陳尚文， 趙增超， 蔡吳和， 曾強強

（1. 中能建建筑集團有限公司；2. 中電投工程研究檢測評定中心有限公司）

1 引言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一項涉及工程、科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的重要實踐，旨在實時、無損地評估和監(jiān)測各種結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和性能。對于確保建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性、安全性和可持續(xù)性至關(guān)重要。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測通常包括數(shù)據(jù)采集和傳感器技術(shù)，數(shù)據(jù)分析和處理，結(jié)構(gòu)健康評估，實時監(jiān)測和警報，維護和維修決策等關(guān)鍵方面。這一領(lǐng)域的不斷進步將持續(xù)改善我們周圍建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的質(zhì)量和可靠性[1]。

2 項目概況

南潯國際會展中心位于浙江省湖州市南潯新區(qū)，其中5#國際會議中心為幕墻鋼網(wǎng)殼工程，該建筑主要分為內(nèi)外兩部分，內(nèi)部為鋼骨混凝土框架結(jié)構(gòu)，外部為單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)除入口處梁柱構(gòu)件截面為矩形管外，其余桿件為H 型鋼，如圖1所示。

由于一些特殊原因，本項目施工過程存在諸多不確定性。在設(shè)計方面：單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用于大懸挑，在國內(nèi)為數(shù)較少，設(shè)計及施工經(jīng)驗少；在受力方面：結(jié)構(gòu)的傳力較曲折復(fù)雜，節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜。在加工制作方面：桿件，節(jié)點精度控制難度大，單片網(wǎng)殼制作精度要求高。在施工安裝方面：現(xiàn)場測量定位難度大，單片吊裝控制難度大，制作安裝工期緊、焊接質(zhì)量等因素的存在。

基于本項目上述特點，施工過程中對結(jié)構(gòu)施工過程的監(jiān)測尤為重要。根據(jù)施工方案總體部署，本鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分四段標(biāo)高進行拼接與安裝，最后進行胎架拆卸，自下而上分為一區(qū)～三區(qū)。單層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工階段的監(jiān)測重點應(yīng)分布在每段網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上，安裝階段主要監(jiān)測項目為應(yīng)力應(yīng)變。

3 監(jiān)測方案

3.1 主體方案

安裝與拼接階段應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測主要采用應(yīng)變傳感器，關(guān)鍵流程為應(yīng)力應(yīng)變測點的選取與應(yīng)變傳感器的安裝。傳感器選用振弦式應(yīng)變計。

根據(jù)對多種應(yīng)力應(yīng)變傳感器的性能比較，考慮要適合長期觀測并能保證足夠的精度，南潯國際會展中心宴會廳鋼結(jié)構(gòu)項目選用表貼式振弦應(yīng)力應(yīng)變傳感器測量外層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力應(yīng)變，該種傳感器具有很高的精度和靈敏度、卓越的防水性能、耐腐蝕性和長期穩(wěn)定性。

3.2 作業(yè)方法

3.2.1 測點布置

根據(jù)會展中心鋼結(jié)構(gòu)施工部署、理論計算分析以及相關(guān)要求，確定需要監(jiān)測應(yīng)力的桿件。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)吊裝階段，選取1a-3、1b-4、1b-11、1b-15、1b-17、2a-18、2a-36 等共14 塊網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，每塊網(wǎng)架安裝2 個應(yīng)變傳感器，共安裝28 個應(yīng)變傳感器，如圖2所示（一區(qū)為例）。

圖2 應(yīng)力監(jiān)測點分布

結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變測點布置原則：

①應(yīng)力變化顯著或應(yīng)力水平較高的構(gòu)件，如合龍縫2b-31、2#塔吊洞口位置2a-41、42等位置；

②承受較大施工荷載的構(gòu)件或節(jié)點，如重量較大的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)1b-11、支座與胎架等位置；

③遵循“整體布置、局部對稱”原則，同時利用結(jié)構(gòu)對稱性，減少測點布置數(shù)量，反映結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，又考慮經(jīng)濟性；

④能反映網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)及變化趨勢，且布置在構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變值最大的位置。

3.2.2 傳感器安裝

將鋼結(jié)構(gòu)表面用粗紗布做打平處理，采用結(jié)構(gòu)膠粘貼。待膠完全固化3小時后，測量應(yīng)變值，應(yīng)能穩(wěn)定，否則要重新安裝。同一塊網(wǎng)架設(shè)置橫向（1）和縱向（2）兩個傳感器，分別垂直和平行于翼緣，如圖3所示。

圖3 振弦式應(yīng)變計安裝示意圖

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

鋼網(wǎng)架安裝與拼接階段，每日分早、中、晚三次測量已安裝傳感器的應(yīng)變值，進而求出應(yīng)力值。

4.1 應(yīng)力-時間曲線分析

由于監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本量過大，從一、三區(qū)各取一處網(wǎng)架的日均應(yīng)力值繪制應(yīng)力-時間曲線，如圖4所示，可見安裝階段各網(wǎng)架桿件應(yīng)力基本在0～25MPa 之間上下浮動，整體較為穩(wěn)定，當(dāng)周圍有網(wǎng)架開始安裝時，可能出現(xiàn)個別應(yīng)力突變點。

圖4 各區(qū)網(wǎng)架桿件應(yīng)力-時間曲線

4.2 應(yīng)力峰值分析

實際施工過程中，網(wǎng)架所受應(yīng)力最大值往往對工程施工安全起到了決定性作用，取安裝階段所有監(jiān)測網(wǎng)架的應(yīng)力峰值進行對比，如圖5所示。

圖5 各網(wǎng)架應(yīng)力峰值對比

根據(jù)項目建設(shè)單位提供的設(shè)計分析結(jié)果，計算出設(shè)計驗算值（305MPa），分別取設(shè)計驗算值的70%（213.5MPa）和50%（152.5MPa）作為紅色預(yù)警與黃色預(yù)警閾值，當(dāng)應(yīng)力值達到預(yù)警閾值的70%時，發(fā)出預(yù)警，即黃色預(yù)警應(yīng)力值為122MPa，紅色預(yù)警應(yīng)力值為170.8MPa?？梢?，鋼網(wǎng)架施工期間，一區(qū)～三區(qū)網(wǎng)架應(yīng)力峰值分別41.38MPa，62.98MPa，85.27MPa，均遠遠小于設(shè)計預(yù)警值。在實際施工過程中也并未出現(xiàn)因應(yīng)力過大導(dǎo)致的諸如結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，桿件破壞等惡性結(jié)果，間接驗證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性。

4.3 各網(wǎng)架應(yīng)力橫向?qū)Ρ?/h3>

4.3.1 實測值對比

將鋼網(wǎng)架全部拼裝完成后同一日內(nèi)各網(wǎng)架監(jiān)測應(yīng)力日均值進行橫向?qū)Ρ?，如圖6所示。

圖6 各網(wǎng)架應(yīng)力橫向?qū)Ρ?/p>

據(jù)圖7可得，拼裝完成穩(wěn)定后至卸載前，整體應(yīng)力水平按大小依次為二區(qū)＞一區(qū)＞三區(qū)，峰值應(yīng)力為44.25MPa，因此在今后類似的施工監(jiān)測中，應(yīng)加強對結(jié)構(gòu)中部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測。

圖7 網(wǎng)架模型及應(yīng)力分布

4.3.2 理論值分析

采用有限元軟件Midas/Gen 對本工程鋼網(wǎng)架進行建模計算，屋蓋單層網(wǎng)殼桿件均為梁單元，屋蓋結(jié)構(gòu)柱下部和斜撐考慮為鉸接，材料為Q355鋼。安裝穩(wěn)定后應(yīng)力分布如圖7所示，經(jīng)計算，安裝穩(wěn)定后應(yīng)力峰值為56.1MPa，出現(xiàn)在二區(qū)與三區(qū)交界處，與實測值峰值出現(xiàn)區(qū)域相近。造成理論計算結(jié)果與實測結(jié)果不符的原因主要為：實際結(jié)構(gòu)與理論抽象模型有所不同，在結(jié)構(gòu)連接、邊界條件、溫度等方面，實際情況遠比理論計算復(fù)雜，且理論計算在結(jié)構(gòu)自重等方面均考慮最不利工況，但理論計算仍具有一定的指導(dǎo)意義[2-3]。

5 結(jié)語

鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)拼裝施工工序復(fù)雜，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測難度較大，對于監(jiān)測設(shè)備選擇，安裝以及監(jiān)測點位布置務(wù)必要科學(xué)合理，根據(jù)項目具體特征制定對應(yīng)的監(jiān)測方案，才能保證監(jiān)測成果的有效性。