钢结构变形监测
1钢结构监测的目的
为保证钢结构最终完成时的形状满足建筑设计的要求，确保施工顺利进行，提高结构安全可靠性，延长建筑物的使用寿命。通过在施工阶段对钢结构的关键部位(钢结构的平面位移、钢结构竖向变形以及重要杆件的应力应变等)进行监控，对结构损伤进行预警。通过施工仿真分析，建立施工全过程的结构模型，以明确结构的变形趋势和变形具体量值，为施工预设调整值进行变形控制提供合理依据，优化设计方法，改善施工工艺，提高工程建设水平、节约投资、缩短工期，确保质量。
施工监测的主要任务为：转换桁架及大跨度屋面桁架的竖向和水平方向变形，及关键杆件应力监测。
2钢结构变形监测组织与流程
（1）监测方法的确定
根据设计要求及分析情况，确定本工程塔楼结构变形的方法，其方法和监测频率见表1。
表1钢结构变形监测方法与频率
（2）结构变形监测仪器配备
根据选定的监测方法和设计精度要求，结构监测前配齐所需仪器，仪器精度需满足监测精度。仪器配备见表2
表2监测仪器及配件
（3）钢结构监测流程
为在施工阶段及时掌握钢结构变形情况，为后续施工提供参考依据，使最终建筑形状满足建筑设计要求，结构变形监测严格按照监测方案中的频率和方法执行，并建立完整的监测流程。结构监测流程见图1。
图1钢结构监测整体流程3钢结构有限元分析
（1）钢结构安装过程模拟
钢结构安装过程模拟利用国际大型通用有限元软件ANSYS11.0的Multiphysics分析模块来完成，计算方法采用二阶弹性大变形算法，考虑了金属材料几何非线性的影响，因而考虑了结构构件的弹性稳定性。
（2）荷载条件
1)荷载取值
(1)自重(G)
钢构架密度：78.5kN/m3；混凝土密度：25.0kN/m3
(2)施工荷载(C)
根据荷载规范，楼面施工荷载取1.0kN/m2。
(3)风荷载(W)
根据《建筑结构荷载规范》(GB-)和建筑说明，基本风压(重现期50年)取0.45kN/m2，风压高度变化系数、风荷载体型系数、风振系数根据《建筑结构荷载规范》确定。
结构施工过程中的荷载组合不同于结构使用阶段的荷载组合，施工周期相对于结构的使用寿命来说较短，结构的自重和施工荷载均为确切的荷载，并且风荷载的取值已经考虑了50年的重现期，因此，施工过程验算的荷载组合，可不考虑各种荷载的组合系数。风荷载作用方向选取较为不利的X向作用，由于+X与-X方向作用对结构作用实际效果基本相当，因此只计算+X方向风荷载。
(4)荷载组合
计算分析采用的单位制：长度单位为毫米(mm)，力的单位为牛顿(N)，应力单位MPa。
通过计算分析，本结构施工过程模拟计算选取各种荷载的不同组合见表6.13-3.1所示。
表3荷载组合表
4钢桁架变形监测的观测措施
（1）位移监测
转换桁架或大跨度屋面桁架安装时在上下弦跨中和两端1/4跨度处设置位移监测点，桁架安装完成后观测各监测点的坐标值，记录好些观测值并作为位移监测的基准值；每安装一个结构层时观测一次监测点的坐标值，通过与基准值比较从而可明确桁架的具体变形情况。
为减小监测点遭破坏的可能性及监测实施过程方便，各监测点采用同一个观测标识。坐标测量时将棱镜拧紧到观测接头上，高程测量时将铟钢尺垂直立在观测标石最上方。
1)工作基点布置
为准确反映桁架在施工中的变形情况，一般选择上下弦跨中和两端1/4跨度处设置位移监测点。
2)位置变形控制
平面位移变形控制：根据有限元软件计算分析，平面位移变形较大的位置主要位于跨中处，校正时根据计算变形值进行钢桁架的反向起拱，以此来减小或消除变形。在桁架下翼缘板侧边设置监测点，用于各施工阶段结构加载后的数据监控及分析。
竖向位移变形控制：根据设计要求和施工模似计算分析得到桁架的下挠值，安装时根据下挠值对桁架各分段的标高进行控制。
观测目标采用L型徕卡90°直角棱镜，观测前应将棱镜拧固定，以确保观测精度。观察测后将棱镜拧下并及时复原防护设施。
3)监测点测量方法
(1)各参考点平面位移监测
参考点的平动位移是通过全站仪测量平面坐标实现。测量过程为：
A将坐标从场区内基准点用全站仪以极坐标的方法引测到桁架下方已施工完的混凝土楼面上，做为监测基准点。基准点应不影响后序结构施工且保持通视，建立基准点后应对基准点做好保护措施，防止施工过程中被破坏。
B在基点上架设全站仪，观测监测点得到各点的坐标值。
C与基准值进行比较计算得到观测点的位移变化值：
①在参考层上任意位置架设全站仪,在各控制点上架设棱镜；
②全站仪按顺序观测控制点1、控制点2、控制点3与架设仪器位置的角度和距离，以获取多余观测；
③用仪器自带的“边角同测后方交会法”根据多余观测值，计算控制点间的误差，并定权改化误差，以消除工作基点的公共误差做出精度评定。最后计算出测站坐标并自动重新设站。
全站仪设站后，以极坐标的方法测量监测点坐标值。各监测点在首次测量时采用两次独立观测，取平均值做为初始值。
(3)桁架竖向变形监测
通过精密水准仪测量各观测点的高程，与基准值进行比较，计算得到竖向变形值。
①将高程值从永久高程基准点用水准仪以几何水准的方法引测到桁架下方已施工完成的柱身上。
②用精密水准仪精确测量各监测点高程。
首次观测时同样独立观测两次，取均值作为初始值。
(4)竖向变形计算
桁架安装焊接完成卸载前观测得到的监测点标高值为基准值，以后每次观测所计算出的标高值和基准值进行比较，其差值为变形量。
(2)钢结构应力监测
1)监测方法
本工程应变监测采用MOI-OS-型光纤光栅表面应变计。此仪器适用于各种金属或其他固体结构表面进行静态和动态应力应变监测，可以将应变计焊接或通过附加部件固定到金属结构及其他固体表面，亦可通过粘贴方式将传感器固定在结构表面。MOI-OS-型光纤光栅表面应变计。
表4光栅表面应变计技术参数
2)仪器的安装方法
在桁架卸载开始之前安装所有应力测试仪器及数采系统，所有仪器经安装调试能够正常使用。在以往工程中积累了丰富的安装经验和传感器监测设备安全保护措施，可应对传感器监测设备所处的不同工作环境。首先在钢结构上补刷防锈底漆，然后用AquaSeal密封贴进行防水密封，最后使用金属罩板对其进行保护传感器的现场安装。
3)测点布置
主要桁架上下弦各布设3个点，腹杆布设4个点进行监测。
4)数据的采集
应变数据采用光纤应变计配套的SM光纤光栅解调仪采集，SM的扫描频率为1Hz可允许在一根光纤上同时连接大于40个FBG传感器。标准以太网接口使数据通信可远程控制及无线监测PDA非常适合长期监测使用。
5）监测数据的处理
每次应力监测得到的数据，应及时与设计要求、模拟分析计算值进行比较，如果发现有超标值应及时进行复测，复测后还存在超标现象应及时与业主、设计进行沟通，分析超标原因，针对不同的原因，制定相应的处理方法。