翟 雷，李文涛，王永生，韩正虎，周胜利，袁 帅，王宏浩，吴 超

(中国建筑第二工程局有限公司华东公司，上海 200135)

0 引言

我国钢结构多按运营状态设计，但施工过程中钢结构受力及构件内部变形等情况与运营阶段有很大差别。尤其是大跨度空间张弦结构屋盖结构形式和受力状态非常复杂，施工过程中采用不同施工顺序或施工方法，对结构的影响均不同。因此，设计参数并不能很好地为施工过程中的结构安全提供保障，施工过程中的累积误差甚至会导致结构整体失衡倒塌。为保证钢结构施工过程的精确、安全、稳定，须合理选择施工方法及施工顺序，同时针对结构整体及关键节点进行施工全过程健康监测。

近几年来，国内对健康监测系统的应用与研究逐渐增多，但由于健康监测系统技术复杂，成本较高，我国结构健康监测系统多以桥梁结构为主。如李鹏飞[1]对滨州黄河公路大桥健康监测技术系统开展了研究；李爱群等[2]基于健康监测数据对润扬大桥进行全生命周期监测与分析。针对大跨度钢结构健康监测系统的研究较少。

本文对合肥滨湖国际会展中心二期项目施工全过程进行监测与分析，反向验证设计的合理性，指导现场安全高效生产，并为后续类似工程施工提供参考。

1 工程概况

合肥滨湖国际会展中心二期项目位于安徽省合肥市滨湖新区，其中综合展馆结构长192m、宽170m，下部为钢框架结构，上部为大跨度张弦桁架结构。结构BIM三维效果如图1所示。

图1 结构BIM三维效果

综合展馆钢结构主桁架共10榀，单跨144m，拱高10.7m，单榀重约165t。次桁架共36榀，单跨18m，单榀重约11t，均为倒三角桁架。主桁架两端为铸钢节点，材质为ZG20SiMn，西侧支座为固定铰接支座，东侧支座为单向滑动支座。桁架下张拉索为半平行PE索，规格为φ7×586，1670级。索体直径为218mm，为国内民用建筑最大尺寸索体。最大索力为3 682.9kN。单品桁架结构如图2所示。

图2 单榀桁架结构示意(单位：m)

桁架为一端滑动、一端为固定支座，滑动端滑程为-270～50mm。

2 施工工艺

合肥滨湖国际会展中心二期综合展馆大跨度张弦桁架采用累积滑移的施工方法，综合展馆南侧为桁架拼装区，轴位置为桁架组装滑移区。综合展馆结构施工平面布置如图3所示。

图4 拼装胎架及滑移轨道布置

桁架通过滑靴结构与滑移轨道连接，滑靴结构传递竖向荷载至滑移轨道、顶推设备。每个支座两侧各设置1个滑靴。支座处滑靴节点如图5所示，支座处模型如图6所示。

图5 支座处滑靴节点详图

图6 支座处模型

图7 滑移梁立面

为保证滑移整体安全平稳，安装完成2榀桁架后，将第1组桁架滑移至胎架悬挑位置，挂索并分级张拉完成，屋盖结构累积滑移完成后(含原位吊装部分)，安装支座后进行卸载，檩托可随桁架吊装前完成安装。

3 施工全过程健康监测

屋面为张弦空间桁架结构，主桁架跨度为144m，跨度大，屋盖结构复杂，关键构件节点多，且采用累积滑移施工，施工难度极大。根据GB 50982—2014《建筑与桥梁结构监测技术规范》[3]，对合肥滨湖国际会展中心二期项目的施工过程进行监测与分析，建立钢结构整体模型，通过有限元软件模拟钢构件拼装、空间桁架累积滑移、预应力索张拉和支座卸载的施工全过程。对应力水平较高的构件及承受较大施工荷载的构件节点进行现场监测，以确保结构在施工及运营期间使用安全[4-6]。

施工阶段监测包括拉索索力、主要构件应力应变及温度(撑杆、弦杆、腹杆、倒三角抗风柱)、屋盖桁架变形、滑动支座位移。

健康监测系统由数据收集系统、数据传送系统、数据中转基站、服务平台组成。数据收集系统为在各测点安装的监测设备，每台监测设备连接1个数据传送装置，将设备采集数据实时传送出去；施工现场设置1个数据中转基站，接收设备传送出来的数据，并将数据发送至后台服务平台；服务平台对中转基站发送出来的数据进行处理存储，可通过电脑、手机等终端随时查看。所有数据传输均为无线传输，工作原理如图8所示。

图8 无线传输工作原理

分析不同构件，针对其受力特点进行测点布置[5]。

拉索为屋面桁架结构的主要受力构件，施工时通过调整拉索索力进行调差，使结构接近设计状态，索力偏差对施工过程中的结构状态产生重要影响，同时也确定了结构施工完成后的实际状态。屋盖共10榀主桁架，每榀桁架下对应1根拉索，对应布置2个索力测点(见图9)，分别布置在端部和跨中，共20个测点，每个测点有2个传感器。

图9 索力监测点布设位置

每根拉索上有15根撑杆，选取其中4根进行撑杆应力应变及温度检测，每根撑杆设置2个测点，10榀桁架共80个测点。

施工阶段主桁架监测点设置在上弦，根据模拟验算结果，选取滑移时最大内力位置，在三等分点各布置2个测点。主桁架弦杆之间连接腹杆选取8根，每根设置1个测点，如图10所示。

图10 桁架及撑杆监测点布设位置

滑移施工时，滑移梁为关键受力构件，其稳定性关系到整个滑移过程的同步性和安全性[8-9]，根据滑移梁受力云图，在2条滑移长轨的滑移梁上弦及八字撑处设置应变传感器，监测滑移梁在滑移及张拉过程中的应力应变。监测点布设如图11所示。

图11 滑移梁监测点布设

4 健康监测结果分析

应力应变传感器2min发送1次监测数据，通过系统服务后台进行收集。针对不同施工工况，分别对不同类型构件进行分析。

4.1 桁架拼装

桁架高空拼装在高空拼装胎架上独立进行，通过监测数据反映，桁架拼装工况下，其他结构应变波动很小。桁架拼装完成前，滑移梁及前2榀桁架应力几乎无变化。

4.2 桁架卸载

桁架卸载时，该榀桁架荷载会作用在5道滑移梁上，通过监测数据反映，桁架卸载工况下，滑移梁应力随卸载过程逐渐变小，其余桁架弦杆应力变化不大。

4.3 桁架滑移

桁架滑移时，该榀桁架处于运动状态，腹杆、弦杆应力呈无规律变化。滑移梁八字撑在滑移过程中应力逐渐变小，处于受压状态。

4.4 拉索张拉

拉索逐级张拉时，该榀桁架撑杆所受压应力随张拉过程逐渐变大，表明撑杆所受压力逐渐增大；桁架腹杆根据监测位置不同，应力变化会有所不同。拉索张拉工况下某桁架撑杆、腹杆测点应力变化曲线如图12所示。

图12 拉索张拉工况下某桁架撑杆、腹杆测点应力变化曲线

5 滑移施工模拟与监测数据对比分析

表1 各工况下索力计算数据

表2 各工况下滑移时桁架最大位移

根据施工过程模拟分析结果，滑移过程中桁架最大竖向位移为66.28mm。通过桁架变形监测，桁架竖向变形值均在66mm以内(见表3～5)，施工过程安全可控。

表3 桁架1变形监测数据

表4 桁架2变形监测数据

表5 桁架3变形监测数据

施工过程中，每榀桁架张拉对相邻已张拉完的拉索索力有影响。选取第8根拉索张拉时监测数据进行分析，模拟数据如表6所示。排除个别特殊数据，监测所得各工况索力。经计算，实测结果与模型计算结果最大偏差≤8%。实测结果如表7所示。

表6 拉索8张拉时其余拉索索力模拟值 kN

表7 拉索8张拉时各拉索索力实测值 kN

6 监测预警系统

健康监测系统针对不同构件受力特点，以设计强度为参考，设置了三级应力预警系统[9]，如表8所示。

表8 三级应力预警系统

建立健康监测预警响应制度。在非极端荷载作用下，发生黄色预警时，对预警部位加大监测频率，直至预警解除；当发生橙色预警时，停止该部位相关施工作业，项目部管理人员对传感器及构件进行检查，排查问题，直至预警解除；当发生红色预警时，停止该单体所有施工作业，深度分析结构应力异常原因并组织钢结构专家对结构进行评估[10-11]。

7 结语

通过施工全过程实时监测，验证实际监测数据与模拟计算结果偏差在8%以内，模拟计算结果可为施工过程提供有效指导，证明施工方法可行性、安全性、适应性。采用生死单元法对相同构件在不同工况下的应力变化进行分析，动态了解各施工工况对整体结构稳定性的影响，从而为安全施工提供指导。施工过程设置的监测设备，运营阶段仍可使用，做到结构全生命周期的健康监测。