万t。地上标高14.30020.000?m桁架层包括主会场及会展厅桁架结构。其中主会场平面尺寸为72?m108?m，会展厅平面尺寸为81?m234?m，最大跨度81?m，单榀主桁架最重约800?t，该层钢结构总重41?280.8?t，结构布置如图1所示。本文以主会场钢结构巨型转换桁架卸载过程为例，介绍钢结构巨型转换桁架卸载过程中远程监控技术的开发与应用。图1?20.000?m标高结构布置1?主会场结构转换桁架卸载过程概况主会场结构转换桁架采用整体千斤顶同步卸载施工方法，为化解上层建筑的结构重压，采用通高7.7?m，由纵向、横向、斜向杆件交叉构成的转换桁架结构体系。向上托举1.6倍于自身的重量，向下承载超大无柱空间，将上层结构的重力均匀传至首层侧边的支撑柱上，实现整个建筑结构的受力平衡。8?000?的无柱空间主会场（桁架结构），标高20.000?m的转换层桁架于2020年4月1日开始卸载周边支撑；4月3日千斤顶开始逐级同步卸载，当日下午全部卸载完成。图2为整体卸载过程的安全监测系统示意。图2安全监测系统示意2监控技术的设计与实施2.1钢结构转换桁架卸载过程监控系统设计2.1.1桁架测点位置由于系统传感器布设是在设计杆件施工结束后进行，因此按施工顺序将传感器布设点分为桁架卸载施工控制点、桁架钢柱控制点和临时支撑控制点3部分。为实现转换桁架整体卸载过程的施工安全控制，根据易损性分析计算结果选取主次转换桁架应力及变形较大的弦杆和腹杆进行应力及变形监测，传感器分布为：主次桁架被测杆件23根，使用传感器24只，主次桁架变形监测点3个加一个位移基准点，共4个；桁架钢柱被测构件5根，使用传感器10个；临时支撑6根，使用传感器12只，共采用传感器46只。2.1.2监测仪器优选应力监测系统选用北京产MOS-9210型自动化数据采集仪及MOS-6301弧焊型振弦式表面应变计组合，其中应变计安装在钢结构及其建筑物表面，用于测量结构应变，自动化数据采集仪是集用户管理、测量管理、数据管理、通讯管理于一身，便于工程安全的自动化测量及数据处理传感器和解调仪如图3所示。（a） （b）图3项目应变采集系统优选仪器（a）BGK-4000弧焊型振弦式应变计；（b）BGK-MICRO-40型自动化数据采集仪2.2钢结构转换桁架卸载远程监控系统的实施传感器按转换桁架卸载过程远程监控系统要求的位置布设，并进行相应系统集成和监测系统编制。应变计安装块成对提供带有锥尖固定螺钉，传感器表面应清理干净。安装时先确定安装杆长度，再钢结构设计位置焊接安装块，最后装上安装杆即可。安装后的云平台监测系统界面如图4所示。（a） （b）（c）（d）图4远程监控系统实施（a）桁架钢柱传感器布设；（b）网架斜腹杆传感器布设；（c）监测系统主界面（计算机截图）；（d）数据显示界面（计算机截图）2.3钢结构转换桁架卸载过程监测数据分析2.3.1网架杆件应力数据分析钢结构转换桁架卸载过程中桁架杆件的应力数据分析如图5所示，包括主次桁架杆件、桁架钢柱和临时支撑3种监测构件，其中图5（a）和图5（b）为主次桁架杆件卸载前布设的传感器，图5（c）为桁架钢柱卸载前布设的传感器，图5（d）为临时支撑卸载前布设的传感器。受篇幅所限，本文每个类型仅给出2个传感器数据分析。由图5（a）可知，主桁架同一杆件上下布设的2个传感器数据变化趋势相同，数值接近，整个过程（包括前期水平支撑卸载和最终竖向卸载过程）的监测结果与实际情况吻合较好，仅实测值稍小于杆件模拟值；由图5（b）和图5（c）可知，在卸载进行的小步骤内，主次桁架杆件布设的传感器监测数据均有随卸载步骤变动的趋势，千斤顶开始最后一次同步卸载，的应力值与模拟值完全吻合，卸载完成后施工停歇期数据平稳，符合施工过程对结构的影响变化规律相，说明监测系统可准确获取卸载过程中转换层桁架的受力变化状态。（a） （b）（c）图5转换桁架卸载过程中桁架杆件的应力数据分析（a） 传感器B-YG-Z3-4+5；（b） 传感器B-YG-Z4-5（c） 传感器B-YGZ-112.3.2转换桁架临时支撑卸载过程应力监测数据分析选取临时支撑中反力最大的布设传感器，每个竖向支撑钢管上同一截面处对立面各设1个传感器，共12个。受篇幅所限，本文选取杆件B-YGLZ-5和B-YGLZ-6支撑柱体做分析对象。分析结果如图6所示。（a） （b）图6临时支撑传感器数据分析（a） 传感器B-YGLZ-5；（b）传感器B-YGLZ-6由图6可得出如下结论。（1）临时支撑上传感器均能反映数据随现场卸载5个步骤的变化情况：2020年4月3日0900开始卸载时，所有临时支撑上传感器数据均有明显突变且差值均为5?MPa左右，该步卸载完成后在施工停歇期数据平稳；1020开始第2子步卸载时，传感器数据仍均有明显突变且传感器差值均为15?MPa左右，卸载完成后在施工停歇期数据平稳；1243开始第3子步卸载时，传感器数据均有明显突变且每个传感器差值均为5?MPa左右，卸载完成后数据在施工停歇期数据平稳；1402开始第4子步卸载时，传感器数据均有明显突变且传感器差值均为5?MPa左右，卸载完成后在施工停歇期数据平稳，1605开始第5子步卸载时，传感器数据均有明显突变且每个传感器差值均为5?MPa左右，卸载完成后数据在施工停歇期数据平稳；这与施工过程对结构的影响变化规律相符。（2）分析对比临时支撑同一截面对立位置传感器数据分析可知，由传感器获取的数据差值为2?MPa左右，说明转换层桁架卸载施工过程中临时支撑仅承受竖向荷载，不受弯矩作用，说明卸载时钢支撑结构安全。（3）对比5个步骤的数据可知，实测数据与理论值吻合很好，特别是第四和第五阶段的监控数据更接近理论数据，证明监控过程定量可控，布设传感器可准确获取施工过程杆件的受力状态，能满足设计及施工要求。2.3.3转换桁架钢柱卸载过程应力监测数据分析本工程主次桁架梁柱连接为刚接节点，转换桁架安装与卸载过程中钢柱应力需要进行监测的钢柱共5根。考虑偏心荷载作用，每根柱需在受弯方向对面布设两个监测点，共10个传感器。受篇幅所限，本文选取钢柱B-YGZ-11做分析对象（图7）。图7转换层桁架钢柱卸载过程传感器数据分析由图7可得出结论如下。（1）在卸载进行的小步骤内，监测数据均有随卸载步骤变动的趋势，卸载完成后在施工停歇期数据平稳；与施工过程对结构的影响变化规律相符，从定性分析角度表明卸载过程是可控的。测点B-YGZ-11-1在4月3日上午900千斤顶开始第一次同步卸载时应力变化2?MPa左右；1020千斤顶开始第二次同步卸载时应力变化为4?MPa左右；1243千斤顶开始第三次同步卸载开始时应力变化4?MPa左右；1402，千斤顶开始第四次同步卸载时应力变化为2?MPa左右；1605千斤顶开始最后一次同步卸载，其应力值稳定在12?MPa，与模拟值14?MPa相近，证明监测系统可准确获取卸载过程中转换层钢柱的受力变化状态。（2）分析对比安装在同一柱对立面的两个传感器卸载当天的部分监测点数据分析，钢柱里侧编号为1，外侧编号为2，传感器B-YGZ-11外侧传感器监测数据与理论值吻合，内侧传感器监测数据小于理论值，差值为10?MPa，证明钢柱受到较小偏载的作用，与模拟状态一致。上述定性和定量分析数据均表明北区转换层桁架钢柱卸载过程大部分传感器的实测值与数值模拟值有较好的吻合度，也验证了有限元模型的正确性，说明卸载过程是可控的，未出现明显异常，可继续施工。3结论液压千斤顶卸载法以其可采用计算机联动同步控制、数据反馈准确、同步性好、卸载设备可循环使用等优点，已被广泛用于钢结构支撑体系中。本文针对现阶段转换桁架卸载过程监测需求不足的问题，提出基于云存储、4G传输、监控平台显示的钢结构转换桁架卸载过程远程监控技术，并用于国内规模最大的钢结构转换桁架国家会议中心二期主会场钢结构转换桁架卸载中，得到如下结论。（1）卸载和卸载完成后的稳定状态的自动采集数据表明。监测数据无明显波动和干扰，绝大多数传感器均正常工作，数据可信。（2）在定性分析方面，应力数据具有相同的变化规律，即卸载过程中随卸载工况有明显变化，可观察到结构对称性。卸载结束后一定时间内参数变化较小，结构无向一个方向变动的趋势，处于稳定状态。（3）在定量分析方面，通过对比卸载阶段和稳定阶段的实测值和数值模拟值可知，卸载过程中绝大多数测试点的数据与理论值吻合较好，两者差值均小于10?MPa，不会影响结构安全，稳定状态的实测值在一个稳定的值随温度变化上下波动。定量分析表明在结构施工过程中与理论值较接近，施工结束后应力随温度稳定变化，不存在明显的安全隐患。通过上述系统可有效定量地把控钢结构转换桁架卸载施工过程，施工结束后通过对分析数据还可优化施工工艺和临时措施设计，以节约能源和材料，具有较大的推广应用价值。