作者单位：河南省建筑工程质量检验检测中心站有限公司、大连理工大学海洋科学技术学院、大连理工大学建筑工程系、河南省建筑科学研究院有限公司
*国家自然科学基金(51608094;51678109);中央高校基本科研业务费专项资金（DUT18RC(4)055）
全文发表于《建筑技术》2020年第2期
概括
抽象的
以郑州奥体中心体育馆屋顶网架结构施工过程为例，详细介绍了网架结构施工过程的监测指标及相关传感监测新技术。以网架结构关键构件的应力应变为主要指标，采用自主研发的低温敏感光纤光栅应变传感器，全面监测网架结构在施工过程中的应力和变形特征，然后对施工质量进行综合评价。该监测技术为电网结构的安全施工提供了可靠的解决方案。
介绍
大跨度空间结构广泛应用于体育场馆、机场等公共建筑，其结构形式和施工方法日趋复杂。网架结构作为常见的大跨度空间结构，一般是由杆件按照一定规则组成的超静定空间结构体系。具有刚度高、性能好、节省材料等优点。在施工过程中，空间网架结构的受力形式、边界条件等结构特性不断变化。施工环境、施工技术、人为因素等许多不确定因素会导致关键结构构件内力重新分布或相对薄弱环节损坏。或摧毁。国内外施工过程中网架结构损坏事故频发。例如，2005年7月8日，正在建设中的内蒙古新丰热电项目主厂房球形网架结构突然倒塌。事故原因是网格未形成整体受力且未进行施工验证，导致网格初始变形累积。随后由于部分高强螺栓连接失效，倒塌加速并持续。因此，对网架结构施工过程的实时监控对于保证结构的安全运行起着至关重要的作用。
国内外针对网架结构施工过程的监测进行了大量的研究。一般在施工过程中采用杆应力作为损伤敏感指标来判断结构是否处于安全状态。吉荣利等人利用DH3815E静应变测试系统对大跨度空间网架结构施工过程中的应力进行监测，确保辅助支撑拆除过程中网架结构的安全卸载。廖军等人在上海世博会浦西综艺馆改造施工中，使用光纤光栅传感器对托梁、网格等关键构件的应力进行监测，确保施工质量。 X.王等人。采用钢弦应变传感器和光纤布拉格光栅应变传感器对西宁体育场钢屋盖结构加载过程中的应力进行监测。监测结果表明，结构应力和变形均在合理范围内，最终稳定在一定值，效果良好。总之，以光纤布拉格光栅为基本元件设计的各种应力应变传感器已成为各类大型结构施工监测的主要传感技术手段。但由于施工现场环境复杂，光纤传感信号容易受到温度等外界干扰，往往导致监测结果不准确。
以郑州奥体中心体育馆屋顶网架结构为例，采用新型传感监控技术和监控系统对网架结构的施工过程进行监控。对网架结构施工过程中容易发生损伤和破坏的危险部位进行应力时程监测和分析，通过对比卸载施工前后的残余应力来评估网架结构的安全状况。本文所述的监测方法和相关传感技术为体育馆构筑物的建设和使用提供安全保障。
第01部分
项目概况
郑州奥体中心位于中原西路与西四环路口南300m处。该工程东西长约732m，南北长约484m。项目总建筑面积57万平方米。奥体中心由1个体育场和2个展馆组成（见图1a）。体育馆屋顶平面近似矩形，东西方向约150m，南北方向约122m。东侧悬挑长度为20m，北侧悬挑长度为22m。屋面钢结构根据使用需要采用方锥体网架结构（见图1b）。由于施工场地限制，体育场屋盖钢结构采用滑移法施工。
a郑州奥体中心
b 体育场屋顶网格
图1 郑州奥体中心及体育场屋顶网格效果
第02部分
施工监测计划
体育场屋顶钢结构采用钢网架结构。网格的空间定位困难，施工工艺复杂。由于施工场地有限，施工单位采用了滑移法。施工过程中，在屋面钢结构网格的南北两侧和中间设置了3条滑轨。网格构件在施工平台上组装焊接并通过滑轨。移动轨道逐渐滑行至设计位置。体育馆屋顶钢结构网架主体全部滑入到位后，由东向西逐步拆除临时支撑和滑轨。屋顶钢结构网格也逐步卸载。卸货完成后，定位在预设的混凝土结构上。从而完成屋面钢结构网格受力系统的改造。体育馆屋面网架钢结构构件在施工平台上按单元拼接而成。拼接完成后，利用滑轨逐渐向外滑动。网架钢结构滑动施工过程中，容易出现不同步滑动造成的受力不均，造成局部网架结构构件受力过大，影响结构的安全性和耐久性。因此，为了了解和评估结构的安全状况，验证滑移施工完成后网架钢结构的受力状态是否与设计状态一致，有必要对网架进行应力监测。体育场钢结构。
2.1 施工过程有限元分析
体育馆屋顶网架采用滑移法施工。根据设计院对网架结构的有限元模拟结果，确定了结构施工和运营期间的应力应变测点布置方案。根据有限元模拟结果可以看出，屋顶网格在滑动过程中的最大变形量为28mm。滑移后，屋面网格跨中部分整体变形较大，最大变形为21mm；滑动过程中，钢构件出现最大应力比为0.86。滑动到位、卸荷完成后，结构构件受力不大。最大应力比为0.43，网格跨中位置应力水平明显高于其他位置；滑动过程中出现网格结构。最大变形和应力满足施工规范的要求。
2.2 监测方案及测点布设
为保证所选测点能够有效评价结构的受力和安全性能，选择测点时综合考虑以下位置：①滑动过程中应力和位移较大的杆件； ②滑动件末端前后应力、位移变化较大的杆件； ③网格结构的其他重要部分。本工程施工监测共布设应力应变测点96个。传感器主要布置在网格跨度的中部和东北部区域。
第03部分
监控系统和传感器
3.1 监控系统
根据屋面网架结构的受力特点，在网架结构的上弦杆、下弦杆和腹杆处布置测点，监测网架结构施工过程中关键构件的应力应变响应，然后分析结构荷载变化。不同时刻的应力变化规律。通过自主研发的多通道光纤光栅解调器采集传感器信号（见图2）。性能参数如表1所示。光纤光栅解调器与数据采集软件结合构建数据采集子系统。软件与嵌入式硬件平台系统无缝集成，程序功能模块化、多线程。该系统具有数据采集、实时信号处理、存储、网络通信等功能。 、实时数据显示、历史数据查看、数据管理和任务配置等功能。
图2 数据采集设备
表1 光纤光栅解调器性能参数
3.2 光纤布拉格光栅应变传感器
为了消除施工监测过程中温度效应对应力监测结果的影响，本项目采用了自主研发的低温敏感光纤光栅应变传感器。传感器采用两端夹紧的管式封装技术，两端钢管内填充负膨胀材料（光纤光栅冷时收缩，受热时膨胀，负膨胀的变化膨胀材料相反）。当两者变形系数接近时，负膨胀材料变形会抵消光纤光栅因温度变化而产生的变形，从而实现传感器的低温灵敏度。低温敏感光纤布拉格光栅应变传感器如图3所示。
图3 实际低温敏感光纤光栅应变传感器
应变传感器经过温度校准后，其温度灵敏度系数为1.3pm/℃，远小于裸光纤光栅的温度灵敏度系数（10.3pm/℃），具有良好的低温灵敏度。此外，采用MTS高周疲劳试验机对传感器进行循环加载下的长期疲劳试验。试验机对传感器施加高周正弦往复载荷，以获得传感器在循环载荷下的响应模式。传感器波长响应如图4所示。从图4可以看出，传感器在经历80万次循环负载后仍然保持良好稳定的实时响应特性。传感器的最大和最小波长基本保持不变，表明传感器具有良好的长期稳定性和重复性，适用于大型工程结构的施工现场监测。
图4 循环加载下传感器波长监测结果
3.3 传感器现场安装
光纤布拉格光栅应变传感器具有良好的抗拉强度，但在受到压力时很容易破裂。因此，在现场安装传感器之前，需要对其进行预拉伸，使其处于拉紧状态，然后进行固定，以保证传感器具有一定的压应变范围。另外，由于现场施工环境恶劣，传感器安装后需要采取一定的外部防护措施，以保证传感器良好的耐用性。光纤布拉格光栅应变传感器的现场安装如图5所示。
图5 传感器现场安装
第04部分
监测结果与分析
体育场屋面钢结构网架组装焊接滑入到位后，于2018年1月13日下午由东向西逐步拆除临时支撑，并于1月19日完成全部临时支撑拆除， 2018年。随后逐步安装了马道和金属屋顶。体育馆屋顶网架钢结构施工现状见表2。
表2 电网建设状态记录
4.1 应力变化监测结果
本文以部分下弦杆、腹杆和上弦杆为例来说明结构卸载过程中屋面网格所受的应力。屋面网架结构施工过程中下弦部位测点应力变化时程如图6a所示。从图6a可以看出，施工过程中屋盖结构各下弦产生明显的应力应变响应。它们在卸载过程中均处于受拉状态，且应力变化趋势一致。但不同区域下弦应力幅值不同。其中，跨中区域下弦拉应力水平较高，表明在结构卸载过程中，跨中区域下弦是结构易发生破坏的薄弱点。和破坏。网架结构施工过程中，上弦杆和腹杆测点的应力变化时程分别如图6b和图6c所示。从图 6b中可以看出，各上弦测点的整体应力变化趋势一致，且结构卸载过程中上弦测点的应力值呈现出不同程度的应力波动，表明结构卸载过程引起结构构件不同程度的内力重新分布。从图6c可以看出，卸载过程中各腹杆测点的应力值也有不同程度的波动，且对称位置的WF1和WF2测点的应力变化趋势不同，表明网格结构正在卸载过程中。受力不均。
图6 施工过程中测点应力变化时程曲线
综合应力变化时程分析表明，随着施工过程的进行，网架结构各构件均发生明显的应力响应，但最终应力水平趋于稳定，表明网架结构已完成应力系统的转变通过卸载过程。 ；卸载过程中，上弦杆和下弦杆主要承受拉力郑州网架钢结构，腹杆主要承受压力。结构卸载完成后，构件的应力水平处于安全范围内。
4.2 卸荷施工应力监测分析
为了更好地分析网格结构在卸载过程中的应力响应规律，对卸载过程中各测点的应力变化幅值以及卸载完成后的构件应力进行了分析。卸载完成后各测点的应力水平以及施工过程中各测点的应力变化幅度如图7所示。从图7中可以看出，结构卸载完成后，无论是上层还是下层，弦杆处于受拉状态，最大拉应力为66.7MPa，出现在测点WX4（跨中区域）；腹板构件主要处于受压状态。最大压应力为-34MPa，出现在测点EF3（东北角区域）；跨中区域下弦杆和东北角区域腹杆是网架结构施工过程中的薄弱构件，施工监测时应重点关注。专注于。下弦杆和部分腹杆的应力变化幅度大于其他杆件。其中，最大应力变化幅度为75.94MPa，出现在EF3测点处。这表明在整个施工过程中，下弦杆和腹杆的内力发生了重新分布。现象更为明显。稳定后各杆件的应力值仍小于许用应力，体育场屋盖结构整体处于安全可靠状态。
图7 各测点位置稳定应力值及应力变化幅度
4.3 传感器性能分析
低温敏感光纤布拉格光栅应变传感器具有良好的工作性能和低温灵敏度。由于低温敏感光纤布拉格光栅应变传感器的中心波长值几乎不受温度影响，因此后续数据处理时无需进行温度补偿，大大减少了数据处理工作量，方便其在实际项目中的使用。根据实际监测数据分析，该传感器在施工过程中的应力监测中表现出良好的低温灵敏度。
为了证明传感器的低温灵敏度，低温敏感光纤光栅应变传感器在某一测量点的波长变化时间过程如图8a所示。从图8a可以看出，结构卸载前传感器的波长值比较稳定郑州网架钢结构，几乎没有大的波动。将结构卸载前传感器的波长变化时间过程放大至图8b。图8b显示了传感器从13:00到13:30的波长变化时间过程。可以看出，0.5h内传感器波长基本稳定在1 550.362nm附近，波动范围均在9pm以内。普通光纤光栅应变传感器在工程一定时期内的波长变化时间过程如图8c所示。从图8c可以看出，传感器的波长在0.5h内呈现出连续增加的趋势。此时结构的状态和应力并没有发生大的变化。因此，可以明确判断温度变化是传感器波长值持续增大的主要原因。通过比较两种传感器的波长变化时程可以看出，低温敏感光纤光栅应变传感器具有良好的低温灵敏度特性，比普通应变传感器具有更大的优势。
图8 低温敏感传感器性能分析
第05部分
结论
网架结构施工过程监控是保证结构施工安全和质量的重要措施。监测方案设计和测点选择应根据施工过程和有限元分析结果选择合适的监测指标。本文采用自主研发的低温敏感光纤光栅应变传感器来监测网格结构施工过程的整个应力应变过程。结合郑州奥体中心体育馆屋面网架结构滑移施工卸载过程的监测，对监测结果进行分析，结论如下。
1）网格结构在施工和卸荷过程中会产生较大的应力响应。上下弦杆主要受拉，腹杆主要受压。施工过程中，网架结构对称位置构件的应力变化趋势不相同，会出现应力不均，导致局部构件应力过大。
2）郑州奥体中心体育馆屋盖网架中部下弦杆及东北角腹杆受力程度较高，是网架结构在使用过程中易发生结构破坏或破坏的薄弱环节。施工和卸载过程。
3）低温敏感光纤光栅应变传感器在本项目施工过程监测中表现出良好的低温灵敏度和长期稳定性，解决了普通光纤传感器对温度和应变的交叉敏感性以及对环境影响的问题。振弦应变片的长期稳定性差。寿命短的问题。
综上所述，在网架结构施工过程监测中，有针对性地选择合适的监测指标，合理运用新型传感监测技术，可以实现对施工过程的准确、全面的监控，可以有效保证网架结构施工过程中的安全。施工期。安全，提高施工智能化，减少不安全因素和施工质量问题。
（参考文献略）
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郑州奥体中心体育馆网架结构施工监测
杨福增，贾子光，任亮，等。郑州奥体中心体育馆网架结构施工监测[J].建筑技术, 2020, 49(2): 25-29.
