钢结构应力及变形自动监测系统设计及应用

(1.中国建筑股份有限公司技术中心，北京 101300； 2.中建科技(北京)有限公司，北京 100070)

引言

近年来，大型钢结构在大型公共建筑中得到了广泛的应用，其结构体系越来越新颖、形式越来越复杂、规模越来越庞大，已成为当代建筑结构中最重要和最活跃的领域之一[1]。然而，钢结构施工过程中的事故却在不断的增加，钢结构施工过程中监测技术的研究和应用成为结构安全施工的保障。钢结构的迅猛发展，对施工过程监测技术提出了更高的要求。据资料记载，全球近120起具有代表性的钢结构事故，共有59起事故发生在制作或安装阶段，此阶段事故发生概率高达49.2%。究其原因[2]，如设计上没有完全考虑各施工的工况、局部施工荷载远大于设计荷载、现场施工质量不能完全达到设计的要求、施工单位缺乏复杂钢结构施工经验等，这就要求相关单位要对复杂钢结构进行施工过程监测。施工过程中的监测不仅能够为现场决策提供技术依据，达到保证施工安全的目的，还能为后续运营阶段的监测提供原始数据，真实反映结构的受力状态和性能。

鉴于钢结构施工过程安全监测的重要性，本文综合多个行业技术，设计并集成开发出反映结构受力及变形的全自动监测系统。

1 应力应变、变形自动监测系统集成设计与实现

1.1 应力应变、变形自动监测系统总体方案

应变、变形自动监测系统采用分布式架构，可以同时对多个监测区域进行自动监测，系统总体示意图如图1所示； 根据现场条件及用户的要求，可以选择方式1服务器模式或方式2电台通讯方式； 每个应变监测终端均由振弦传感器、应变采集器、通讯模块组成； 变形监测终端由测量机器人、通讯模块组成。

图1 应力应变、变形自动监测系统分布式架构示意图

现场监测终端采集到钢结构应变、变形数据后，通过通讯模块把监测信息实时发送到网络服务器或接收电台，安装有监测软件的PC客户端可实时查看每一个监测终端的监测信息并根据需要导出监测数据，具有权限的操作人员可通过客户端远程配置、更新现场监测终端。

1.2 监测系统基本原理介绍

应变监测系统中用到的振弦传感器其工作原理为[3]： 两个端块之间张拉一根一定长度的钢弦，端块牢固置于钢结构表面，钢结构的变形使得两端块相对移动并导致钢弦发生张拉变化，这种张力的变化使得钢弦谐振频率发生改变，以此来测量钢结构的应变，最后再通过钢材的弹性模量E即可计算得到应力。

变形监测系统用到的测量机器人工作原理：首先须要开通测量机器人的GeoCom通讯接口，通过此接口与上位机进行数据传输，进而实现测量机器人与远程计算机或服务器的数据交换。测量机器人通过CCD影像传感器对目标点进行识别、迅速作出分析、判断与推理，并自动完成照准、测量，以代替手工操作。测量机器人测量系统的设置包括测站、基准点、监测点。测站用来架设测量机器人，要求与基准点、监测点之间具有良好的通视条件； 基准点设置在稳固不动处，一般设2-3个，在基准点安装正对测站的棱镜或反射片； 监测点布设在变形体关键部位，在监测点处安装棱镜或者反射片。测量机器人监测系统使用前，先通过手动测量完成测量机器人的学习，获取每一个基准点、监测点的空间位置信息，这些信息远传到安装有监测软件的上位机或者服务器并保存，后测量机器人在远程计算机或者服务器的监测程序下作全自动的、不间断的、无人值守的变形监测，测量每一个点的三维变形大小，并对测量数据进形保存、分析、预警、图像显示、打印输出等。

1.3 应变自动采集终端系统集成设计

应变自动采集终端系统由应变传感器、电源管理模块、通讯模块、应变采集器组成； 应变监测终端总体框图如图2所示。

图2 应变监测终端总体框图

应变传感器选取长沙某公司振弦式传感器，技术参数如表1。

表1 振弦传感器参数

应变采集器选取原则：应具有组网的485通讯接口，支持二次开发，厂家提供二次开发的通讯协议。本系统设计选取北京某公司型号 HC-2 000A多通道振弦采集模块，精确采集传感器的频率和温度数据，内嵌高性能ARM控制器，反应快速，性能稳定； 频率采集范围400Hz—5 000Hz，精度0.1Hz； 3k热电偶温度采集，精度0.5℃； 通道选择使用松下高端MOSFET继电器，具有无火花、寿命长的优点； 标准RS-485通信接口； IEEE标准浮点型技术方式； 内置实时时钟，掉电后仍可正常计时； 16通道采集频率及温度信号。

为了降低应变采集系统的功耗，延长待机时间，选取具有可编程配置功能的电源管理模块。一方面根据现场设备采集周期调整的需要，可由远程PC端实时配置； 另一方面通过远程PC可实时查看现场监测终端设备的配置信息及剩余电量信息，避免了人工去现场调节、查看的麻烦。

通讯模块根据组网方式的不同，选取不同的硬件模块； 当选取服务器模式时选择3G/4G DTU模块； 现场近距离通信时选取传统通讯433MHz电台。

1.4 变形自动采集终端系统集成设计

变形自动采集终端系统主要由测量机器人、Y型电缆、供电部分、通讯模块组成； 变形监测终端总体框图如图3所示。

图3 变形监测终端总体框图

测量机器人选用徕卡超高精度TS50型号，测角精度0.5s，测距精度0.6mm+1ppm，具有自动目标识别、瞄准、测量功能； Y型电缆聚仪器供电与通讯为一体； 通讯模块根据现场及用户需求选择为3G/4G DTU或电台； 供电装置可为仪器自身电池或现场市电。

1.5 应变、变形自动监测系统软件设计

应变、变形自动监测系统具有自动采集控制、远程设备配置、远程查看数据、数据自动存储、图形化显示、数据异常报警、数据导出等功能。监测系统上位机程序运行于Windows系统，采用VB.net语言进行编程，支持多项目、多用户、分级权限管理。

自动采集控制实现对现场应变监测信息的自动采集，自动采集控制流程图如图4所示； 每一台现场监测终端都有一个唯一的设备识别地址，通过上位机软件配置，此设备地址作为该监测终端在整个分布式自动应变采集系统中的唯一身份识别。自动运行过程中，首先对监测设备通讯参数、设备地址进行检查，然后加载配置文件对设备进行初始化，设备初始化成功则启动监测任务线程，定时对传感器进行数据读取； 另外，启动监测任务的同时启动配置更新轮询线程，监听设备配置是否更新，以实现现场监测设备的远程配置，如果设备配置有更新，则重新加载配置参数，重新启动监测控制。

图4 自动采集控制流程图

图5 服务器程序总体框架

ASP.NET是微软提出的用于创建动态Web内容的一种强大的服务器端技术。.NET是微软推出的一个跨操作系统、跨平台的应用体系框架，.NET通过一组标准化的类库抽象了操作系统提供的进程、文件、网络等功能，并附加了丰富的文本处理、加密解密、调试跟踪等功能。ASP.NET与其底层框架.NET紧密结合，为动态的Web开发技术提供了丰富而强大的类库资源。本自动监测系统服务器程序基于Asp.NET框架进行开发，开发语言采用VB.net，服务器程序部署于IIS服务器，服务器程序总体框架如图5所示。

监测终端与Asp.net服务器程序以http方式进行通信，请求及返回数据遵循JSON数据格式。数据库采用SQLSever2008R2，为避免因高并发产生的数据访问带来的性能问题，在服务器程序中增加数据缓存区，减少数据重复进行物理加载，提高读写效率。应变自动监测系统参数设置界面如图6所示，应变自动监测系统运行界面如图7所示，变形自动监测参数设置如图8所示，变形自动监测运行界面如图9所示。

图6 应变自动监测系统参数设置界面

图7 应变自动监测系统运行界面

图8 变形自动监测系统参数设置界面

图9 变形自动监测系统运行界面

2 工程应用

2.1 工程概况

杭州国际博览中心工程，占地面积19万m2，总建筑面积约85万m2。钢结构总量约为14万t，钢构件总数量约6.2万件。

本工程钢结构主要分布于44m标高以下及上盖物业塔楼、会议会展、城市会客厅、屋盖等八个区域； 其中上盖物业塔楼主要为劲性结构，会议会展总体上由钢管混凝土柱(地下室为劲性钢柱、地上为钢管混凝土柱)、钢梁(H型钢梁、箱型梁)、钢桁架结构、钢筋桁架楼承板等组成，屋面由城市客厅球壳、屋面飘带网架及屋顶花园等部分组成，钢结构分布如图10所示。本文选取城市客厅球壳监测为例进行介绍。

图10 钢结构分布图

城市客厅球壳结构形式为单层网壳结构，球半径为29.625m，支承于主体结构的44m标高楼面，安装最高点标高为85.625m。在标高75.043m以上为扇形三向网格型球面网壳(凯威特K8型)，此标高以下按照80等分划分圆周，形成三角形单元组成的单层球壳。单层球壳局部因建筑需要，开有两个洞口，单层球壳底部通过环形桁架支承于主体结构，城市客厅单层球壳示意图如图11所示。

图11 城市客厅单层球壳示意图

2.2 应变监测

应力应变测点的布设应尽可能获得结构中受力较大、受力状态复杂、对结构整体承载力与稳定性具有重要影响的部位或杆件，因此应变传感器的测点应尽可能布置在应力较大和构件较为集中的区域，同时考虑系统数据传输问题，传感器布设应尽量集中布设，不宜过于分散，服从分块集中的原则。

杭州国际博览中心屋盖球壳结构应变测点布设以施工过程结构仿真计算结果为参考，选取应力较大的位置进行监测。图12为结构施工卸载结束阶段球壳应力比分布图，从图中可以看出单层球壳热点应力区域主要位于结构中心区域及八个主肋方向，综合考虑测点布设因素和单层球壳的应力热点分布，由于结构形式单轴对称，应力测点沿着对称轴单侧布置，共16个测点，球壳应变测点布置如图13所示，采用应变自动监测系统测量。

图12 施工完成时单层球壳应力比分布图

(1) (2)

(3) (4)图13 单层球壳应变测点布置

图14 某一测点应变监测曲线

图14为某一监测点应变监测曲线，由该测点的应变监测曲线可知，该区域所监测的应变没有大的变化，其应变只是随着外界温度变化而发生微小的变化，且此应变变化处于60με以内，远小于Q345的设计值，处于安全范围之内。

2.3 变形监测

变形监测，是施工中最常见的监测内容。变形监测也是大跨度结构施工监测的重点内容，变形测点的布设应服众整体分布均匀，重点部位加密的原则，同时根据施工模拟结果，对变形敏感部位进行加密监测，考察关键点的施工全过程变形发展规律。

根据实际施工过程对单层球壳竖向变形进行结构性能仿真计算，计算结果如图15所示，施工监测点布置14个(如图16所示)采用变形自动监测系统测量。

图15 施工完成时单层球壳竖向变形分布图

图16 单层球壳挠度监测点示意图(14个)

测点20140403201404132014042410-1.20.020-2.0-2.630-0.20.0403.42.6502.21.5604.32.8700.61.180-2.7-2.290-0.80.1100-0.4-0.9110-3.1-2.4120-0.5-1.4130-2.2-2.21401.90.0

表2为球壳竖向变形监测数据，球壳卸载前为初始状态，卸载后部分监测点由于释放焊接应力出现起拱，部分监测点下挠，其挠度变化较小，最大挠度为4.3mm，小于JGJ7-2010《空间网格结构技术规程》规定所允许的变形，即L/400(其中L为网壳短向跨度)，满足规范的要求。

3 结语

为确保钢结构施工质量及施工过程安全，针对市场现有硬件设备，集成开发出了应力、变形自动化监测系统； 实施过程中根据施工过程数值模拟计算结果，选择监测点布置的位置，用监测数据指导科学施工； 通过在杭州国际博览中心城市客厅球壳施工监测中的应用，表明该应力、变形自动监测系统运行稳定可靠、数据测量精度高，可广泛应用于其它类似工程的施工安全监测。

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