某悬挑结构应力监测方案讲解.docx
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某悬挑结构应力监测方案讲解
11．监测方案
11.1监测监控的目的
因为凯旋门主体施工过程中结构体系将随施工阶段不同而变化，现场施工荷载条件也是不断变化的，因此凯旋门悬挑结构的实际内力与设计内力值之间及结构的实际变位与设计变位值必然存在差异。
因此施工过程中必须对内力及变位进行监测，及时掌握结构实际状态，对施工步骤及条件做出调整，防止施工中的误差积累，保证结构安全。
监控计算的目的在于按照确定好的结构施工方法和施工步骤根据实际的恒载及临时荷载进行计算分析，提供每一施工步骤的理论内力以及结构的变形。
同时施工现场根据监控计算提供的结果，随时反馈结构安装情况，形成一个施工监控循环阶段，最后顺利建成并达到设计要求。
11.2监测监控的内容
11.2.1位移的监测
通过测量结构在不同状态下各控制点空间三维坐标（或竖向坐标）的差异，实现位移监测。
位移监测旨在防止在钢结构吊装过程中出现的变形危及即成体系的结构安全，并保证抬升裙楼结构施工完成后，各控制点的坐标（标高）要满足设计要求。
测量结果与计算结果进行对比，分析得出吊装过程中可能出现的施工误差及原因，提交监测数据与分析成果，并采取针对性措施进行施工保障。
11.2.2应变的监测
根据凯旋门结构主体结构特点，随着钢结构桁架施工以及上层混凝土结构荷载增加后，本次监测工作将合理地布置应变测点，重要的部位可布设互相验证的测试元件，使观测成果能反映结构应力分布及最大应力的大小和方向，以便和计算结果进行对比，同时综合其他监测信息进行分析，从而为施工过程安全与结构工作状态的评估提供参考。
构件测量部位应变传感器的数量和布置方向应根据应力状态而定。
空间应力状态宜布置7～9向应变传感器，平面应力状态宜布置4～5向应变传感器，主应力方向明确的部位可布置单向或两向应变传感器。
本次监测的主要位置集中于悬挑钢桁架的弦杆，腹杆端部等一些内力较大的截面，通过对这些部位的应变监测来掌握结构吊装过程中及吊装之后的工作状态、受力性能，是否能保证结构安全，是否能吻合理论分析结果。
11.2.3裂缝的监测
监测裂缝目的：
因为悬挑结构中L42-L50层采用了混凝土梁柱及楼板施工的施工工艺，而悬挑结构中弯矩负荷较大，为保证安全以及建筑施工使用功能，对楼板裂缝进行监测。
裂缝的测量主要有三种方式：
①刻度放大镜：
布置高倍率带有刻度的放大镜，通过直接观察刻度的变化，来观察裂缝的变化情况，在混凝土裂缝的观测中普遍常用；②裂缝刻度尺：
一般适用较大裂缝的直观测量，但精度较低；③应变计：
通过布置在裂缝两侧的门钉，在门钉上拉设特殊的应变传感器，另一端与随身携带的电脑连接，通过相应软件的处理，可以直接在显示屏上直观的读取裂缝的宽度变化值。
图10.2.3-1刻度放大镜以及裂缝刻度尺读数
图10.2.3-2应变计监测裂缝
本次裂缝监测按梁截面类型、荷载类型、荷载作用点的分布等分类选择，以施工楼层荷载增加的变化为主线，当对楼层梁板进行裂缝的观测。
11.3位移的监测
为了满足工程施工进度的需要和适应监测工作环境差、监测工作量大、测点的点位精度要求高等客观因素和外部条件
结构变形监测仪器与设备
11.3.1全站仪
近年来全站仪仪器制造的突出进展是带伺服马达的、可以自动识别和自动照准目标自动测量的全站仪，也称为智能型全站仪或者测量机器人。
通过仪器自动精确照准后测量的水平角、天顶距和距离，就可以快速获得目标点相对于仪器中心的三维空间坐标。
照准的目标可以是反射棱镜，可以是反射膜片，也可以无合作目标（漫反射测量，一般200米左右）。
但最精确的距离测量还是需要使用反射棱镜。
而目前最精密的全站仪的距离测量可达到亚毫米，如LEICA公司的TPS5000系列，测距精度为0.2mm。
用LEICATCA1800在15米距离所做的自动照准测量试验表明，自动照准测量水平方向的测量精度可达到0.3秒，这与用TC2002人工观测的精度是一致的。
但前者观测时间则大大降低了。
随着全站仪的发展普及，在工程变形监测中应用越广泛。
本项目拟采用世界上精度最高的多功能全站仪LEICATCA2003全站仪，其技术参数见下表
11.3.2水准仪
水准仪选用德国ZeissDini12数字式精密自动安平电子水准仪。
该仪器的性能指标见表2.3.2-1。
表2.3.2-1ZeissDini12技术参数
序号
项目
指标
1
每公里往返测中误差
0.3mm/km，
2
最小显示读数
0.01mm。
3
测距范围
1.5-100米
4
充电时间
1小时
5
连续使用时间
3天
6
工作温度
-20℃—+50℃
7
测量需读取条码尺范围
30cm
8
快速测量时间
<3秒
9
重量
3.5公斤
11.3.3观测墩
由于施工现场环境比较复杂，为保证测量质量，本项目中全站仪的测量必须配备观测墩，观测墩示意见图8.3.3-1，
图10.3.3-1观测墩安装示意图
11.3.4位移观测点
根据设计单位提出的监测要求。
结构变形监测主要涵盖三个方面的内容：
悬挑部关键构件的竖向相对变形；
图10.3.4-1HJ-1变形观测点
图10.3.4-2HJ-2变形观测点
11.3.5监测方法
（1）当条件许可时，对悬挑构件测点优先采用全站仪测量法，将全站仪架设在测站上，按极坐标法进行测量。
图10.3.5-1全站仪直接测量外框监测点3d变形图
为保证监测结果不受基准点可能存在位移和沉降的影响，必须定期对基准点的稳定性进行监控，即定期检测基准点间的边长、夹角、高差的变化情况，如果发生变化，则必须测量其变化值，重新计算基准点的各项初始值和监测点的变形值。
监测基准点的稳定性按一级水准和平面变形测量要求进行。
当平面基准点和水准点埋设完毕并稳定后连续对基础导线网和水准网进行两次观测，取两次观测的平均值作为变形观测的起算数据，基础控制系统采用成都市城市坐标和高程系统。
基准点高程的引测：
基准点稳定后，选用每公里往返测高差中误差为0.3mm的蔡司电子水准仪从国家城市水准点，采用精密水准测量法，经平差计算后的三个基准点高程数据作为本工程沉降观测的基准点高程。
基准点导线测量：
本工程布设一条一级闭合导线，测量仪器采用TCA2003全站仪，仪器精度指标：
测角0.5″，测距1mm+1ppm。
在将来长期架设仪器测量变形点的监测站，平时用护栏模板围闭保护。
每隔三个月至半年宜将半永久性水准高程控制点与城市高程控制点进行校核，确保控制点高程的准确性。
（2）水准仪测量
水准仪测量由于悬挑桁架测点高度比较高，如果引测到地面，累积误差太大，有可能失去实际意义，因此水准测量主要测量悬臂和转换结构相对根部的变形。
11.3.6监测频次计划
（1）荷载变化期间：
初始阶段每施工一层监测一次，施工期间因故暂停施工超过三个月，应在停工时及复工前进行观测。
（2）结构封顶至工程竣工
结构变形且连续三个月内平均变形值不超过1mm时，每三个月观测一次；连续二次每三个月平均变形值不超过2mm，每六个月观测一次；外界发生剧烈变化时应及时观测；交工前观测一次。
11.3.7结构变形监测中的技术措施
每次变形观测，坚持遵循可比性原则，最大限度地消除系统误差，应符合下列要求：
（1）采用基本相同的观测路线和观测方法；
（2）使用相对固定的仪器和设备；
（3）相对固定的观测人员；
（4）在大致相同观测条件下工作；
（5）采用同一平差计算方法、执行现行国家标准规范规程的有关技术要求。
测量仪器选用获计量器具制造许可单位生产的产品，并提供出厂产品合格证。
本项目使用的仪器标尺都应经国家授权单位检定合格，而且在有效期内。
11.3.8测点保护
各种测点在现场进行编号标志，标志醒目、统一、耐久、防水、美观。
现场测点布设完毕后，及时绘制测点布设分布图，详细记录各监测点的布置位置和各相关尺寸，作为计算分析的一个依据。
11.4应变的监测
11.4.1构件应力监测要求
应力测量是结构施工监测中很重要的内容。
了解应力沿构件的分布情况，特别是了解结构危险或关键截面处的应力分布及最大应力值，对于验证设计是否合理，计算方法是否正确，都有直接的意义。
利用所测应力资料还可以直接了解结构的工作状态和强度储备，在结构应力达到预警值时及时发出警报，为进行结构处置提供准确依据。
设计单位要求对以下关键结构进行监测，全部应力监测点如下：
图10.4.1-1HJ-1应变监测点布置
图10.4.1-2HJ-2应变监测点布置
11.4.2构件监测仪器与设备
直接测定出应力比较困难，目前还没有较好的方法，能常是借助于测定应变值后通过材料的应力应变关系曲线或方程换算为应力值。
例如钢材的应力应变曲线在弹性阶
段基本呈线性，即：
σ=Eε，则钢试件在弹性阶段的应力可由测得的应变乘以钢材的实际弹性模量计算得出。
混凝土的应力应变关系曲线是非线性的且随不同强度等级和不同骨料而有差异，应测定现场所用混凝土的应力应变曲线或弹性模量，以根据测得应变值后换算出相应的应力值。
所以应力测试通常是应变测试，再通过换算得到应力。
应变计的种类很多，各具特点，机械类有：
机械式双杠杆应变仪、接触式千分表应变仪、杠杆式千分表应变仪；电测类有：
电阻应变片、差动电阻应变计、弦式应变计、电感应变仪；光学类有：
贴片光弹应变计、密栅云纹膜、衍射图形应变计；光纤类：
光纤光栅应变计。
鉴于本工程的长期监测的需要，建议采用振弦式应变计及相应的采集设备对结构应变进行监测。
11.4.3振弦式应变计
一定长度的钢弦张拉在两端块中，当端块发生相对位移时，钢弦中张力发生变化，张力的变化使得钢弦振动频率发生变化，通过测量弦振频率的变化，可换算得到应变变化值，其计算公式为
A=K1×K2×f2
式中，A为应变值，单位为με，f为振弦频率，K为应变系数。
考虑混凝土中钢弦线胀系数与混凝土不同，测量时应进行修正。
混凝土温度系数为F；测量应变为ε，单位为με；测量温度为T，初读数时温度为T0；
修正后应变为：
εM=ε−（T−T0）×（F−F0）
其中：
F0=12.2με／oC，为钢弦温度系数。
振弦式应变计在长期稳定和灵敏度方面能满足要求，另外它是通过振弦频率变化转换数据的，从构造看钢弦和外壳同样是钢质，热膨胀系数基本一致，因此对温度变化不敏感，对导线要求也不高。
但振弦式元件目前还没有统一标准，其中的关键是对钢弦的处理如不到位，在长期测试中易于松弛，造成零点飘移，给数据分析带来影响。
目前振弦式应变计外壳多用钢管，有的钢管壁厚，使用前应检查应变计本身的刚度，如大于同截面混凝土刚度时，还要通过试验找出两者刚度比对测值进行修正。
图10.4.3-1HJ-1表贴式振弦传感器
11.4.4振弦式传感器数据采集仪
JMZX-200X振弦检测仪是一种智能型振弦频率及温度检测仪器。
配合JM系类各种振弦传感器使用，可测量钢筋混凝土构件的应力、应变、压力、温度、水位等物理量。
可广泛应用于水利、交通、铁路、建筑等行业。
产品特点如下：
（1）根据传感器内保存的标定参数，由检测到的振弦频率，直接自动计算出所需物理量，因而具有检测速度快、精度高、显示直观、使用简单、方便等特点，仪器体积小、重量轻，采用电池供电，使用携带极为方便。
大屏幕汉字显示，人机对话操作，简单易学。
仪器带有日历时钟，能自动保存测试时间。
大容量存贮器保存每次测量结果，并可查询或通过串口送计算机分析处理。
（5）仪器有一弦检测仪，三弦检测仪，六弦检测仪。
其中一弦检测仪可检测本公司生产的所有一弦传感器，三弦检测仪可检测所有一至三弦传感器，六弦检测仪可检测所有振弦传感器，仪器兼容性强，降低了用户成本。
配备LED背光，能在夜晚或光线暗淡的测试场所方便使用。
交直两用。
弦检测仪技术参数
性能参数
指标范围
振弦频率
600Hz~3000Hz
振弦温度
-40℃~125℃
频率精度
0.1%±0.1Hz
温度精度
±1℃
存贮容量
2500个测试点
使用环境温度
-10℃~40℃
相对湿度
小于等于90%
工作电流
80mA
充电时间
12小时~14小时
图10.4.4-1振弦振弦检测仪
11.4.5振弦式传感器数据采集箱
自动集线箱由不锈钢防潮机箱、主控制板、通道板与电源四部分组成。
电路采用模块化结构，每台标准型号的集线箱分别有8、16、24、32或40、48、56、64通道，最多可接入32支或64支传感器，几乎所有类型的传感器均可接入。
例如：
振弦式、差阻式、差动变压器式、电位器式、电流式、应变片式等2～5芯制信号电缆的传感器。
集线箱可手动或自动控制，也可通过RS-485总线与BGK-408读数仪实现无缝连接从而对振弦式传感器进行数据的全自动采集存储。
将多台集线箱通过RS－485总线并联，由BGK-408读数仪进行控制测量可实现振弦式传感器数据的集中式自动采集。
集线箱可选装内置UPS电源，在断电时由内置蓄电池（电池选配）供电，外接电源箱体采用抗腐蚀的不锈钢材料，设有密封装置，适应在各种恶劣环境下工作。
自动集线箱技术参数见表
JMZX-200X振弦检测仪技术参数
性能参数
指标范围
通道数量
8、16、24、3240、48、56、64
控制方式
手动、自动或有线程控
显示方式
4位LED数码管
适用传感器类型
5芯电缆以下的传感器均可自由接入
每通道芯线数
5芯
通讯接口
RS-485A
供电电源
AC220V，内置UPS（电池选配）
机箱
不锈钢防潮机箱，防潮等级IP65
备用电池
6V免维护铅酸蓄电池（电池选配）
功耗
低于3W
箱体尺寸（宽×高×深）
300mm×400mm×210mm
11.4.6监测周期
（1）荷载变化期间：
初始阶段每施工一层监测一次。
施工期间因故暂停施工超过三个月，应在停工时及复工前进行观测。
（2）结构封顶至工程竣工
每月一次，连续观测三个月，若结构应力连续三个月内平均变形值不超过10个单位，则每三个月观测一次；
连续二次每三个月平均变形值不超过10个单位，则每六个月观测一次；外界发生剧烈变化时应及时观测。
11.4.7构件应力监测中的技术措施
采用有限元分析软件对施工过程进行仿真模拟，包括顺序施工模拟计算分析和结构预变形；建立现场测量与理论计算结果对比反馈机制。
通过施工模拟计算分析，优化结构施工方案，可节省项目施工费用，节约工程施工成本；通过施工监测与理论计算的对比，可优化计算参数，提高计算效率；通过现场及时的信息反馈和调整施工方案或采取施工措施，保证的工程施工安全，提高工程施工效率；可促进施工技术的创新，加速成果的应用。
表面应变计在传感器安装调试完成后，加装保护装置；对SRC柱内的应变计，在浇注混凝土前将导线用保护套管保护，从模板中穿出。
在施工期间，加强检查，同时请各相关单位协助进行保护。
11.5裂缝的监测
裂缝监测的测点布置位于悬挑端楼板混凝土结构上，根据施工楼层频率对楼板裂缝进行监测。
堆载区域的裂缝测点测频定为每一层结构施工层进行一次，根据需求可适当增加测频。
由于裂缝在很多地方不是由一种作用而引起的，而是由多种因素的共同作用，因此裂缝数据将作为施工模拟变化中一项辅助性的反馈参数，供进行评估。
11.6数据采集及整理
11.6.1监测数据分析整理
施工阶段数据处理与控制系统实现对全部监测数据的采集预处理和储存，以满足对结构在施工阶段完成健康监测的要求，为监测系统提供真实有效的数据。
众所周知，传感器信号自传感器产生开始，到进入最终的数据处理系统需要经过A/D转换、采集以及处理等多个阶段，在这个过程中不可避免地会受到各种外部噪声、系统误差等的影响，并且由于其他原因，传感器本身有可能产生不正确的信号，因此，在这个过程中需要对数据进行各种必要的处理以保证最终数据的正确性。
（1）信号异常数据判断分析
传感器子系统在整个寿命过程中始终处于工作状态，数据采集系统也相应的长期不间断运行。
但是由于各种恶劣天气、空气湿度、雷电以及过往各种车辆等外界因素的影响，传感器子系统在运行过程中不可避免地会出现各种异常的工作状态，甚至出现故障，这些现象可能导致诸如异常峰值、异常波动、信号微弱、信号超出测量范围以及无信号等现象，但这种情况下也不能排除此类现象为传感器对外界荷载的真实反应，因此，在数据采集后首先需要通过数据预处理。
（2）及时数据分析
在施工监测阶段，数据的采集是以人工的方式，数据误差存在于采集过程中的各个环节，为了有效避免人为误差的出现，除了对传感器信号的异常判断之外，还需及时对数据进行整理，通过曲线对数据变化进行描述。
在定性判断的基础上，确定数据的有效性，对于跳跃性较大的数据需制定校核方案。
（3）有限元分析结果比较
施工过程有限元分析是对数据采集后整理的有效依据，通过对施工过程的分析，可确定不同施工阶段关键构件的应力水平。
监测数据通过与有限元模拟计算分析的有效比较，可有效确定结构构件应力水平。
11.6.2信息反馈
应保存施工期间所有监测点的监测数据记录，并进行必要的数据处理，在要求的监测日之后三日内向整理提交报告，包括以下内容：
（1）测量机构名称；
（2）数据检查人姓名；
（3）天气情况，包括测量时的温度和湿度；
（4）测量数据与要求的参考数据的偏差。
报告应以打印文本的方法提交，并以电子表格的方式累积各项测量数据，以便利用图形来显示已建成结构每个测量时段的度量值。
此电子表格应时时更新并随报告提交。
显示结构在每个测量点的实际位移图形，应同时对比总包商在预调整和施工次序分析中所预期的相应数值。
提交的图表应使设计单位能对预期值和真实值进行直观的比较，并且满足施工模拟对比进行阶段性预调值修正的要求。
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