钢结构施工过程监测分析研究

罗欢

摘 要： 本文分析了钢结构施工过程监测，包括施工过程监测的基本原理，钢结构施工过程模拟分析理论。

关键词： 钢结构；施工；监测

施工监测是大型钢结构施工控制的基础，这是因为大型钢结构施工过程复杂，影响其施工顺利完成的因素很多：如所用材料性能与设计取值之间的差异；先期形成结构（构件）的截面特性等与分析取值之间的误差；施工荷载与计算取值之间的差异；结构模拟分析模型与实际情况之间的差别；施工测量存在的误差；施工条件与工艺非理想化的影响以及结构设计参数和状态参数实测中存在的误差等。

大型钢结构的施工长期而又复杂，是一个结构体系不断转换的过程。不同施工阶段，其受力分析模型以及受力状态有很大的不同，合理的施工过程跟踪分析计算分析是施工方案制定以及施工监测（如测点布置和监测分析等）等的基础，更是保证施工能否正常完成的一个重要环节.本章总结分析了钢结构常用的各种施工监测方法的原理和内容，归纳了钢结构施工过程跟踪计算的方法。

1.钢结构施工过程监测的基本原理

在整个钢结构施工过程中，监测系统扮演着重要的角色，它主要是采用现代化的监测设备，实时跟踪结构施工过程中的关键部位的位移和应力变化，以及其他如振动、温度等内容记录。通过实时收集到的信息，判断判断结构实际状态与设计目标是否一致，以便及时调整，使结构施工的准确性和安全性得到保证。钢结构施工过程监测的基本原理是通过被安装在结构上的传感器系统来实时收集施工过程中结构特性的变化情况，通过分析与判断对结构当前的运行情况，发现施工过程中的不准确性和不安全性因素，保证施工过程的顺利完成。

1.1几何变形监测

施工过程几何变形监测是对被监测对象或物体（简称变形体）的目标点进行测量，以确定其变形体的空间位置以及内部形态随时间的变化特征。变形监测主要是通过测量仪器对建立基准数据的测量变形体在空间三维几何形态上的变化情况进行监测，常见的常规測量仪器有水准仪、经纬仪、激光测距仪、全站仪和摄影测量设备等，这些常规的地面测量方法技术比较成熟，通用性好，精度也能满足常规监测需求，能够监测变形体的变形信息和趋势；但是缺点也是非常明显，如野外作业工作量大，易受施工作业面干扰，且不能满足动态、连续、远程监测的要求。随着电子技术、自动控制技术、激光技术、空间定位技术和远程通信技术的发展，以GPS技术、激光三维扫描仪、测量智能机器人等为代表的现代仪器结合现在通信网络，组成全天候连续自动实时监测系统，在变形监测中发挥着举足轻重的作用，同时也代表着变形监测的发展趋势，从而大大的提高了监测效率和外部变形监测数据的获取能力。

1.2应力监测

结构构件截面的应力监测是施工监测的主要内容之一，无论是何种钢结构，结构某指定点的应力也同其几何位置一样，随着施工的推进，其值是不断变化的。在某一时刻的应力值是否和理论分析值一样，是否处于安全范围是施工监测关心的问题核心.而解决的办法就是进行施工过程的应力监测，一旦监测发生异常情况，就立即停止施工，查找原因并及时进行处理。在现代大型钢结构工程中，需要对永久结构的下列点位进行监测：①最大应力点；②应力变化较大点；⑨施工关键点；④体现环境影响特征点。

钢结构的施工是一个长期的过程，所以，应力监测是一个长时间的量测过程.要实时、准确监测结构的应力状况，采用方便、可靠和耐用的传感组件非常重要。目前应力监测主要有直接法和间接法两种。直接法是利用应力传感器直接感知构件内部应力的一种测量方法，间接法是指首先利用各种应变传感器测量出构件的应变，再通过一定的换算方式转换为构件应力的一种测量方法。目前应力监测主要是采用电阻应变片传感器，振弦式传感器、光纤光栅应变传感器等。电阻式应变片传感器只能用于短暂的荷载增量下的应力测试，并且现场使用不便、耐久性差，所以，一般仅用于应力测试与校核。对于适合于现场复杂环境、持续时间较长且量测过程中始终要以初始零点作为起点的应力监测，目前基本上均采用振弦武传感器，主要原因是振弦式传感器具有较好的稳定性、使用方便、自然具有应变累计功能、抗干扰能力强以及数据采集方便等。光纤应变传感器是一种更为方便、准确的结构应力监测仪器，已经从实验室走向了工程应用，随着技术的进一步发展成熟，今后光纤应变传感器必将成为结构应力监测的主要设备和手段。

1.3索力监测

拉索作为一种高效地承受拉力的结构构件，正越来越广泛的应用于实际工程当中，拉索能参与的结构类型很多，其中比较重要的有索桁架、索穹顶、张弦梁等。索力测试的准确与否直接关系到拉索结构施工的顺利实施，是拉索结构能否成功修建的关键问题之一.在工程实际中，常用的索力测定方法有压力表测定法、压力传感器测定法、频率法以及磁通量发，前两种方法一般仅适用于正在张拉拉索的索力测定，后两种方法适合使用过程中的长期监测。

2.钢结构施工过程的模拟分析理论

近十年来，我国的大型钢结构建筑得到了空前的发展，同时也给施工技术提出了很大的挑战。施工过程中面临着大量永久结构和临时结构的强度、变形和稳定等问题，而且这些问题和结构施工过程的安全和质量都紧密相关，所以要对施工过程的结构进行计算和分析，同时也可以为施工监测提供理论依据。

对于大型钢结构，不仅要重视结构的最终设计状态，而且也要关心结构的成型过程。大型钢结构的成型过程是通过吊装或滑移或提升或其他施工技术从一系列准结构逐渐形成最终结构的过程，在这个过程中结构可能失去平衡而倾覆、或由于结构或构建失去稳定而倒塌、或由于局部构件和节点强度不足而破坏。因此，合理的施工方法选取、正确的施工过程验算以及施工过程的监测是施工过程顺利进行的保障。

2.1施工过程的计算内容

大型钢结构的施工过程需要进行的分析和计算包括如下内容：

1）施工全过程的结构内力和位移计算；

2）临时支撑的布置方案及拆撑过程计算；

3）结构整体提升过程的内力和位移计算；

4）结构施工过程中，结构整体稳定性计算；

5）大型构件吊装过程中的内力和位移计算；

6）结构施工过程中，风荷载、温度荷载以及地震荷载等影响分析；

7）预应力张拉全过程跟踪模拟计算及方法；

8）柔性结构的成型问题及计算。

另外，根据结构和施工工艺的不同，在实际的施工过程验算中，应该根据实际情况进行计算分析。

2.2施工过程的计算方法

钢结构的施工是一个多阶段的动态过程，随着施工过程的进行，结构体系在不断地变化，构件在增添或删减，约束条件在转换，构件连接边界在变化，结构自重、施工荷载也在变化；前一个施工阶段的结构受力状态对后一期施工的结构的受力性能乃至最终结构的工作状态有着密切的联系；即便是同样的结构，若采用不同施工方法和施工顺序，也将会得到不同的终态构型。对于大量施工过程的结构计算问题则是静止状态的结构分析，需要根据结构的实际情况，确定边界和荷载条件，进行结构计算。

目前应用和研究较多的两种施工力学实用分析方法为f281：生死单元法和施工多阶段分析理论，相关研究的学者也很多.生死单元法是根据施工过程，选择单元的“激活”与“杀死”，已经安装完成的单元设定为“激活”状态（即设定为“活单元”），未安装完成的单元设定为“杀死”状态（即定为“死单元”），这样结构分析时只考虑“活单元”参与工作；施工多阶段分析理论则是各阶段分析时只考虑已安装部分的单元刚度矩阵和相应的节点力向量，按照拟定的施工方案边重组分析模型边求解，真实、精确地模拟了整个施工过程。■

参考文献

[1]岳建平，方露，黎昵.变形监测理论与技术研究进展[J].测绘通报，2007，7：1-4.

[2]顾安邦，张永水.桥梁施工监测与控制[M].北京：机械工业出版社，2005.