建筑技术丨大跨度钢结构预应力拉索动态监测方法及应用

1  工程概况

河湖治理研究基地项目中太湖试验厅工程为单跨150 m的大跨度钢结构试验厅，建筑高度29.52 m，建筑面积24 005 m²。本工程共设置8榀门字形主桁架（ZHJ1、ZHJ2、ZHJ3、ZHJ4），均为平面桁架，沿5轴、L轴双向对称布置，跨度均为150 m，为达到层叠的建筑效果，主桁架均倾斜布置，ZHJ1~ZHJ3倾斜角度为72°，ZHJ4倾斜角度为62°，顶部标高为22.363~28.098 m。在ZHJ2、ZHJ3以及ZHJ4的12.000 m标高处各设置1条预应力拱肩拉索。在3轴、4轴、6轴、7轴基础处各设置1条预应力基础拉索。

2  监测方法及应用

磁通量索力监测系统主要由定制系列磁通量传感器、磁弹仪及自动化监测系统三部分组成。在工程用预应力拉索索体结构还在加工工厂时，将定制的系列磁通量传感器套于被测索体上以进行标定，得到磁通量传感器与被测索间的交互关系。

待已标定预应力拉索运至施工现场后，在索体两端被固定前，将传感器套入索中，然后再进行预应力拉索的安装及张拉施工，张拉过程中使用磁弹仪连接拉索上的磁通量传感器，磁通量传感器内由2个线圈组成一个电磁感应系统，主要线圈通入直流电，由于有钢索存在，会产生电磁感应现象，在次要线圈中产生瞬时电流，因此在次要线圈中会测得一个瞬时电压，瞬时电压通过磁弹仪经由自动化监测系统得到，监测系统根据输出电压及钢索材料的横截面积、温度参数等换算得出材料磁导率，从而间接得到钢芯材料的应力状态，即预应力拉索的索力状态。

2.1  工艺流程

工艺流程如下：建立有限元结构模型→结构应力及索力仿真计算→索力监测测点布置→磁通量传感器安装标定→磁通量监测系统参数设定→监测数据采集索力计算→理论及实测数据校对分析。

2.2  监测目的

本工程中拱肩和基础拉索作为受力、传力构件，长时间处于交变应力、腐蚀和风振动的环境中，易在锚固端部造成局部疲劳和损伤，产生应力松弛现象，直接影响结构的内力和线形，危及整个结构的安全。

（1）拱肩拉索索力：每根索张力的控制对结构成形状态和结构的刚度影响很大，对拉索张拉及投入使用过程进行索力监测，确保拉索的成形和结构安全。

（2）基础拉索索力：基础间的拉索是平衡基础推力的重要构件，通过对拉索的索力情况进行监测，可以把握基础承受水平力的情况，判断基础受力状态是否符合设计计算预期值，确保结构安全性。

2.3  有限元模拟计算分析

2.3.1  建立计算模型

根据太湖试验厅钢结构大跨度空间管桁架结构特点，结构整体计算分析选用大型通用有限元分析软件SAP2000 V20，建立完整结构计算模型。

2.3.2  施工仿真模拟计算

（1）通过结构整体计算模型对钢结构预应力张拉施工全过程进行有限元仿真模拟，分别进行主桁架轴力计算分析、各施工步骤下拱肩拉索变形分析、主桁架应力分析、各榀主桁架竖向位移分析及支座反力分析，分析所得计算数据作为钢结构安装及预应力张拉全过程施工指导依据。

（2）由于本工程张弦梁结构拉索在张拉过程中存在结构位移和拉索松弛，索力值采用几何非线性有限元法进行各施工步下拱肩拉索变形计算。

2.4  索力监测

2.4.1  监测测点布置

（1）拱肩拉索索力测点布置。根据理论分析结果，选择索力较大点和变化较大点进行监测。每根拱肩拉索的一端索夹附近布置1个测点，通过监测索夹附近的索力，评估在施工阶段索夹附近的受力状态。拱肩拉索测点布置如图1所示。测点个数为6个。

图1  拱肩拉索索力测点位置示意

（2）基础拉索索力测点布置。每根基础拉索两端的索夹附近各布置一个索力测点。基础拉索测点布置如图2所示。基础拉索测点个数为4个，分别位于3轴、4轴、6轴、7轴上。

图2  基础拉索索力测点位置示意

2.4.2  索力数据监测

（1）将安装在预应力拉索索体上的磁通量传感器与磁弹仪、自动化采集仪连接，打开自动化监测系统。

（2）系统标定。进入自动化检测系统，在参数框中输入待测索参数和标定参数，参照工程预应力拉索设计索力设定加载范围，加载级数，输入被测索径、索长、索体材质等信息填写完毕后点击“开始标定”。标定框会自动根据填写的标定参数，分级进行加载。填写完毕后，点击“测试按钮”，自动监测系统会开始进行测试，直至分级加载完毕。此时标定框中会根据参数框中的内容，自动生成标定过程。

（3）索力数据采集。

1）手动采集模式。点击最左侧一列功能模块中的 “手动采集”功能模块，在左侧A、B、C、D的4个系数框内填入待测传感器的A、B、C、D系数。

在右侧“连采次数”后方输入框中输入要连续采集的次数，并且在“初始电压”输入框中输入初始电压值。初始电压即在传感器套入待测索后，索处于松弛无张力状态时，通过仪器读到的初始电压值。输入完毕后，点击“开始采集”按钮，则开始采集；采集数据会显示在下方的结果框中。

2）自动采集模式。点击最左侧一列功能模块中的“自动采集”功能模块，点击左下方“配置参数”区域的“通道1”，弹出“通道1”的系数配置弹出窗框，在弹出框中输入“通道1”所连接传感器的A、B、C、D四个系数及初始电压值。点击确定，则“通道1”的系数配置完成。逐一配置8个通道的传感器系数。完成后点击右侧“开始采集”按钮，则仪器开始自动采集各个通道索力值。点击“停止采集”则仪器停止采集。

3）索力计算器。点击最左侧一列功能模块中的 “计算器”功能模块，在左侧输入所测传感器的拟合参数A、B、C、D。在右侧“初始电压”后的输入框内输入初始电压，在“测量电压”后的输入框内输入被测索的测量电压值。点击“索力求解”按钮，按钮下方的输出框则显示出被测拉索的索力数据。

2.5  索力校对

根据有限元仿真分析计算所得钢结构各施工阶段下的拉索模拟理论索力（如拱肩拉索张拉至50 %阶段、支撑胎架卸载阶段、拱肩拉索张拉至100 %阶段、基础拉索张拉100 %阶段、屋面安装完毕阶段等），与各阶段磁通量监测系统实测索力值进行校对，复核有限元模拟和实测索力偏差是否在可控范围内，对索力进行安全复核和预应力损失复核。

如索力偏差超出可控范围，应立即停止预应力张拉施工，找出原因采取相应措施后方可进行后续施工。以屋面安装完毕阶段理论索力与监测系统实测索力数据为例进行校对，如图3、图4所示。

图3  拱肩拉索索力值监测数据对比（屋面板安装完毕阶段）

图4  基础拉索索力值监测数据对比（屋面板安装完毕阶段）

2.6  监测频次

施工阶段的监测频率在每施工步骤完毕后进行测量，且在卸载、屋面桁架安装完毕、设备安装完毕及整体完工等重要阶段进行测量。运营阶段应实时监测，每季度提交一次评估报告。对于大风、地震、大雪等突发情况也应实时监测，以保证结构的正常工作。

3  结束语

（1）该方法可为结构施工阶段、投入运营后及恶劣天气下等阶段对拱肩索和基础索受力状态随时进行监测，既能指导施工过程安全及精确进行，又能保证钢结构在施工阶段及运行阶段中的安全可靠性，为安全管理提供了数据保证。

（2）采用磁通量法监测系统对大跨度钢结构预应力张拉索力进行动态监测，应用效果满足工程索力控制要求。

（3）该方法适用于大跨度空间预应力钢管桁架结构、索结构、膜结构、斜拉桥结构预应力张拉过程中的拉索索力测定监测及大跨度空间结构投入使用后的应力健康监测。