鋼結構施工過程健康監測技術研究與應用

陳紅萍

鋼結構施工過程健康監測技術研究與應用

陳紅萍

近年來，隨著建筑行業的飛速發展，大型鋼結構在大型公共建筑中的應用也越來越廣泛。鋼結構的體系較為新穎、形式較為復雜、規模較為龐大，因而成為當代建筑結構中十分重要和活躍的領域。但是鋼結構在施工過程中的事故發生率也較高，鋼結構施工過程中健康監測技術的研究和應用是鋼結構進行安全施工的可靠保障。本文對幾種常用的健康監測技術以及其在鋼結構施工過程中的應用進行了分析。

鋼結構；施工過程；健康監測；技術研究；應用研究

國家對建筑行業技術發展水平的評價標準就是大型鋼結構。近些年來，隨著我國建筑水平不斷趨于成熟，大型鋼結構開始廣泛應用于各種大型的劇院、大型體育館、大型機場候機樓、大型會議展覽中心等重要的標志性建筑。大形綱結構的應用與發展是現代文明的體現。為了彌補鋼結構在施工過程中頻繁出現安全事故的不足，需利用健康監測技術對其施工過程進行監測，從而更好的發揮鋼結構在建筑中的應用效果。

1　加強鋼結構施工過程健康監測的目的和意義

由于大型鋼結構主要在大型標志性建筑中應用，國家政府對其投入了大量的人力、物力和財力，其施工過程和施工后的使用涉及范圍較廣，因而需加大其健康監測力度。同時，由于施工過程中其結構的受力較為復雜，與實際設計中力學的模型計算存在較大差異，健康監測可以保證其結構安全，可保障建筑結構的后續的使用。健康監測主要涉及了應力、施工環境、位移和振動監測四個方面的內容。

①對大型鋼結構的施工過程進行監測的意義在于體現國家政策所倡導和堅持的“以人為本”的方針。因為土木工程是一項事故多發工程，給施工人員和居民帶來了安全隱患，健康監測能幫助我們及時了解隱患，并采取應對措施，從而可有效減少人員傷亡。②有利于實時掌握工程結構的動態，了解其安全性，保障建筑工程的順利完成。③由于健康監測是一種實時監測，因而可提高施工水平與施工技術，為具體的施工提供依據。然后，對其設備與技術進行研究可以為其他行業提供借鑒。④可為施工階段完成后，對建筑結構的長期監測和使用壽命的評估提供依據。

2　鋼結構施工過程監測的重點內容

對鋼結構進行健康監測基本原理在于利用被安裝在建筑結構上傳感器系統對施工過程中結構特性的變化情況進行實時收集。然后通過收集的結構數據對鋼結構當前的運行情況進行分析與判斷，從而發現施工過程中一系列不穩定因素、不準確性因素和不安全性因素，保證整個工程施工的順利完成。

2.1幾何變形監測

鋼結構施工過程中，幾何變形監測是對變形體的具體目標點進行測量。其目的在于對變形體的空間位置和變形體的內部形態的變化情況和變化特征進行隨時監測，觀察其隨時間的變化情況。變形監測主要是利用專門的測量儀器監測在空間三維集合體上，對建立了基準數據的測量變形體的變化情況進行監測。當前，運用較為廣泛的測量儀器主要有經緯儀、水準儀、全站儀、攝影測量設備和激光測距儀等。這些常規的測量方法由于測量技術較為成熟，具有以下方面的優勢：①其通用型較好。②其精確度也較高，能夠滿足常規的鋼結構監測要求。③其能夠監測變形物體或者對象的變形信息和具體的變性趨勢。但是，這些通用的監測方法也具有較為明顯的缺點，主要表現在以下幾個方面：①由于野外作業的工作量較大，導致其易受工作面的干擾。②這些測量方法不能夠滿足對結構進行連續、動態和遠程監控。近些年來，隨著激光技術、電子技術、空間定位技術、自動控制技術和遠程通信技術等高新技術的發展，以測量智能機器人、激光三維掃描儀、GPS技術等為主要代表的現代儀器與現代通訊網絡相結合，形成了一種能夠對結構物體進行全天候自動監測和連續監測的監測系統，并且已經開始得到應用。這種監測系統對變形監測具有重要作用，能夠快速有效的監測出各種變形問題，使監測效率得到了較大提高。

2.2應力監測

施工監測的主要內容包括對結構構件截面的應力進行監測。無論是哪種鋼結構，其指定點的應力與結構的幾何位置一樣，其應力值也會隨著施工進度的變化而發生變化。因而在應力值不斷變化的過程中，施工監測所關心的核心問題是某一時刻的應力值是否與理論分析值相同，某一時刻的應力值是否處于安全范圍。而對于這兩個問題進行解決的方法就在于對施工過程的應力進行監測，當監測發現了相關問題，必須立即停止建筑結構的施工，找到相關的原因并進行及時處理。大型鋼結構中，通常需對施工關鍵點、最大應力點、體現環境影響特征點和應力變化較大點等點位進行監測。常用應力監測方法主要有振弦式傳感器、電阻應變片、光纖光柵式傳感器以及其他傳感器。表1是不同應力監測方法的比較情況。

2.3索力監測

拉索是一種能夠承受較強拉力的結構構件，因而開始廣泛應用于建筑工程中。拉索通常能夠參與多種結構類型。例如：所彎頂、所析架、張弦梁等。索力測試的準確性與拉索結構施工的順利實施關系密切。同時，索力測試也是拉索結構是否能夠修建的關鍵所在。磁通量法、壓力傳感器測定法、壓力表測定法以及頻率法是常用的對索力進行測定的方法。其中，壓力傳感器和壓力表測定法是對正在張拉拉索的索力進行測定，頻率法和磁通量法主要對建筑使用過程中的長期監測。

表1　各種應力監測方法比較

2.4施工環境監測

通常，溫度、噪音、風壓、雨量、風速、適度是施工環境監測的主要內容。施工環境的良好對施工的順利完成具有重要作用。溫度和風速風壓是施工環境中對工程影響最為明顯的因素。

溫度對大型鋼結構施工過程的影響較為明顯。例如：溫度的升降會導致拉索長度的變化。鋼結構施工中，電阻溫度計測溫法、輻射測溫法以及其他溫度傳感器是常見的結構溫度測量方法。以“水立方”為例，其采用的是光纖光柵溫度傳感器，一方面可對應變傳感器進行補償，另一方面可監測水立方的溫度場信息。

對于大型鋼結構而言，風速和風壓對其的影響也較為嚴重。上文已經提到大型鋼結構主要應用于大型建筑之中，而這些大型的、專業化建筑的空間造型較為復雜，因而對風相當敏感。同時，風洞試驗測量與建筑實體結構的風荷載情況具有較大差異，這種差異是模型的縮尺效應帶來雷諾效應引起的。另外，由于對結構的風振響應分析方法具有較大局限。因此，對鋼結構的施工階段和使用階段的風速和風壓進行監測意義較為重大。“水立方”的平面尺寸較大，其結構范圍內風速變化不大，因而相關施工單位對風速、風攻角和方向進行監測，只在“水立方”結構屋頂安裝了一個三維超聲風速儀。

3　結束語

根據以上分析，雖然鋼結構在建筑中的應用代表了我國建筑行業的發展水平，在當今大型建筑中得到了較為廣泛的應用。但是鋼結構在施工過程中也存在諸多安全隱患，因而需對施工過程進行健康監測。鋼結構施工過程健康監測是一個涉及了施工環境、應力、變形、振動等多方面因素的實時監測、判斷和分析的過程。由于每個因素都有多種監測方法，因而需根據具體情況，恰當選擇方法進行監測。

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TU758.11

A

1673-0038（2015）32-0153-02

2015-6-12

陳紅萍（1981-），女，助理工程師，大專，主要從事建筑工程管理工作。