智能监测技术在超高层塔冠结构施工中的应用*

秦天保，韩文涛，郭学卫，滕洪园，张明涛

(1.中建三局集团有限公司工程总承包公司，湖北 武汉 430064； 2.武汉襄投置业有限公司，湖北 武汉 430000)

0 引言

国内外已有较多对钢结构施工过程监测的研究。Hampshire等基于结构工程、传感器、信号处理和控制综合系统，研究监测钢结构性能的分布式光纤传感器。鲍广鉴等基于广州新白云国际机场航站楼钢结构整体滑移技术，提出管桁架系统设置及实施等关键技术。在监测传感器、施工监测模拟分析、滑移施工技术及监测软件开发等研究中做出诸多成果，但对超高层塔冠大跨度钢结构施工过程监测方法的研究相对较少，对滑移模拟分析与实时监测数据的对比分析较少。

根据相关文献介绍，国内对智能监测系统的研究相对较少，现有监测仪器多借鉴国外传感器技术研制开发。同时，不同监测技术采用的数据库格式不同，缺乏统一标准，因此，监测仪器的适用性受到较大限制。智能监测系统亟待解决的技术问题如下：①缺乏统一的技术标准和协议，需建立通用的系统网络通信协议；②当前无线监测仪器的耐久度、信号传输、能源供应等问题给监测工作带来困难，增加监测项目成本，制约监测技术推广，需改进传感器；③现有智能监测系统在远程监控中应用不多，可预见该技术是未来发展趋势，需完善无线监测技术。因此，研究智能有效的监测方案及技术手段是当务之急，也是智能监测技术发展的关键。

本文对复杂大跨空间钢结构施工滑移的智能监测方法进行研究，结合襄阳大厦塔冠钢结构项目施工阶段监测过程，提出适用于超高层大跨复杂钢结构塔冠施工的监测方法，对比分析有限元仿真模型，开展超高层塔冠智能监测技术应用实践。

1 工程概况

新建商业服务业设施项目(襄阳大厦)位于武汉市武昌区中北路青鱼嘴。襄阳大厦总建筑面积14 836m2，其中地上58层，建筑面积10 924m2；地下4层，建筑面积39 120m2。建筑高度249.9m，女儿墙处建筑高度263.2m。平面呈三角形，主要柱网尺寸为9，6.5m。地上部分主要用作办公和酒店，裙楼主要功能为宴会厅和配套措施，地下室主要为停车及设备用房。本工程54层至桁架层底标高227.400m，顶标高260.800m，总高度33.4m。监测襄阳大厦54层至桁架层，即54～58层及屋顶层、屋顶设备层内圆钢管格构柱及外层方钢柱、屋顶构架层桁架结构外框架柱及钢桁架等关键构件截面应力及变形情况。塔冠钢结构如图1所示。

图1 塔冠钢结构(单位：m)

2 结构监测原理

2.1 监测步骤

整个塔冠结构监测过程分步骤进行：编制监测方案→安装应力计及其他设备→设备功能调试→云平台智能数据采集与初步处理→系统数据统计分析→成果报告总结。

2.2 传感器及应力计原理

采用不锈钢式焊接型应力计进行监测数据采集(见图2)。该产品适用于长期埋设在水工结构物、其他混凝土结构物内或钢结构受荷载作用下，测量结构物内、外部的应变量，具有高防水性能、通用性好、长期监测稳定可靠等优势，确保数据真实有效。

图2 应力计

2.3 应变计原理

表面应变计主要用于钢结构表面，也可用于混凝土表面。表面应变计由2块安装钢支座、微振线圈、电缆组件和应变杆组成，微振线圈可从应变杆卸下，增加可变度，使传感器安装、维护更方便，并且可调节测量范围(标距)。安装时使用定位托架，用电弧焊将两端的安装钢支座焊(或安装)在待测结构表面。表面应变计的特点在于安装快捷，可在测试开始前安装，避免前期施工造成损坏。

现场原始数据通过监测监管云平台及时推送给相关单位管理人员和技术人员，可及时掌握工程安全信息。

除记录传感器编号和对应测试频率外,原始数据还能时刻反映施工环境和现场信息。

测试数据处理如下：

(1)

3 监测点位布置

本项目监测的主要内容为主体钢结构及大跨度钢桁架施工过程。结合结构健康监测中的传感器布置方法、评价准则、监测内容，包含位移监测和应变监测，最终根据超大塔冠施工结构特性科学布设测点。

3.1 位移监测布点

位移监测布点的主要原则是测量各控制点空间三维坐标(或竖向变形)，防止在钢结构吊装过程中出现与理论值相差较大的变形。目的是通过测量各监测点，得出各监测点吊装后实测坐标或位移，并对比控制值，得出结构在各工况下的位移变化：①54层至设备层 测点布置在外柱立柱顶部，共36个测点，编号为C1～C36；②屋顶构架层 测点布置在柱顶、桁架底，共33个测点，编号为C37～C69。由于钢结构受温度影响很大，因此监测过程考虑温度变化对监测点的影响，而测试时避开温度变化较大的时间段。

塔冠桁架位移监测点位布置如图3所示。

图3 塔冠桁架位移监测点位布置

3.2 应变(应力)监测布点

应变监测布点原则是主体钢结构及屋顶大跨钢桁架施工模拟计算结果中应力较大的节点、弦杆等，通过监测最不利位置应变，使结构施工完成后性能符合理论设计值。应力监测布置应遵循以下原则：①使用阶段应力比较高的杆件；②施工阶段中内力变化较大、内力重分布明显的杆件；③弦杆温度应力较大的杆件。54层至顶层外层方钢柱结构测点布置在柱顶，测点共9×8=72个，编号为N1～N72；桁架层测点布置在环形桁架梁(桁架顶、桁架底、桁架腹杆)，测点共12×3=36个，编号为N73～N108。

应变监测工况和位移监测工况相似，对连体结构从地面组装、空中提升到空中拼装的应变监测分为施工阶段应变监测和使用阶段应变监测。

4 结构监测方案

4.1 应力监测

从施工阶段到使用阶段全过程进行观测，适时采集应力数值，并根据需要可选择性地连续观测全天应力，观测1d内杆件的应力变化情况。各杆件应力传感器分别汇集编号，通过数据采集系统，可实现多测点应力自动采集和实时监控，应及时整理每天(次)的观测数据。

4.2 温度监测

应力监测采用YL-BSG应变计，内置测温功能，同步测试温度。

4.3 变形监测

在监测点处粘贴莱卡反光十字标记，并现场安置3个观测基准点，与位移监测点一起建立变形监测网，采用全站仪进行观测。卸载前进行对比试验，在不同时段进行测量，从而验证变形监测网的可靠性，并检验测量精度。监测所用仪器包括振弦式传感器、全站仪、信号采集仪、水准仪。

位移、应力/应变监测点的选取至关重要，根据施工组织设计方案，选取并埋设位移监测点69个，应力/应变监测点108个，通过以上监测点监测钢网架及罩棚空中拼装的全施工过程。位移监测累计10次，应力/应变监测累计64次。

5 数据处理及结果分析

5.1 监测数据处理及分析

根据监测塔冠钢构柱施工过程应力/应变观测点(72个)，由监测数据可知，截至9月22日塔冠柱累计最大应变量为-140.3με(测点6)，累计最小应变量为-58.1με(测点71)，整个施工过程中塔冠钢构柱相对稳定。

对塔冠钢结构260.650m标高桁架施工过程应力/应变36个观测点进行监测，由监测数据可知，累计最大应变量为512.9με(测点74)，累计最小应变量为-498.6με(测点77)，整个施工过程桁架结构相对稳定。

对塔冠钢结构施工过程33个位移监测点进行监测，由监测数据可知，塔冠桁架钢结构未出现异常位移情况，无明显变化。其中构件1最大挠度为14.6mm，构件7最大挠度为3.6mm。由此可见塔冠钢结构未出现较大位移变化，整个施工过程塔冠桁架结构相对稳定。

5.2 大跨度钢桁架仿真模拟分析

利用SAP2000软件对塔冠层进行建模，模拟分析施工工况。完成屋面钢桁架安装，各方检测验收合格后卸载胎架。胎架卸载完成后塔冠钢桁架模拟结果如图4所示。通过仿真模型可以看出，三角区域C6号监测点位移最大。胎架卸载后最大位移值为88mm，位于3道GHJ3交界处三角区域内。外围区域C42号监测点位移最大，为75mm，位于GHJ1/GHJ6交界处。C6，C42号测点的实际变形值与仿真模拟分析值对比结果如图5所示。

图4 胎架卸载后钢桁架仿真模拟(单位：MPa)

图5 实际监测位移变形值与仿真模拟分析值对比

结合理论分析与实际监测结果，塔冠钢桁架未出现异常位移情况，无明显变化。其中C6号测点最大位移为14.6mm，C42号测点最大位移为7.9mm，远小于设计过程中的仿真模拟分析安全值。由此可见，塔冠钢结构未出现较大位移，整个施工过程塔冠桁架结构相对稳定，满足钢结构设计规范要求。

6 结语

通过选择合适的传感器、科学布置监测点、智能化采集处理数据，同理论仿真模拟相结合，保证了结构施工安全，控制施工质量，提高结构精度。本文介绍的智能监测技术在超高层塔冠结构中的应用，对钢结构塔冠及相似结构的塔冠施工或研究起一定借鉴作用。此项智能监测技术在仪器采用以及数据库的兼容性方面，需要找到更标准、更统一的监测硬件和软件。