北京大興國際機場南航機庫鋼結(jié)構(gòu)屋蓋整體提升過程的遠程監(jiān)控技術(shù)

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(wǎng)架結(jié)構(gòu)相較其他類型的結(jié)構(gòu)，在剛度相同的情況下高度較小，能利用較小的桿形構(gòu)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(wǎng)架施工中常用的方法為液壓整體提升法，其是將結(jié)構(gòu)在地面就位拼裝完成，再由液壓起重設備垂直地將結(jié)構(gòu)整體提升至設計標高的方法。

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

現(xiàn)階段對于施工過程的控制主要還是停留在人為對結(jié)構(gòu)少數(shù)控制點的位形把控上，少數(shù)項目中出現(xiàn)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(nèi)發(fā)生的，因此，以上方法都很容易錯過損壞過程[6]。

為此，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測云平臺系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上，提出了鋼結(jié)構(gòu)屋蓋整體提升過程遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)將無線傳輸、云存儲、人工智能等新技術(shù)引入整體提升施工過程中，通過4G通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，通過集成判定方法的系統(tǒng)軟件處理和分析數(shù)據(jù)，并以短信或APP方式實現(xiàn)整個提升過程的報警預警功能，保證提升安全。最后，通過數(shù)據(jù)分析給出施工過程質(zhì)量的定性分析，可用以定量評估大跨鋼結(jié)構(gòu)整體施工過程和之后的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。

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(guī)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(wǎng)架構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)體系，平面軸線尺寸405 m 100 m，總高8.5 m，基本網(wǎng)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(zhì)量按7 200 t考慮（含馬道、機電等附屬結(jié)構(gòu)）。由于門頭桁架相對大廳網(wǎng)架下沉3.0 m，故考慮分2次提升，即先將大廳網(wǎng)架提升3 m，與門頭桁架對接后再提升到位。

網(wǎng)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(xié)調(diào)提升。整個網(wǎng)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(wǎng)架，并與第1次提升的網(wǎng)架對接。網(wǎng)架第2次提升時間為2018年8月31日—9月2日。網(wǎng)架在2018年9月27日全部卸載完成。

2 監(jiān)控系統(tǒng)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(tài)進行施工過程仿真模擬分析，確定整體提升過程中原結(jié)構(gòu)的易損性；然后，根據(jù)易損性確定整體提升過程中結(jié)構(gòu)的測試參數(shù)、布點位置和采集儀器，并根據(jù)儀器特性和傳感需求優(yōu)化傳感器子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)；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(xiàn)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(xiàn)形式。至此，實現(xiàn)整體提升過程中安全性的有效控制（圖2）。

3 監(jiān)控技術(shù)的設計與實施

3.1 鋼結(jié)構(gòu)提升過程監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.1.1 網(wǎng)架測點位置

系統(tǒng)傳感器布設在設計桿件施工結(jié)束后進行，因此，傳感器布設點按施工順序分為一次網(wǎng)架提升、二次網(wǎng)架提升和胎架控制點3個部分。根據(jù)易損性分析計算結(jié)果，為實現(xiàn)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(jiān)測系統(tǒng)示意

3.1.2 監(jiān)測儀器優(yōu)選

應力監(jiān)測系統(tǒng)選用基康儀器股份有限公司生產(chǎn)的BGK-4000”弧焊型振弦式應變計和BGK-MICRO-40型自動化數(shù)據(jù)采集儀組合。應變計用于安裝在鋼結(jié)構(gòu)及其他建筑物表面，測量結(jié)構(gòu)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(wěn)定性。自動化數(shù)據(jù)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(shù)推出的用于工程安全自動化測量的新一代產(chǎn)品，集用戶管理、測量管理、數(shù)據(jù)管理、通信管理于一身，為工程安全的自動化測量及數(shù)據(jù)處理提供了極大的方便和有力的支持。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)提升遠程監(jiān)控系統(tǒng)具體實施

按鋼結(jié)構(gòu)提升過程遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計要求的位置布設傳感器，并編制相應系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)實施示意

3.3 提升過程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.3.1 網(wǎng)架桿件應力數(shù)據(jù)分析

圖4為屋蓋整體提升過程中網(wǎng)架桿件的應力數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行分析。

圖4 屋蓋整體提升過程中網(wǎng)架桿件的應力數(shù)據(jù)

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(shù)據(jù)變化趨勢相同，數(shù)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(xiàn)場實際情況相吻合。

二次提升的傳感器在一次提升結(jié)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(shù)據(jù)有驟變；在8月31日第2次提升時，傳感器數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)有驟變且大小趨于0，完全卸載后網(wǎng)架桿件的應力又趨于穩(wěn)定，這與施工過程對結(jié)構(gòu)的影響變化規(guī)律相符。

3.3.2 支撐胎架全過程應力監(jiān)測數(shù)據(jù)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(guān)鍵桿件的應力數(shù)據(jù)分析。

由圖5可知：網(wǎng)架2次提升時架體W-TSD1的布設點受壓，傳感器的應力數(shù)據(jù)在70 MPa左右，遠小于材料的強度，可以判定網(wǎng)架提升時支撐胎架安全，且在網(wǎng)架提升過程中監(jiān)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(shù)據(jù)有驟變且大小趨于0，這與提升過程對立柱結(jié)構(gòu)的影響變化規(guī)律相符，說明支撐胎架將網(wǎng)架荷載轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)

4 結(jié)語

1）由振弦式傳感器和自動化采集儀組成的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋提升過程遠程監(jiān)控系統(tǒng)可分鐘級無線傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)集成軟件可對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)均可實時查看，有效把控鋼結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)的演化規(guī)律與現(xiàn)場實際情況相吻合，從而驗證了該套系統(tǒng)的定量準確性。

3）在網(wǎng)架提升過程中，支撐胎架監(jiān)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(shù)據(jù)有驟變且大小趨于0，這與提升過程對立柱結(jié)構(gòu)的影響變化規(guī)律相符，說明支撐胎架在網(wǎng)架提升過程中處于安全狀態(tài)。

該套系統(tǒng)可有效定量地把控鋼結(jié)構(gòu)提升和卸載施工過程。施工結(jié)束后，通過對數(shù)據(jù)的分析，還可以對施工工藝和臨時措施設計進行優(yōu)化，實現(xiàn)節(jié)約能源和材料的目的，具有較大的推廣應用價值。