大跨度非對稱空間異形曲面鋼桁架結構施工新技術與智慧云監測研究

蘇 杭 王靜峰，2，* 曹 晗 張 榮 于向濤

（1.合肥工業大學，合肥 230009；2.安徽省先進鋼結構技術與產業化協同創新中心，合肥 230009；3.中鐵四局集團鋼結構建筑有限公司，合肥 230022.）

0 引言

大跨度鋼桁架結構是空間結構的主要結構形式之一，具有跨度大、承載重、造型新穎、施工快捷等特點，在博物館、航站樓、會展中心、體育場館中應用較多，例如中國國家博物館［1］、甘肅省體育館［2］等。由于體育館等大跨度鋼結構建筑對外觀要求高，經常導致結構形態多變，受力復雜，因此選用科學合理的施工技術和監控方法是保證結構安全的關鍵因素。目前，針對大跨度空間鋼結構的常用施工方法有分條分塊吊裝法［3］、高空散裝法［4］、高空滑移法［5］、整體提升法［6］等。分條分塊吊裝法基本可實現各種鋼構件的吊裝工作，但其機械臺班費較高，不利于流水施工。高空散裝法可適應起重條件較差或運輸困難的山區等地區，但該方法需搭設大量腳手架，高空作業量大，施工速度較慢。高空滑移法可用于現場狹窄的施工場地，也適用于跨越施工，但針對結構較為復雜的異形結構，該方法較難發揮其優勢。整體提升法將結構在地面或平臺上拼裝完畢，施工質量和精度較高，雖然該方法施工難度較高，但易于保證焊接質量和幾何尺寸的準確性。

常用結構監測技術主要包括有線監測、無線監測和智慧云監測等。其中有線監測實施簡單且成熟，但其一般僅適用于局部或小范圍的監測，且無法對結構進行實時監控。無線監測擺脫了數據線的限制，實施也相對簡單，但該方法由于監測設備和系統的局限性，數據反饋周期較長，僅能在現場一定范圍內進行監測。智慧云平臺監測技術操作與實施雖相對繁瑣，但其數據反饋周期較短，可滿足實時監測的要求，并且該方法運用GPRS進行信號傳輸，運用TPC/IP、UDP協議進行數據通訊，數據可在全國任意地點進行收集。

六安體育中心體育館屋蓋結構采用非對稱空間異形曲面鋼桁架結構，最大跨度89.7 m，結構跨度大，結構非對稱且施工精度要求較高；針對其結構與施工特點，本工程采用“館內多點不對稱整體同步控制提升、館外分段吊裝”的施工新方法；為了保證施工安全，本項目采用智慧云平臺海量數據處理與實時傳輸監測技術對結構進行實時監測。

1 工程概況

六安體育中心以“茶韻古今”作為其設計理念，形似中國十大茶品“六安瓜片”。體育中心包括一個30 000人座位的體育場、一個6 000人座位的體育館、一所能容納500名師生的體育學校以及室外綜合配套設施。體育中心總用地面積約375畝，建筑用地面積249 958 m2，總建筑面積81 538 m2。總體鳥瞰平面布置見圖1。

圖1 六安體育中心體育館Fig.1 Liuan Sports cente

體育館建筑面積23 780 m2，結構層數為地上三層，建筑高度32 m。體育館上部的屋蓋系統為縱橫向非對稱異形曲面鋼桁架結構體系，覆蓋面積17 000 m2，總重量約2250 t。屋蓋結構南北向最大跨度77.1 m，東西向最大跨度89.7 m；跨中桁高3.5 m，最高位置標高28.3 m。內部混凝土柱頂設滑動鉸支座，外圍設傾斜鋼柱用以支撐屋蓋。六安體育中心體育館結構三維模型見圖2。

圖2 體育館結構三維模型圖Fig.2 3D model of gymnasium structure

2 體育館鋼結構屋蓋施工重難點

六安體育中心體育館采用大跨度非對稱空間異形曲面鋼桁架結構，通過對結構形式和設計要求進行分析，施工中將會有以下重點和難點需要解決。

3 體育館施工新技術

為解決施工中的重點、難點，本項目采用“館內多點不對稱整體同步控制提升、館外分段吊裝”的施工新技術進行施工。整個提升過程中采用智慧云平臺海量數據處理與實時傳輸監測技術進行實時監測，為施工提供安全保障。

從屋蓋的館內拼裝、館內提升、館外懸拼再到屋蓋的最終卸載，整個施工流程可大致分為15個工況。體育館鋼結構施工場地劃分見圖3，主要施工順序見圖4，各工況具體施工方法見表2。

表2 體育館鋼結構屋蓋施工工況Table 2 The construction method of steel structure roof of gymnasium

圖4 體育館鋼結構屋蓋主要施工順序Fig.4 Main sequence of steel roof of gymnasium

表1 施工重點難點Table 1 Key points and difficulties in construction

圖3 體育館鋼結構屋蓋施工區域劃分Fig.3 Construction area division of steel structure roof of gymnasium

4 體育館鋼結構屋蓋施工全過程仿真模擬

為保證施工全過程的安全，采用有限元分析軟件MIDAS對六安市體育中心體育館鋼結構進行了施工全過程仿真模擬，得到鋼結構屋蓋的應力與豎向位移。

計算模型共有2 195個節點、5 288個單元，其中244個桁架單元、5 044個梁單元，屋蓋桿件兩端均采用鉸接。材料采用Q345鋼材，有38個不同截面的鋼構件組成，所有截面鋼材厚度均大于16 mm，小于或等于40 mm。模型中考慮到恒荷載、施工荷載和溫度荷載，其中施工荷載（包括節點加勁及結構補強等）取值0.15G（自重）。內部鋼筋混凝土柱頂采用一般彈性支承模擬滑動支座；外部鋼斜柱底部固接，上部采用剛性連接。根據《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）［7］的規定滿足如下要求：①鋼構件的應力限值為295 MPa；②鋼屋蓋受彎構件的撓度容許值為L/400。

鋼結構屋蓋重要施工工況應力見圖6，豎向位移見圖7。整個施工過程中桿件應力最大值為99.22 MPa（正、負代表拉、壓），遠小于295 MPa。桿件及節點的最大變形值為-49.96 mm（正負代表Z軸正負方向），均滿足規范要求。結果表明，體育館鋼結構屋蓋所采用的施工方法安全合理。

圖6 體育館鋼結構屋蓋主要施工工況應力狀況Fig.6 Stress condition of main construction conditions of steel roof of gymnasium

圖7 體育館鋼結構屋蓋主要施工工況豎向位移狀況Fig.7 Vertical deformation of main construction conditions of steel roof of gymnasium

5 體育館智慧云監測

5.1 云計算與智慧監測云平臺

云計算是一種虛擬化的技術服務，用以滿足用戶的運算、儲存等多種需求。云平臺也即以云計算為依托，基于硬件資源和軟件資源的一種提供計算、存儲等功能的服務［12］，云平臺的出現實現了網絡結構從“Client/Server”向“Browser/Server”的轉變［12］。

工程智慧云監測平臺是結合力學等建筑學科開發的一種工程服務平臺，平臺結構可分為三個層面：數據采集層、數據處理儲存層和用戶終端層。平臺主要運用TPC/IP、UDP協議進行數據通訊，通過WebService、WebSocket等接口與APP和PC聯接。平臺可以實現對建筑結構的實時監測，為施工安全提供強有力的保障。

圖5 有限元分析模型Fig.5 Finite element model

5.2 智慧云監測設備與原理

智慧云監測設備主要指完成監測所需的硬件設施，包括傳感器、數據采集與收發設備。本節將結合體育館的實際工程對設備與原理進行分析說明。

5.2.1 傳感器原理及安裝

六安體育中心體育館項目主要對結構的應力應變與變形進行監測，項目中變形采用掃描機器人進行監控，應力方面采用應變傳感器進行監測。

建筑工程中較為成熟的應變傳感器有電阻式應變計和鋼弦式應變計兩種。電阻式應變計常用于短期的結構應變監測，鋼弦式應變計一般用于長期的建筑結構應變測量。電阻應變計是以變形與電阻的轉換為原理，對結構內力進行測量。鋼弦式應變計是以變形與鋼弦張力的轉化為原理，對結構內力進行測量，當被測結構物發生應變時，應變計左右端座產生相對位移并傳遞給鋼弦，使鋼弦受力發生變化，從而改變鋼弦的固有頻率；測量儀器輸出脈沖信號通過線圈激振鋼弦并檢測出線圈所感應信號的頻率，經儀器及云平臺換算得到被測結構物的應力應變量［13］。

圖8 智慧云監測平臺結構與聯系Fig.8 Structure and connection of smart cloud monitoring platform

圖9 智慧監測云平臺系統功能Fig.9 Function of smart cloud monitoring platform

應變計安裝方面，本項目應變計采用點焊與云石膠相結合的方式與結構進行連接；安裝順序方面，本項目館內屋蓋采用先分塊拼裝再整體提升的形式，應變計的安裝及測點的布置順序跟隨屋蓋桁架的拼裝從東向西進行；安裝后對設備及時進行保護與調試，避免后續施工破壞設備，以保證監測的準確性。

5.2.2 綜合采集設備與收發原理

數據采集與收發設備包括高速通用采集模塊和DTU網絡傳輸模塊。高速通用采集模塊是一種自動搜索、自動巡檢的信息采集設備，可以同時接入多個智能鋼弦式應變計、電感調頻及半導體溫度傳感器等設備。DTU網絡傳輸模塊是一種利用CMNET網絡達到遠程傳輸信號的網絡傳輸設備，將其與高速通用采集模塊連接，可以實現傳輸傳感器數據至云平臺的目的。

傳感器常用傳輸協議以RS232和RS485為主。傳感器數據在進行無線傳輸時，需要將RS232/485/422通過轉換器（又稱無線數據傳終端、工業無線網卡、工業手機、GPRS調制解調器）［15］轉換為GPRS數據進行傳輸。由于GPRS的成熟化與基站的普及，監測數據可以實現較快且跨地區的傳輸。本項目中即由高速通用采集模塊以及DTU網絡傳輸模塊來實現。

數據采集頻率方面，設備及系統支持自定義設置，最短可設定為5s/次，可根據施工階段的長短及關鍵性調整采集頻率，但如果測點較多采集周期則會適當延長。

5.3 監測點布置

本工程館內提升區中部設置8個提升點，依次分布在⑦軸、⑨軸、12軸、14軸和?軸、?軸六榀主桁架的交點上，具體提升位置在桁架上弦的吊耳處。通過MIDAS計算模擬，算出應力較大的桿主要分布在⑦、⑨、12、14、?、?軸線的桁架上，因此根據桿件的受力情況，將應變測點布置在應力較大的桿件上，共布置28個測點，測點具體布置見圖10。

圖10 應力監測點布置Fig.10 Layout of stress monitoring point

變形方面，鋼結構屋蓋的變形測點根據監測方案并結合施工現場情況進行布置，在屋蓋上變形最不利位置（根據MIDAS計算模擬確定最不利位置）布置反光貼，主要布置在⑩軸、11軸、?軸和G軸四榀主桁架上。在不同施工工況下分別對變形測點進行觀測，以實時監測施工過程中屋蓋桿件的變形值，確保施工過程中的安全。

圖11 變形監測點布置Fig.11 Layout of deformation monitoring point

6 監測結果與仿真模擬對比分析

6.1 應力分析

從鋼結構屋蓋的所有測點中選取了部分應力測點進行實測值和計算值的對比。橫縱兩榀框架中各選出3個測點（D號、12號、18號、5號、7號、9號），對15個工況下的數據進行對比，對比情況見圖12。單位為MPa，正負代表受拉與受壓。

圖12 部分測點應力數據對比Fig.12 Stress comparison

根據測點數據對比可知：

（1）整個施工過程中，應力在工況2、工況9、工況10以及工況15時應力變化較大，部分桿件中途伴隨著拉壓狀態的變化，其他工況下應力變化較小。施工過程中實測值與模擬值變化趨勢基本保持一致。

（2）整個施工過程中，計算值與實測值差值幅度在±9 MPa以內，兩者吻合程度較好。

6.2 豎向位移分析

本文選取了部分變形測點進行了豎向位移實測值與計算值的對比。從橫、縱兩榀框架中各選出3個測點（1號、7號、15號、10號、12號、13號）進行數據對比，對比情況見圖13。

圖13 部分測點豎向位移數據對比Fig.13 Vertical displacement comparison

根據測點數據對比可知：

（1）在整體提升前，由于提升架與承重架的支撐作用，使得屋蓋變形較小，屋蓋在工況2后變形逐漸增加，在工況9、工況13和工況15時豎向位移變化較大，部分桿件中途伴隨著變形方向的轉變。施工過程中實測值與模擬值變化趨勢基本保持一致。

（2）整個施工過程中，實測值與計算值差值幅度在±10 mm以內，兩者吻合程度較好。

7 結 論

（1）本文針對六安體育中心體育館工程特點和技術重難點制定了體育館“館內多點不對稱整體同步控制提升、館外分段吊裝”的施工新技術；采用MIDAS軟件對施工全過程進行了仿真模擬，結果表明，施工過程中結構的應力與變形均滿足規范要求，證明該施工方法安全合理。

（2）本文研發了一種針對體育館非對稱空間異形曲面鋼桁架結構的智慧云平臺海量數據處理與實時傳輸監測系統，在六安體育中心體育館成功應用，監測結果滿足規范要求；監測結果與模擬結果趨勢相近，證實該技術合理可行，能夠保證施工的安全。