北京大興國際機場南航機庫鋼結構屋蓋整體提升過程的遠程監控技術

蘭春光 董 巍 高玉蘭 迂常偉 王益民

1. 北京市建筑工程研究院有限責任公司 北京 100039; 2. 北京建工集團有限責任公司 北京 100055

網架結構相較其他類型的結構，在剛度相同的情況下高度較小，能利用較小的桿形構件拼裝成大跨度的建筑，有效地利用了建筑空間，因而得到了廣泛的應用[1-2]。多層網架施工中常用的方法為液壓整體提升法，其是將結構在地面就位拼裝完成，再由液壓起重設備垂直地將結構整體提升至設計標高的方法。

整體提升技術以其顯著的優勢成為一種應用廣泛的施工技術，但是，由于整體提升載重大、同步性要求高、環境影響多，故施工過程存在著較大的風險[3-5]。

現階段對于施工過程的控制主要還是停留在人為對結構少數控制點的位形把控上，少數項目中出現過對桿件等應力熱點進行應力控制的應用案例。但是，這些方法都是人工采集，每個測試流程需要耗費較多時間，而整體提升過程的破壞都是短時間內發生的，因此，以上方法都很容易錯過損壞過程[6]。

為此，在結構健康監測云平臺系統的研究基礎上，提出了鋼結構屋蓋整體提升過程遠程監控系統。系統將無線傳輸、云存儲、人工智能等新技術引入整體提升施工過程中，通過4G通信方式將數據傳輸到云平臺，通過集成判定方法的系統軟件處理和分析數據，并以短信或APP方式實現整個提升過程的報警預警功能，保證提升安全。最后，通過數據分析給出施工過程質量的定性分析，可用以定量評估大跨鋼結構整體施工過程和之后的結構安全狀態。

1 工程概況

1.1 項目總概況

北京大興國際機場南航1號機庫，面積為39 000 m2，是全亞洲最大的機庫。其可容納12架飛機，包括2架最大的A380。機庫規模在中國的機場中，都是前所未有的。機庫大廳屋蓋為由平面桁架及單層斜放四角錐網架構成的組合結構體系，平面軸線尺寸405 m 100 m，總高8.5 m，基本網格尺寸6.0 m 6.0 m，上弦中心標高38.5 m（圖1）。

圖1 屋蓋三維示意

1.2 提升過程概況

機庫大廳屋蓋采用整體提升施工方法，整體提升質量按7 200 t考慮（含馬道、機電等附屬結構）。由于門頭桁架相對大廳網架下沉3.0 m，故考慮分2次提升，即先將大廳網架提升3 m，與門頭桁架對接后再提升到位。

網架提升時布置31個提升點，14臺100 t油缸，8臺200 t油缸，30臺350 t油缸，提升高度近38 m，用油壓千斤頂同步協調提升。整個網架第1次提升時間為2018年8月18日—8月20日。提升完成后，拼裝第2次提升的網架，并與第1次提升的網架對接。網架第2次提升時間為2018年8月31日—9月2日。網架在2018年9月27日全部卸載完成。

2 監控系統的基本原理

首先，分析整體提升過程的使用特點，通過有限元通用軟件對整體提升過程和形態進行施工過程仿真模擬分析，確定整體提升過程中原結構的易損性；然后，根據易損性確定整體提升過程中結構的測試參數、布點位置和采集儀器，并根據儀器特性和傳感需求優化傳感器子系統以及數據采集與傳輸子系統；最后，通過整體提升過程的安全評定方法集成形成軟件，并實現提升過程的自感知和自預警功能，以APP推送通知和短信為表現形式。至此，實現整體提升過程中安全性的有效控制（圖2）。

3 監控技術的設計與實施

3.1 鋼結構提升過程監控系統設計

3.1.1 網架測點位置

系統傳感器布設在設計桿件施工結束后進行，因此，傳感器布設點按施工順序分為一次網架提升、二次網架提升和胎架控制點3個部分。根據易損性分析計算結果，為實現保障提升過程施工安全控制的目的，本項目傳感器分布如下：一次提升時被測桿件31根，所用傳感器42個；二次提升時被測桿件12根，所用傳感器17個；支撐胎架分3種類型，所用傳感器24個。項目共計采用傳感器83個。

圖2 安全監測系統示意

3.1.2 監測儀器優選

應力監測系統選用基康儀器股份有限公司生產的BGK-4000”弧焊型振弦式應變計和BGK-MICRO-40型自動化數據采集儀組合。應變計用于安裝在鋼結構及其他建筑物表面，測量結構的應變，具有很高的精度和靈敏度，以及卓越的防水、耐腐蝕和長期穩定性。自動化數據采集儀是基康儀器股份有限公司利用最新的電子測量技術推出的用于工程安全自動化測量的新一代產品，集用戶管理、測量管理、數據管理、通信管理于一身，為工程安全的自動化測量及數據處理提供了極大的方便和有力的支持。

3.2 鋼結構提升遠程監控系統具體實施

按鋼結構提升過程遠程監控系統設計要求的位置布設傳感器，并編制相應系統集成和手機APP。應變計安裝塊是成對提供的，其帶有錐尖固定螺釘，傳感器布設表面應清理干凈。安裝時可先確定安裝桿的長度，再在鋼結構設計位置焊接安裝塊，最后將安裝桿裝上即可（圖3）。

圖3 系統實施示意

3.3 提升過程監測數據分析

3.3.1 網架桿件應力數據分析

圖4為屋蓋整體提升過程中網架桿件的應力數據分析，主要包括一次提升、二次提升和卸載3個施工過程，其中圖4（a）和圖4（b）為一次提升前布設的傳感器，圖4（c）和圖4（d）為二次提升前布設的傳感器。考慮文章篇幅限制和同類型分析，我們對每個類型僅給出2個傳感器數據進行分析。

圖4 屋蓋整體提升過程中網架桿件的應力數據

一次提升的2個傳感器布設在同一個桿件上。由圖4（a）和圖4（b）可知：其數據變化趨勢相同，數值接近；整個過程包括8月18日的一次提升、8月31日的二次提升和9月26日的卸載過程，這與現場實際情況相吻合。

二次提升的傳感器在一次提升結束后布設，整個過程僅包括8月31日的二次提升和9月26日的卸載過程。由圖4（c）和圖4（d）可知：在第1次提升開始前，桿件的應力較小，趨于0；在8月18日開始提升時，傳感器數據有驟變；在8月31日第2次提升時，傳感器數據有驟變，但差值與第1次提升時相比較小；在9月26日下午開始卸載時，傳感器數據有驟變且大小趨于0，完全卸載后網架桿件的應力又趨于穩定，這與施工過程對結構的影響變化規律相符。

3.3.2 支撐胎架全過程應力監測數據分析

本工程支撐胎架主要包括3種類型，選取每種支撐胎架類型中反力最大的架體布設傳感器，保證每個豎向支撐鋼管上有一個傳感器存在，最終選擇被測架體編號為D-TSD7、W-TSD1、W-TSD2、W-TSD8，共計15個傳感器。考慮篇幅限制和類型分析的必要性，這里選取桿件應力最大的W-TSD1支撐架體作為分析對象。圖5為屋蓋整體提升過程中支撐架體關鍵桿件的應力數據分析。

由圖5可知：網架2次提升時架體W-TSD1的布設點受壓，傳感器的應力數據在70 MPa左右，遠小于材料的強度，可以判定網架提升時支撐胎架安全，且在網架提升過程中監測立柱各被測桿件的壓應力差值不大；在9月26日下午開始卸載時，傳感器數據有驟變且大小趨于0，這與提升過程對立柱結構的影響變化規律相符，說明支撐胎架將網架荷載轉移到結構支撐上后，荷載被成功卸除，提升過程圓滿完成。

圖5 架體編號為W-TSD1的傳感器數據

4 結語

1）由振弦式傳感器和自動化采集儀組成的鋼結構屋蓋提升過程遠程監控系統可分鐘級無線傳輸數據，系統集成軟件可對數據進行實時分析與整理，并最終通過APP進行報警預警，在南航機庫屋蓋提升過程中數據均可實時查看，有效把控鋼結構屋蓋在提升及卸載過程中的安全性。

2）屋蓋桿件用傳感器測試數據的演化規律與現場實際情況相吻合，從而驗證了該套系統的定量準確性。

3）在網架提升過程中，支撐胎架監測立柱各被測桿件的壓應力峰值為70 MPa，且同一胎架立柱各被測桿件的壓應力差值不大；在9月26日下午開始卸載時，傳感器數據有驟變且大小趨于0，這與提升過程對立柱結構的影響變化規律相符，說明支撐胎架在網架提升過程中處于安全狀態。

該套系統可有效定量地把控鋼結構提升和卸載施工過程。施工結束后，通過對數據的分析，還可以對施工工藝和臨時措施設計進行優化，實現節約能源和材料的目的，具有較大的推廣應用價值。