钢结构监测技术方案

1、钢结构监测技术方案目录1 编制依据. 31.1 招标文件. 31.2 主要标准、规程、规范. 31.3 设计资料. 31.4 主要法规、文件. 32 设计概况. 32.1 体育馆设计概况. 32.2 钢结构设计概况. 43 对钢结构监测要求的理解与响应. 53.1 钢结构监测的必要性. 53.2 对钢结构监测要求的理解. 53.3 对钢结构监测要求的响应. 64 监测内容、目标及实施对策. 64.1 监测内容、目标. 64.2 监测实施对策. 65 监测方案及系统布设方案设计.7 5.1 各项监测要求的控制指标. 75.2 监测点布设. 75.3 监测工作量. 85.4 监测周期和频率. 95

2、.5 监测方法. 95.5.1 各杆的应力及其变化监测. 95.5.1.1 监测仪器. 95.5.1.2 工作原理. 95.5.1.3 检测方法及过程. 105.5.2 截面处的挠度（沉降）及其变化监测. 105.5.2.1 仪器组成. 105.5.2.2 测量原理及方法. 105.5.2.3 仪器软件.115.5.3 截面的温度及其变化监测.115.6 监测评估系统.116 监测仪器设备和设施、软件等. 127 监测方案实施进度计划及保证措施. 127.1 监测方案实施进度计划. 127.2 监测进度保证措施. 148 监测人员组织管理、技术支持、为奥运保驾. 148.1 监测人员组织管理.

3、 148.2 劳动力计划. 158.3 监测工作技术支持、为奥运保驾服务. 169 质量、安全绿色环保保障措施. 169.1 质量保障措施. 169.2 安全保障措施. 179.3 绿色环保保障措施. 1810 与各方协调配合. 1810.1 与钢结构施工单位的协调配合. 1810.2 与监理单位的协调配合. 1910.3 与设计单位的协调配合. 1910.4 与业主的协调配合. 1911 对本工程的相关建议. 201 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

4、（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

5、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

6、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

7、 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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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 . 。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 . ，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

15、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，

16、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

17、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，F

18、BG 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

19、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，操作简便的结构健康监测与评估管理系统软件，将监测对象的信息、工程管理、施工和使用监测及结构状态评估等相综合，为工程结构的健康监测和状态评估管理提供科学的手段和方法。6 监测仪器设备和设施、软件等表6-1 拟投入的主要施工机械设备表序号机械或设备名称型号规格数量国别产地制造年份额定功率（KW）生产能力备注光纤光栅应力传感器FBGST系列140中国北京2005精度1可以根据工程情况定制光纤光栅温度传感器FBGST系列140中国北京20050.1 C 光纤光栅传

20、感解调系统FBGST系列3中国北京2005光电挠度计BJQN-IV2中国北京20045相关软件及附件与仪器配套若干中国北京车辆、电脑、打印机、传真机电话、复印机等满足工作需要7 监测方案实施进度计划及保证措施7.1 监测方案实施进度计划本监测项目施工进度表见表7.1-1。表7.1-1 计划开工日期、竣工日期和施工进度表说明：本进度表为投标阶段根据招标资料分析拟定的初步工期计划，中标后还要根据钢结构具体施工进度并按照合同条件有关条款的要求提交详细的施工进度计划。7.2 监测进度保证措施（1）根据监测项目要求，在进场前对钢结构设计图纸、施工单位的安装方案与进度计划进行详细研究，在此基础上制定详细的

21、监测方案，细化施工进度计划，明确包括仪器设备的检校、监测传感器的安装、监测数据的采集等每个目标节点的工期。（2）对监测工作的进度安排，由项目负责人监控各专业人员严格执行，保证项目技术负责人、项目技术人员、项目安全管理人员、后勤支持人员各司其责，严格根据工程进展情况，按照计划进行监测工作，按时提供合格的监测资料。（3）定期向业主和有关方面汇报监测项目进展情况，以便业主了解情况，并提出意见。（4）项目部与各部门之间保持畅通的联系渠道，负责人定期为监测进度监控，各部门负责人每天至少向项目负责人汇报一次，建立例会制度，每两天召开一次由项目部主要人员参加的例会，以保证各项工作的有序进行，确保各工序交接不

22、发生错漏，杜绝返工现象。密切注意受天气、交通等影响的工序，若发现某一工序的进度受阻，及时分析产生的偏差原因，提出进度修订计划，使进度始终在计划的控制之内。（5）实行技术经济责任制，使职工的收入与施工安全、监测进度、质量、数量直接挂钩，进行奖励和惩罚相结合的考评。8 监测人员组织管理、技术支持、为奥运保驾8.1 监测人员组织管理本院若能承接本项目监测工作，我们将科学、规范地进行项目组织管理，保证如期优质完成各项监测工作，包括监测方案的优化完善、监测点布设、各项监测数据采集、监测信息反馈、成果资料整理、成果报告编制及技术支持服务工作。为此，根据本工程的特点，设置*体育馆钢结构监测项目部，由项目负责

23、人和技术负责人对整个工程进行总体管理。项目部下设四个分部：技术组、后勤组、质量安全组、监测作业组。本项目组织机构如图8.1-1：图8.1-1 项目组织机构图本项目人员职责划分：项目负责人统筹安排、管理整个项目，包括安全、质量、进度、协调等工作；技术负责人负责全面技术工作的管理，包括方案规划、实施、审核验收等。技术组负责具体技术方案编制、监测技术实施、监测信息反馈、成果报告审核等工作；后勤组负责提供充足的各种资源，包括仪器、设备、办公设施、生活设施和生活用品等，保障所有工作不因供给不足而延误。质量安全组负责本项目的质量、安全、文明施工等工作，在监测工作现场进行监督、协调，保证施工期间不出现任何安

24、全质量事故，施工质量满足绿色奥运工程要求。监测作业组负责所有现场监测作业工作，并配合相关负责人员参与资料收集、数据分析和处理、报告编写和资料整理等工作。8.2 劳动力计划根据项目经理部的机构组成以及实际的工程量分布，各种工种的人数计划详见表8.2-1。表8.2-1 劳动力计划表8.3 监测工作技术支持、为奥运保驾服务本监测项目监测过程复杂，监测工作技术难度大。针对这些特点，项目部设立技术组，在项目部领导下进行监测工作技术支持。另外，我院为此项目设立专家顾问组，配备具有丰富经验的专家多名，通过与其他科研机构的技术交流，经一步增强本项目的技术实力。通过这些手段，监测工作技术支持机构具备了足够的实力

25、，能够对监测方案、监测过程、监测成果进行指导、审核及分析研究。整个技术体系的高效运转，使钢结构施工过程达到信息化施工目标，为钢结构使用阶段安全状况作出各种安全状况下的实时评价，为奥运保驾服务。9 质量、安全绿色环保保障措施9.1 质量保障措施工程中将实行ISO9001 质量标准体系，实行质量采购、培训、安全等程序全过程控制。把质量标准体系贯穿于整个测试过程中，以质量管理保证工序质量，以工序质量保证测试质量，实行一票否决制。加强全员培训、认真贯彻ISO9001 质量体系标准。做到全员熟悉领会质量控制方针与目标并努力为之工作。（1）组织强有力的项目管理班子，配备精悍的测试技术力量。（2）加强技术管

26、理，认真组织项目实施，现场实行项目经理负责制，以工序管理为重点，以工作质量保证测试质量。（3）严格执行有关规范、规程制定的各项技术措施。（4）选用稳定性好、性能好的测试设备。（5）建立工程、技术、质量、经营、财务、统计管理数据库，所有技术资料均以信息库的形式处理储存，所有资料都采用文本及数字两种形式存储，使测试管理更趋于科学化、规范化、现代化。（6）以“安全、优质、高效、低耗、文明”为目标，严格要求自己，建立健全内部管理网络和管理体系，运用行政、技术、经济手段，加强项目内部管理，积极贯彻落实各项工期、质量、安全、文明生产保证措施，把目标、任务分解落实到测试环节中去，层层落实、块块包干，确保整个

27、项目施工圆满完成。（7）确立三级检查验收制度，每项工序完成工后，经操作该工序段进行自检合格后，提交技术部复核，确认无误，不经过验收的工序不能进入下道工序，对检查不合格的工序要经过整改合格后方可进行下道工序测试。9.2 安全保障措施任何工程，安全工作总是第一位的。*体育馆钢结构工程监测无论在钢结构施工阶段或使用阶段安全保障工作均十分重要。针对工程特点，制定安全保障措施如下：（1）安全工作由项目经理直接负责，设立质量安全部，由具有安全员资格的专业安全管理人员进行现场安全管理。（2）在监测工程实施前，对项目全体人员进行安全教育与培训，对施工现场的安全管理制度进行学习。（3）钢结构监测工作项目实施过程

28、中，安全员定期及不定期进行安全检查，对现场监测工作进行旁站管理。对发现的问题有权采取措施，直至安全状况得到改进。（4）项目部为项目人员定期发放种类满足要求，质量合格、数量足够的安全防护用品，并确保其正确使用。（5）安全管理人员正确进行安全标识管理，保证安全标志设立合理、清晰明确。（6）发生意外安全情况时，项目部积极配合业主及相关单位进行调查和处理。（7）项目部对生产安全设立专项经费帐户，并由专人负责管理。保证有足够的资金用于安全用品的购置，安全项目相关投入。（8）针对可能发生的紧急情况，制定紧急情况处理预案，一旦有紧急情况发生，可以及时实施。9.3 绿色环保保障措施*体育馆钢结构监测工作将积极

29、贯彻绿色奥运的方针和技术措施，通过实施切实有效的管理制度和工作制度，最大限度减小施工活动对环境的不利影响，减少资源与能源的消耗，实现可持续发展的要求。依照GB/T 24000-ISO 14000 环境管理体系标准，根据国际标准化组织的标准进行管理，弘扬绿色奥运，实施天、地、人合一的体育馆建设工程。绿色环保保障措施管理目标：做好现场环境保护，使用绿色材料、进行绿色施工、体现绿色奥运。具体措施如下：（1）环保教育制度。由项目经理负责，在监测工作前及监测工作实施的全过程中，开展环境保护宣传教育活动，不断增强项目部全体人员的环保意识。（2）文明施工管理制度。由项目经理负责，根据*体育馆钢结构监测的实际

30、情况，制定紧急情况的处理制度、场容管理制度、卫生防疫管理制度、消防管理制度、保卫管理制度、第三方权益保障制度，并由专人负责检查落实。（3）环保实施措施。监测工作采用对环境无影响的测试仪器设备，监测点的布设与周围环境协调一致。监测工作中注意能源节约利用、注意减少施工活动对施工场地及周边环境的影响，（4）环保监督措施。由质量安全组负责对监测工作进行环保监督，现场巡视检查制定的相关制度落实情况。10 与各方协调配合10.1 与钢结构施工单位的协调配合由于都是现场测试，因此现场需具备或创造相关条件，因此，与钢结构施工单位协调配合应做到以下几点：（1）监测单位在详细监测方案制定前向钢结构安装单位了解钢结构安装施工组织及方案，施工过程中需要了解具体施工进度，钢结构施工单位