基于北斗的张弦梁拉索施工过程位形精细化动态监控技术

张弦梁结构是一种新型杂交屋盖体系，它是一种由刚性构件上弦、柔性拉索和中间采用撑杆形成的混合结构体系，属于自平衡体系中的一种，较适合于大跨度空间结构，也是混合结构体系发展中比较成功的创造。张弦梁结构体系简单，传力明确，可充分发挥刚、柔2种材料的优势，在实现制作、运输、施工的简便快捷的同时获取的大跨度空间体系，已被广泛用于高铁站、航站楼、体育场、展览馆等大型空间结构。

张弦梁结构的整体刚度来源于抗弯构件与拉索组成的几何形状，该结构介于刚性和柔性结构之间，属半刚性结构，其中索内预拉力的施加方法和过程是张弦梁结构施工的重点。拉索施工过程中的位形控制对保证施工质量具有重要意义。

现阶段拉索施工的位形控制主要采用全站仪在特定的里程碑事件时进行数据采集和分析，该方法可实现一定程度的位形控制，但受测试频率的限制无法覆盖拉索施工的全过程；且由于人工的介入，有时会出现数据采集和记录错误的情况，给张弦梁结构施工的调整带来了困难。

随着技术改进并将其引入施工阶段，施工过程的动态控制也已成为可能；我国北斗全球定位系统的组网成功，将监测精度提高到毫米级，为张弦梁结构拉索施工过程的位形控制提供了有效手段。

本文采用北斗高精度定位系统，提出拉索张拉过程位形实时监测系统，该系统采用无线传输、太阳能、云存储等新技术，通过北斗系统获取拉索施工过程张弦梁的关键位形数据，再通过无线传输技术将数据实时传至云平台，通过集成判定方法的系统软件对数据进行实时处理和比对，为拉索施工质量的有效实现提供保障措施。

最终通过整体数据分析给出拉索施工过程位形质量的定性分析，并用以定量评估张弦梁结构的施工过程实现情况。

1??工程概况

1.1??张弦梁整体概况

北京国家会议中心二期宴会厅及屋顶花园屋面结构采用张弦梁结构，跨度72?m，共有41榀张弦梁。张弦梁结构由屋面钢结构、拉索和拉杆组成。其中屋面钢结构主要截面为□700×200×18/20/25/30/35, □500×250×10/14, □500×200×10/16，材质为Q345GJC, Q355C, Q355B；索体为密闭索，有110?mm和95?mm 2种直径；撑杆设置在跨中位置，共 2根，其中 ? 40钢拉杆对应 ? 95索， ? 45钢拉杆对应 ? 110索。 单榀张弦梁的结构三维图如图1所示。

图1??屋盖张弦梁结构示意

1.2??拉索施工概况

屋面钢结构施工步骤为：在3个胎架上安装钢结构桁架，将拉索张拉至张拉控制力的50%，检查后开始滑移，再在原胎架上安装下一步钢结构，进行滑移。按此循环，在全部滑移到位并拆除胎架后，对所有拉索进行第二次张拉至符合设计要求。

1.3??监测工作的重点及难点

张弦梁结构的张拉成形过程主要是确定预应力过程的次序、步骤、采用的机械设备和每次预应力过程的张拉量值，同时控制结构的形状变化。因为结构的形状是与预应力分步相匹配的，在张弦梁结构成形每一阶段中，预应力张拉过程中结构都需经历一个自适应的过程，结构经自平衡使内力重新分布，形状也随之改变，所以预应力施加过程中张弦梁位形的监控十分重要。

2??位形动态监控技术

2.1??北斗监测系统的整体框图

（1）根据拉索张拉过程张弦梁结构位形监控的需要，在满足施工过程要求的自动化施工监测云平台的基础上，分析拉索张拉过程的使用特点，通过有限元通用软件对拉索张拉过程进行仿真模拟分析，确定张拉过程中屋盖结构的位形控制点。

（2）根据仿真计算结果选取使用量程和精度的传感器子系统和数据采集与传输子系统。

（3）通过云平台和太阳能供电补充形成实现自动采集和初步判定的基于北斗的张弦梁拉索施工过程位形精细化动态监控系统。

图2为拉索张拉过程中位形监控系统示意图。

图2??基于北斗的拉索施工阶段位形监测系统

2.2??北斗系统简介

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国GPS全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统后第三个成熟的卫星导航系统。2020年本项目的拉索第二次成型张拉前，北斗系统完成了全部35颗卫星的发射定位，可为全球提供导航服务。

本项目采用由北京某公司开发的YL-R-982双天线GNSS北斗移动站接收机，该机是一款用于定位、导航及测姿测向的GNSS产品，具有毫米级定位精度，可进行双天线高精度航向测量，内置4G全网通模块，板载MEMS组合导航，支持U-Fusion紧组合导航技术，支持里程计输入及外部更高性能惯性器件输入，支持NTRIP协议，可连接CROS网络、支持TCP透明传输，同时可支持2路TCP数据传输，满足本项目的张弦梁拉索施工位形精度控制要求。GNSS的实物如图3所示。

图3??北斗GNSS接收机

3??监控技术的设计与实施

3.1??监测点位置

本项目张弦梁结构的屋面钢结构为弧形，为形成稳定的面系控制，施工过程中在屋面钢结构的中心 （竖向位移最大点）和两个肩部（辅助控制索长方向的位形）各布设一个监测点，基站安装于开敞无明显遮挡的稳定点位置（图4）。

图4??北斗测点位置示意

3.2??监测系统实施

本项目拉索施工分两次进行，分别为张拉控制力50%阶段和张拉控制力100%阶段，历时1个半月。经仿真计算可知第一个阶段索力小，位形变化不明显，第二阶段为位形主控阶段。在第二个张拉阶段开始前进行系统布设和调试。现场照片如图5所示。

   

（b）

（c）

图5??国家会议中心二期屋面钢结构北斗系统实施照片

（a） 太阳能板；（b）主机和天线；（c）基站

4??拉索施工过程中的数据分析

4.1??拉索张拉过程仿真计算结果

图6为拉索施工过程中的位移计算结果，由图6可知北斗系统布设的41号拉索的跨中位置在拉索二次张拉时的最大位移值为97?mm。

（a）

（b）

图6??张弦梁拉索二次施工的仿真计算结果（计算机截图）

（a）整体计算结果；（b）网壳计算结果

4.2??北斗位形测试系统数据分析

本项目的北斗系统测点布设位置为41轴线位置的桁架，监测数据为国家会议中心二期主体结构屋顶拉索及网架滑移阶段数据，即选取2020年6月26日至9月6日期间的数据进行分析。不同方向位移数据分析如图7所示。

（b）

图7??北斗监控系统数据对比

（a）垂直滑移水平方向同一高度传感器数据对比；（b）最高点传感器竖向位移数据

由图7可得出结果如下。

（1）北斗监控系统在正常工作状态下采集的数据稳定正常，所有测试点位均能看到数据随拉索施工的变化而变化，与施工过程对结构的影响变化规律相符。本次拉索张拉对屋面钢结构主要可能产生平面内的位形变化，因平面外的数据不会有明显变动，故不做分析。

（2）取2个肩部位置传感器测试数据的平面内水平方向数据进行差值对比分析，用于衡量张拉过程中索长方向的情况，如图7（a）所示。由图7（a）可知，整个拉索变化过程中水平始终在0位置上下波动状态，波动差值为毫米级别。拉索施工过程中虽会产生震动，但并未对屋面钢结构产生实质性的影响，与预估理论相符。

（3）取跨中位置传感器竖向位形数据分析拉索施工过程对屋面钢结构的上拱情况，如图7（b）所示。由图7（b）可知，最高点受拉索作用的最大反拱为100?mm，与数值仿真结果（97?mm）的误差仅为3%，说明张弦梁拉索施工的位形控制精度准确 有效。

5??结论

国家会议中心二期主体结构屋面施工的主要监测对象为屋面张弦梁结构，该结构由屋面钢结构、拉索结构和撑杆组成，其中拉索施工为主动力，其张拉过程会对屋面钢结构的位形产生动态影响。针对以上问题，将北斗系统引入至张弦梁拉索施工位形监控，并通过引入无线传输、太阳能、云平台等新技术，形成满足实际工程需要的毫米级精度拉索施工位形动态控制系统，得到结果如下。

（1）考虑国家会议中心二期项目的实际情况，结合其有效性和经济性，选取拉索施工反拱最大的单榀张弦梁做监测对象，分别在最高点和两个肩部各布设1个测点及1个高精度基站，通过信息化和智能化技术实现了北斗系统的自动采集本。

（2）拉索施工过程中，由太阳能供电的北斗位形监测系统全程均有数据传回，这些数据与现场实际情况相吻合。

（3）拉索二次张拉相对起拱值定量可控，实测数值与理论分析仅相差3%。水平方向的位形无明显变动，与施工要求相符。在位形监测角度表明该项目张弦梁拉索施工控制良好，满足要求。

该系统的成功应用，可为类似项目提供借鉴。