建筑钢结构工程-钢结构监测技术方案

钢结构监测技术方案XX公司年月日1 编制依据1.1 招标文件*体育馆钢结构监测招标文件，招标编号：06-*，*建设/北京*联合总承包部，2006 年4 月10 日。1.2 主要标准、规程、规范（1）钢结构设计规范（GB50017-2003）；（2）钢结构工程施工质量及验收规范（GB50205-2001）；（3）民用建筑可靠性鉴定标准（GB50292-1999）；（4）建筑结构检测技术标准（GB/T50344-2004）；（5）建筑抗震试验方法规程（JGJ101-96）；（6）钢结构检测评定及加固技术规范（YB9257-1995）；（7）工业厂房可靠性鉴定标准（GBJ144-90）；（8）钢铁工业建（构）筑物可靠性鉴定规程（YBJ219-89）；（9）建筑变形测量规程（JGJ/T8-97）。1.3 设计资料*体育馆钢结构施工图，北京建筑设计研究院。1.4 主要法规、文件主要包括：北京“2008” 工程建设指挥部关于奥运比赛场馆建设工程的文件（20043 号、9 号、10 号、13 号、20051 号）；第29 届奥运会组委会秘书行政部文件（奥运工程建设档案管理指南）2004124 号；市建委关于加强奥运场馆建设工程质量监督管理的通知2004207 号；绿色奥运建筑实施指南；绿色奥运建筑评估体系等。2 设计概况2.1 体育馆设计概况*体育馆位于北京市西部，面积63429m2，是*文化体育中心的一部分。*体育馆将作为2008 年北京奥运会篮球比赛场馆，可容纳观众1.8 万人，除满足奥运会比赛外还充分考虑了赛后的利用。*体育馆结构为地上6 层（含1 个夹层），地下1 层，檐高高度37.3m，二层以下为现浇钢筋混凝土框架剪力墙钢支撑结构，屋面采用双向正交空间钢桁架结构，覆盖面积14400m2。2.2 钢结构设计概况*体育馆钢屋面结构东西、南北跨度均为120m，由平面桁架双向正交构成，平面呈边长120m 规则正方形，支撑在四周20 根矩形钢筋混凝土柱上。柱间支撑为斜十字撑，水平方向间距24m，竖向高度18.51m。屋面钢桁架间距为12m，共有22 榀；桁架截面共有7 种形式，中间桁架高度从6.3m9.3m 不等，边桁架为等截面，高度6.3m；桁架上、下弦和腹杆杆件截面为箱形和H 形。钢屋架和支撑材质均为Q345C。图2.2-1 建筑东西剖面示意图图2.2-2 比赛馆屋顶部分结构体系示意图3 对钢结构监测要求的理解与响应3.1 钢结构监测的必要性*体育馆是2008 年奥运会比赛场馆，为重要的大型公共建筑，对于政治、国民经济影响较大。根据*体育馆设计文件，*体育馆钢屋面结构东西、南北跨度均为120m，由平面桁架双向正交构成，屋架跨度大，受力情况复杂。根据有关部门统计，在钢结构的安全事故中，由于构造与连接不当而引起的各种破坏，如失稳以及过度应力集中，次应力所造成的破坏等占相当的比例，这是因为在任何情况下，构造的正确性与可靠性是钢结构构件正常承载能力的最重要保证，一旦构造（特别是中间构造）出现问题，便会直接危及结构构件的安全。因此，对体育馆屋架钢结构在施工阶段、使用阶段进行监测，掌握其各阶段的安全状况，对其进行安全评价非常重要。3.2 对钢结构监测要求的理解根据招标文件，本监测工程是对*体育馆主体桁架在施工阶段、使用阶段，对安装施工偏差或温度等可能引起结构作用变化的情况进监测，监测具体项目为设计确定的截面各杆的应力及其变化、截面处的挠度（沉降）及其变化、截面的温度及其变化。根据招标文件，监测工作按施工过程划分为施工阶段和使用阶段，具体为：（1）施工阶段。阶段一：主体桁架结构安装、滑移施工期间，钢结构开始施工至胎架拆卸前为施工第一监测阶段；阶段二：胎架拆卸过程的实时监控，从胎架拆卸开始至胎架拆卸完成为第二监测阶段；阶段三：屋面结构、通风、照明、马道和大型显示屏等设备安装施工期间，从胎架拆卸完成后开始至工程竣工为第三监测阶段。（2）使用阶段。从结构竣工后2008 年底时间为使用监测阶段，使用阶段进行针对高、低温，大风，大雪和比赛等工况的数据采集和结构安全评估。一般对于钢结构工程，施工阶段钢结构桁架受力影响因素多，对监测工作要求最高，难度也最大。使用阶段由于钢结构已按设计就位，影响因素有限，监测工作相对简单。国内对于大跨度的钢结构安装施工一般有以下几种方法：（1） 满堂支架，分段高空原位拼装；（2）主桁架楼面立拼，整榀提升安装；（3）跨端单榀主桁架与柱组合平移安装；（4）跨端结构整体组合，逐间累积平移安装。其中跨端结构整体组合，逐间累积平移安装较为复杂。国内重庆江北机场航站楼巨型钢结构整体平移安装采用此方法，在施工前进行定量分析和计算，根据施工顺序，对各个工况逐一进行了结构验算以及动力效应分析，预测了内力、变形和反力的变化情况，特别是对单榀主桁架平移过程中的平面外稳定作了计算，并对采取的临时加强措施的有效性进行了分析。为验证设计，施工过程对桁架结构的负载分布及挠度位移等进行实时监测工作，达到了预期效果。3.3 对钢结构监测要求的响应经过对招标文件的认真分析及领会，我单位对本项目钢结构监测要求完全响应。4 监测内容、目标及实施对策4.1 监测内容、目标本项目监测项目为设计提出的截面各杆的应力及其变化、截面处的挠度（沉降）及其变化、截面的温度及其变化监测。监测具体内容为：对HJ1、HJ2、HJ4、HJ6、HJ7 进行监测，均各为2 榀。监测目标为：通过监测方案的实施，对*体育馆屋架桁架在施工阶段、使用阶段的安全性进行及时、准确的评价。4.2 监测实施对策为达到上述监测目标，采用测试技术手段，通过在钢结构桁架各截面杆件上布设应力及其变化监测点、挠度（沉降）及其变化监测点、温度及其变化监测点，并严格按照监测周期进行监测，及时将相关监测成果反馈给设计单位进行分析。5 监测方案及系统布设方案设计5.1 各项监测要求的控制指标各项监测项目的控制指标将在监测工作开始之前和设计方共同商定后确定。5.2 监测点布设本工程需对HJ1、HJ2、HJ4、HJ6、HJ7 进行监测，均各位2 榀。监测结构位置及各监测点的布置见图5.2-1图5.2-5。图5.2-1 HJ1、HJ2、HJ6、HJ7 桁架应力监测结构位置图5.2-2 HJ1 和HJ2 监测点图5.2-3 HJ6 上监测点图5.2-4 HJ7 监测点图5.2-5 HJ4 监测点布置平面图5.3 监测工作量表5.3-1 监测工作量统计表5.4 监测周期和频率监测周期见表7.1-1。监测频率施工前和设计方商定后确定。5.5 监测方法5.5.1 各杆的应力及其变化监测5.5.1.1 监测仪器因为本项目的监测工作不但包括施工阶段监测，还包括使用阶段的监测，这就要求传感器能适合长期监测工作的要求。我们拟采用光纤光栅传感器来进行该项目的监测工作，并建立相应的监测系统，以更好地完成监测工作，实现预期的监测目的。应力监测仪器主要包括布喇格光纤光栅（FBG）应力传感器（见图5.5.1.1-1）和光纤光栅传感解调系统（见图5.5.1.1-2）。它们与相应配套的软件系统、微机及各种附件一起组成了应力监测系统。 图5.5.1.1-1 光纤光栅应力传感器图 5.5.1.1-2 光纤光栅传感解调系统光纤光栅应力传感器相比其他的应力传感器而言，它具有以下这些特点：（1）可靠性好、抗干扰能力强；（2）测量精度高：（3）测量结果具有良好的重复性；（4）便于构成各种形式的光纤传感网络；（5）抗电磁干扰、抗腐蚀、能在恶劣的化学环境下工作。5.5.1.2 工作原理如图5.5.1.2-1 所示：外界待测量（应力或温度）加在传感器FBG 上，由光源出射的光在FBG 中传输时，布喇格中心波长将会产生位移B ë . 。包括负载信息的光波FBG 反射，经耦合器导入光谱分析仪，在分析仪中可检测出B ë . ，从而确定待测量。图5.5.1.2-1 光纤光栅传感器工作原理5.5.1.3 检测方法及过程检测时首先将光纤光栅应力传感器焊接在刚杆上，再接好传输线（根据现场情况确定最为方便的线路）。测量时将传输线另一头接至光纤光栅传感解调系统中，完成数据采集。把所采集的数据传至微机中，通过配套的软件系统进行数据分析处理，得到应力变化成果图及相关的检测结果。5.5.2 截面处的挠度（沉降）及其变化监测5.5.2.1 仪器组成截面处的挠度可采用光电挠度计来进行测量，其主要由测试头、控制器、靶标（光学标志点）、标定器、聚焦镜头、三角架及电缆等附件组成。5.5.2.2 测量原理及方法光电挠度计的测量原理和方法如下：在结构上安装制作三个光学标志点，其中一个标志点位于结构测点位置，另外两个标志点相对于结构测点对称分布，距离可根据设计要求来定。在远离测点的适当位置，安置检测仪器，调整其方位，使各光学标志点成像在检测头的成像面上。测量时各光学标志点的位置信息通过红外线传回检测头的成像面上，由专门设计的光学解析光路，将成像分解为竖直和水平两个方向的变化，分别成像在两个光电接收器件上；再由单片机将位移的二维信息传到笔记本微机之中记录下来，计算出测点相对两侧的两个光学标志点的水平和竖直方向的位移，即可得到结构的二维挠曲度。如果只需要测结构竖直方向的挠度，则只需调整好测量头，把三个光学标志点同时显示在望远镜中，并让测点两侧的标志点位于同一水平位置，即可观测到测点相对于两侧标志点竖直方向的位移，从而得到结构在竖直方向的挠度（可做动态监测）。5.5.2.3 仪器软件光电挠度计联机软件常用的有：静态检测软件、动态检测软件、多点静态检测软件、绘图软件等。其中静态检测软件用于静态检测和定标；动态检测软件用于收取测量仪器，通过并口电缆传入微机的动态数据；多点静态检测软件用于多点同时测量时的检测；绘图软件可从数据文件中读取数据及时间值，计算出相对位移值，并显示位移/时间曲线。5.5.3 截面的温度及其变化监测刚杆截面的温度采用布喇格光纤光栅（FBG）温度传感器和光纤光栅传感解调系统来进行测量。其测量原理和方法与应力监测的一致。温度传感器和应力传感器可以共用一个传感器，也可以分开各用一个传感器。如果是共用一个传感器，则需要区分应力和温度参量的不同影响。因为应力和温度对布喇格波长的移动有相同的影响，仅仅靠测量FBG 传感器的一个波长移动并不能区分两者的影响。要区分或同时测量不同参量可以采用以测量两种类型的FBG的双波长为基础的方案。因为在不同的波长上，FBG 对各环境参量有不同的响应度，所以在两个波长上进行检测可以获得各参量的具体值。5.6 监测评估系统为了能更好地完成监测工作，达到监测的预期目的，实现工程管理的电子化、规范化、科学化，准确合理的把握工程结构的健康状态，节省人力及其它不必要的资源浪费，我们拟采用工程健康监测与评估管理系统。该系统将有效地提高施工监测、使用养护管理水平和效率，有助于保障结构的安全。监测评估系统包括硬件和软件两方面。硬件设备主要包括光纤传感器（应力、温度）及解调器、光电挠度计、计算机服务器、便携式计算机等。软件主要包括各项监测项目配套软件、数据库、数据管理系统及工作状态综合评估系统。该系统采用集成技术，将计算机、传感、信号处理技术、软件开发、结构分析与结构检测技术等项融合，在Windows、Delphi 和Access 平台上，研究开发功能全面、强大，操作简便的