随着大型复杂空间结构的不断涌现，对结构进行监测已成为监控施工质量和验证结构安全性的重要手段^[1]。在结构监测的工程实践中，从检测角度出发，研发监测技术^[2]或佐证理论模型^[3,4]的讨论较多，而从设计角度出发，解读监测报告，评估结构安全性的讨论仍较少^[5]。众所周知，结构监测是复杂工程质量保证体系的重要补充，不仅为施工的顺利进行提供数据支持，而且为理论计算模型的设计验证和修正提供参考^[6]。然而，监测成果往往仅反映特定对象在特定工况条件下的服役状态，即使设置长期监测点，进行满负荷堆载试验，也不易监测到结构较不利工况组合作用下的服役状态(温度、风荷载和地震等作用工况组合较难通过试验模拟);另一方面，监测精度受现场各种不利条件或者人为因素的影响，施工又或多或少存在各种质量缺陷，监测数据的真伪也待甄别。就工程设计而言，不同于检测专业仅对特定条件下的监测成果负责即可，必须综合考虑工程实际存在的各种影响因素(如理论计算模型的仿真程度、监测误差和施工缺陷等等)，对监测成果进行较为深入的分析研究，依据真实有效的数据，采用科学合理的分析方法，对结构的现状(尚未通过竣工验收阶段)做出评价，对将来的使用状态做出预判，最终对结构安全负起设计责任。因此，有效解读监测成果，是设计必须面对的重要课题。本文以华润湖州商业项目钢桁架施工监测报告为例，采用数据处理、数据对比和应力推算等分析方法，尝试对监测成果进行较为深入的剖析，评估结构安全性，为钢桁架的验收和安全使用提供有效的判断依据^[7,8]。

　　 华润湖州商业项目为大型多层综合性商业购物中心(图1)，总建筑面积52.987m²，地下2层，层高为3.55m及4.30m;地上4层，层高5.40～5.70m，建筑高度21.950m。L形布置的体块之一采用廊桥的建筑形式，廊桥内部为营业场所，最大跨度36m，其中一端以“点”式支承于独立筒状楼梯间，最大悬挑长度12m^[9]。为满足结构受力性能和建筑功能的要求，廊桥采用单腹杆式钢桁架(图2)。

　　 廊桥主桁架结构模型见图3，中间两榀桁架HJ1,HJ2两端分别与西侧主楼和东侧楼梯筒内的型钢混凝土剪力墙端柱刚性连接;南北两侧两榀桁架HJ3,HJ4一端与主楼内的型钢混凝土框架柱相连，另一端由于处在楼梯筒宽度范围之外，需从楼梯筒两侧挑出2榀悬挑桁架HJ5,HJ6与其相连。上述主桁架为该区域结构的主要承重构件，在此基础上设置下挂钢结构楼层，见图4。

　　 图3 廊桥主桁架结构模型

　　 钢桁架的安装在型钢混凝土结构支承体系完成后进行，采用散拼方式(图5)。由于大部分区域钢结构起于第2,3层楼面，需要搭设胎架作为钢桁架安装的临时支撑，因此施工过程中总布置24个胎架，在2层楼板下布置12个胎架，胎架高度5.7m，在3层楼板下布置12个胎架，胎架高度11.9m，胎架平面布置图见图6。

　　 结构监测对象主要为四榀大悬挑桁架(HJ5,HJ6)、四榀大跨度桁架(HJ1～HJ4)，共布置35个测点，位置详见图7，其中测点1,7,13,19,30,32为长期监测点。监测使用的主要仪器为振弦式表面应变计和XP-2000型振弦式读数仪。应变计安装见图8。应变、应力增量按下式进行:

　　 式中:k为钢板应变计的标定系数;f_i和T_i分别为第i个施工步骤完成时，测得的振弦式应变计自振频率和温度的实时观测值;f_{i 0}和T_{i 0}分别为第i个施工步骤实施前，测得的振弦式应变计自振频率和温度的实时观测值;b为钢板计的温度修正系数;α为被测钢构件的线膨胀系数;E为钢材弹性模量。

　　 钢桁架施工监测分为两个阶段:第一监测阶段为卸载阶段，即胎架拆除，钢桁架成形并承担钢结构自重(含钢桁架构件、次钢梁、压型钢板、楼板钢筋和下挂楼层混凝土板);第二监测阶段为加载阶段，即各楼层混凝土进行浇筑和养护，成形后的空间钢桁架承担混凝土楼板重量和施工荷载。为确保胎架拆除过程的施工安全，对胎架拆除方案进行施工模拟，寻找卸载过程中桁架构件应力和位移变化较为缓和的胎架拆除顺序，对胎架支承处位移较大的节点采用千斤顶缓慢卸载。依照施工模拟的优选方案，兼顾施工现场的实际情况，第一监测阶段分为8个步骤，按表1所示的胎架编号分组拆除;第二监测阶段分为3个步骤(表2)，从屋面开始，按照至上而下的顺序浇筑混凝土楼板(不含下挂楼层混凝土板)。

　　 表3仅列出长期监测点在每一个施工步骤下的应力增量(其中Δσ₇因第3,4号胎架与钢桁架处于脱离状态而缺省)，监测数据为60个。总监测点有35个，其中7个监测点又分构件底面监测点和侧面监测点，应力增量数据总计为420个。为有效使用该批应力增量数据，首先对该批应力增量数据进行技术处理，为研究构件的应力状态提供方便;其次通过计算模拟应力与监测应力的对比、受力相似杆件的应力对比等分析方法判断监测数据的可靠性，为评价钢桁架的安全性提供有效依据^[10]。

　　 数据处理:从式(1)、式(2)可知，应变计只能测得相对于前次状态的应变增量(表3)，若将第i步骤前测得的应变累加，可换算得到第i步骤该测点相对于最初状态的应力增量。施工模拟表明，当全部胎架均用于支撑结构时，作为重载大跨的钢桁架，其构件的基准应力较小，若假定基准应力为零，那么第i步前测得的应力累加所得到的应力累加值，尽管与实际应力有一定的误差，但已能在较大程度上反映测点的实际应力。文中将应力累加值定义为名义应力σ_n，如式(3)所示:

　　 用名义应力σ_n代替各步骤应力增量，可获得各测点应力变化曲线，构件受力状态变得更为清晰与直观。

　　 数据对比:采用监测值与模拟值对比以及同类杆件的监测值彼此对比等分析方法判断监测数据的可信度。施工模拟分析采用有限元软件MIDAS Gen8.36整楼建模(包括混凝土部分及钢结构部分)。根据现场胎架顶部构造，胎架与桁架的连接假定为仅考虑轴向受压的弹性连接，弹性刚度取胎架顶部托梁的抗弯刚度。由于钢桁架跨度较大，卸载施工模拟过程采用非线性累加模型分析。施工模拟过程的作用荷载仅考虑结构自重，不考虑活荷载、风荷载。模拟计算有初始应力σ₀(表4)，为与监测应力做同等条件的比较，施工每个步骤的计算应力均减去初始应力，得到模拟计算的名义应力;同类杆件的监测值彼此对比，以与模拟值对比为前提，再比较同类杆件监测值曲线的相似性，从而判断监测数据是否正常。

　　 图9为6个长期监测点在各施工步骤下的名义应力变化曲线图，实线代表实际监测值，虚线代表理论模拟值，由图9可知:1)模拟应力曲线和实际监测应力曲线变化规律较一致，总体吻合度尚可;2)加载阶段的应力变化基本呈现为线性，与成形结构作为弹性体的受力特征相符;3)测点7和测点19、测点1和测点13所检测的杆件，分别为大跨桁架支座处的受压斜腹杆和受拉斜腹杆，受力特征应该相似，实际监测应力曲线分布规律符合预期;4)胎架拆除阶段的构件应力约为主体结构完成后构件应力的5.72%～34%，不到钢材强度设计值的5%，处于较低的水准。由上述分析可判断:6个长期监测点的监测数据较为真实可信，被测杆件在施工阶段服役良好。

　　 表5列出钢桁架在楼板浇筑完成后即JZ₃阶段下所有测点的名义应力监测值和模拟值，并给出监测值相对模拟值的偏差比例。由表5可知:1)大部分偏差为负值，即监测值小于模拟值;2)桁架上弦监测点的偏差较大;3)桁架下弦和腹杆监测点的偏差相对较小，其绝对值大部分在30%以内。

　　 对于监测值相对模拟值的偏差较大的数据，采用数据处理和数据对比的分析方法判断监测值的可信度。对比桁架HJ1和桁架HJ2上弦相应监测点的名义应力图(图10)可知:靠近支座的监测点，虽然模拟值曲线图形相似，但监测值曲线不但与模拟值曲线吻合度不高，而且两榀桁架对应监测点的监测值曲线也缺少相似性，监测数据的真实性有待考证。

　　 造成监测值与模拟值偏差的原因是多方面的，如应变计安装位置的精度、应力基数的大小、监测时温度差异、结构模型的仿真程度以及施工质量缺陷等等，因文中篇幅有限，不在此展开讨论。但需要特别指出:监测值和模拟值偏差大，并不意味着监测值一定失真，也可能是被监测构件存在施工质量缺陷的真实反应，如节点虚焊、构件截面有误甚至部分构件遗漏等等，因此只有在实地检查被监测构件及相关杆件的施工质量后，才能对监测数据的可信度做出最终判断。

　　 通过结构监测，对待验收的钢桁架进行安全性评估是设计关注的重点。本工程施工监测并未停留在钢桁架卸载阶段(即钢桁架结构成形)，还全方位监测到现浇楼层逐层浇筑的加载阶段，这为推算构件在荷载最不利工况组合作用下的应力创造有利条件，使得通过施工监测评估结构安全性成为可能。

　　 由图9,10的监测值曲线可知，加载过程应力曲线基本呈线性分布，从加载过程的应力发展趋势(即曲线斜率)判断，监测值小于模拟值的构件可评定为构件强度满足要求，如图9(b),(d),(e),(f)等，加载阶段的理论计算模拟曲线均可包络加载阶段的监测值曲线。

　　 对构件安全性做出评估，需要特别重视监测值发展趋势大于模拟值发展趋势的构件。如图9(a)所示，测点1在JZ₃阶段下名义应力的监测值与模拟值的偏差并不大，仅为模拟值的15.42%，但在加载阶段的斜率较大，这意味着:如果没有其他内在缺陷，随着建筑物荷载的增加，构件监测值会超过模拟值较多。因此，有必要按加载阶段的监测值曲线斜率推算构件在各工况组合下的应力，验算最大应力推算设计值σ_max'是否满足式(4):

　　 式中f为钢材的强度设计值。

　　 钢桁架加载阶段的监测值曲线斜率k'见下式:

　　 式中:σ_JZ3'，σ_JZ1'分别为钢桁架第三次加载和第一次加载时的应力实测值;g_JZ3,g_JZ1分别为钢桁架第三次加载和第一次加载时所对应的恒载标准值。

　　 正常使用阶段的检测应力推算设计值σ'可按下式:

　　 式中:σ_XZ8'为钢桁架卸载完成时的实测应力值;g和q分别为钢桁架在正常使用阶段承担的恒载标准值和活载标准值，其中g应扣除钢桁架卸载完成时的恒载标准值。

　　 最不利工况组合作用下的检测应力推算设计值σ_max'可对照检测值与模拟值两条斜线的斜率关系，按最大模拟值进行推算，见式(7):

　　 式中:σ_max为钢桁架最不利工况组合作用下应力理论计算设计值;σ_XZ8为钢桁架卸载完成时应力理论计算标准值;k为钢桁架加载阶段的理论计算斜率，参照式(5)用应力理论计算标准值代替应力实测值进行计算。

　　 按式(5)～(7)对测点1进行复核，杆件在正常使用状态下的应力推算设计值约为强度设计值的70%，最不利工况组合作用下(含温度、风荷载和地震等作用效应)的应力推算设计值约为强度设计值的90%，杆件依然安全可靠。

　　 依据已有检测数据进行应力推算，以假定钢桁架为理想弹性体，应力与外加荷载变化呈线性关系为前提条件，这种假定条件未考虑缺陷部位或有缺陷构件在高应力状态下可能发生的塑性变形以及钢筋混凝土楼板与钢桁架的组合效应等影响因素^[11]，因此留置长期监测点监控结构的实际受力状况意义重大。

　　 就工程设计而言，通过对监测成果的分析解读，可较全面地了解桁架从设计图转化为实物所产生的偏差，对结构应力的现状和将来的发展程度有较为清晰的判断。这种设计解读依据检测单位提供的检测报告但又不仅限于检测报告所提供的结论意见，而需要综合考虑工程实际情况，做好以下几方面的工作，使结构监测真正成为验证结构安全性的重要手段。

　　 (1)采用名义应力代替应力增量的数据处理方法，使构件受力状态变得更为清晰与直观，为分析施工监测成果创造有利条件。

　　 (2)对于海量的监测记录数据，其可信度可采用监测值与模拟值的对比和同类杆件的监测值彼此对比等数据分析方法加以甄别，并通过现场检查加以验证。

　　 (3)有监测值大于模拟值发展趋势的构件，应根据桁架加载阶段的曲线斜率推算荷载最不利工况组合作用下的构件应力，评估结构的安全性。

　　 (4)施工监测作为阶段性成果，有其局限性，留置6个长期监测点，监测关键杆件应力，同时验证分析方法的可靠性。