复杂钢结构屋盖卸载过程仿真分析与监控技术

浙江省衢州市文化艺术中心和便民服务中心为综合性建筑，平面呈米字型，长约295?m，宽约223?m。文化艺术中心、剧院演艺中心和便民服务中心相对独立又通过中央圆形广场有机连接。地上建筑分为A座、B座、C座、D座、E座五个区块，地上总建筑面积148?490?m ² 。C座（演艺中心）、D座（文化艺术中心）及E座（中庭公共大堂）屋面为钢结构，结构体系为空间单层网壳+桁架组合结构形式（图1）。C座、D座、E座钢结构均为原位拼装卸载成型，本文以最复杂的E座为对象进行阐述。

1?卸载施工全过程仿真分析

施工过程仿真分析可提前模拟施工过程，准确有效地获取风险点位置，为监控手段和方法提供依据。根据钢结构施工方案选取每个施工步骤建立仿真计算模型并进行各施工步骤的数据分析，本项目采用的通用有限元软件为MIDAS。选取的卸载步骤前后的计算结果如图2所示。由图2可知，通过卸载前后的模型计算结果可获取卸载过程中需关注的杆件，为监控方案测点布置提供依据。

图1?钢结构三维轴侧图（计算机截图）

（a）                            （b）

图2?E座卸载前后计算结果（计算机截图）

（a）卸载前；（b）卸载后

2?卸载施工监控方案

衢州市文化艺术中心和便民服务中心工程结构形状复杂，异形构件稳定性差，坡度大，双向跨度大。为全面把控卸载过程中的不确定性，保证施工过程安全可控，在传统的卸载方法、施工现场把控、位型检测等基础上，提出以4G为主能实现易损性分析中风险较大位置应力数据的采集、传输、存储、分析和反馈的自动化方案，以提高卸载过程中的判断频率，提前发现问题、解决问题。

2.1?结构应力监测位置

应力为材料级的微观量，微观量的变化可在第一时间获取结构的反应趋势，将应力损伤和危险点在微观量控制，安全评定中的微观量是局域损伤评估的基础量之一。控制钢桁架应力能有效控制钢结构施工安全和施工质量，为此在E座部分杆件设28个应力测点，应变传感器28个，临时钢支撑测点5个，在每个临时钢支撑的同一截面布设2个传感器，共10个传感器。E座部分应力点共布设38只传感器，具体位置如图3所示。

（a）

（b）

图3?E座应力监测布设点位置

（a）杆件应力置测点； （b）临时钢支撑应力置测点

2.2?硬件选择

2.2.1?传感器

本项目使用的应变传感器为MOS–6301振弦式表面应变计（图4），该仪器由两端法兰、钢管和穿过钢管的钢弦组成，材质均为不锈钢。应变计线圈使用环氧树脂密封电磁激励线圈，通过电缆对传感器进行激励和测读。

图4?MOS–6301振弦式应变计

2.2.2?采集仪

采集仪需与传感器配套使用并考虑施工过程监测的需要，除需具备采集数据的功能外，自身还需具备一定的存储、传输和供能的功能，因此选择北京产MOS–9210型自动化数据采集仪组合。该自动化数据采集仪是专门针对土木工程开发的一款振弦式传感器自动采集仪，其具有低能耗、可扩展、抗干扰能力强、防砸等优点，还内置了DTU无线传输模块，为施工监测的数据采集和传输提供了便利。

3?监控方案实施

3.1?硬件布设

监测系统与钢结构安装同期进行布设，硬件布设和系统集成在钢结构安装结束后进行，原则上不占用钢结构安装和施工关键路线时间，不影响施工工期。E座传感器布设如图5所示。

（a）                                     （b）

（c）

图5?E座部分钢结构表面式应变计布设

（a）临时钢支撑应变计布设； （b）钢构件应变计布设； （c）系统集成及保护

3.2?软件编制与部署

为实现异常事件发生后的快速报警预警功能，本项目在多项大型公共建筑结构健康监测软件的基础上，针对施工过程的特点为钢结构施工监测系统提供了一套基于云平台的动态监测与预警服务软件。该软件采用模块化设计，包括传感器管理、数据实时展示、数据库管理、安全评估、安全预警等系统，每个系统模块完成一个特定的子功能。该系统支持软件完成的基本功能包括监控传感器状态、数据实时采集、对数据进行存储和分析等；在发现异常时可通过弹窗、播放声音、短信等多种手段报警，并将数据上传到云服务数据中心，为后续数据分析与处理提供支撑。该系统能通过简单实用的人机交互界面，实现网络共享，通过互联网传输数据和图形，通过客户端方便地登录和查看。

4?卸载过程数据分析

本项目卸载过程从2021年1月2日开始，至8日完成。E座布设的38只应力传感器包括临时支撑和结构杆件两大类。在施工全过程中，复杂钢结构屋盖卸载施工监测系统采集关键应力，分析卸载前后钢结构的安全状态和施工质量，记录卸载施工前后应力变化和仿真计算结果。

从卸载过程监测数据可知，布设传感器的杆件在卸载过程中受力状态与设计模拟状态基本一致。卸载开始时测点变化明显，多数测点的变化趋势实测值逐渐靠近理论值。1月8日卸载结束后，关键杆件的应力较稳定，虽未受到温度波动影响，但应力差仍不大于5?MPa，与施工过程对结构的影响变化规律相符，数据显示卸载施工过程安全可控，对下一步施工无明显影响。

5?结束语

（1）新型卸载施工过程监测系统可有效获取卸载过程中临时支撑应力和钢结构关键杆件的应力状态，卸载过程中监控系统数据稳定正常，所有传感器数据演化规律与现场实际情况相符。

（2）通过优化施工监测系统的传感器布设时间和方法，提高传感器布设效率，利用钢结构安装的空档期，在传感器设计位置钢结构安装完成后布设监测系统，对施工工期无影响。

（3）取对称位置杆件布设传感器数据进行对比分析可知，传感器获取的数据变化趋势相同，数值和趋势均符合结构定性分析结论，从定性角度验证了卸载过程安全可控。

（4）采用施工监测数据与仿真计算结果进行逐一比对，发现监测数据均接近或小于施工仿真计算结果，与施工仿真模型偏安全的设置相符。施工过程实测数据接近或小于施工仿真计算结果，证明本次卸载施工过程对整体结构安全没有影响，后续施工过程中无需再进行调整。