大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架健康監(jiān)測的探討

藍燕強

（北京鐵路局，北京 100860）

1 大跨度網(wǎng)架健康監(jiān)測的意義

所有的結(jié)構(gòu)，無論自然的還是人工的，在其存在期間都會累積損傷。健康監(jiān)測就是利用現(xiàn)場的、無損傷的監(jiān)測方式實時獲得結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息，分析包括結(jié)構(gòu)反應(yīng)在內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特征，實時監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體行為，對結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度進行診斷，從而及時了解結(jié)構(gòu)因損傷而造成的改變以及結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。健康監(jiān)測的過程包括：通過一系列傳感器得到系統(tǒng)定時取樣的靜力或動力響應(yīng)測量值，從這些測量值中抽取對損傷敏感的特征因子，并對這些特征因子進行統(tǒng)計分析，從而獲得結(jié)構(gòu)當(dāng)前的健康狀況。對于長期的健康監(jiān)測，系統(tǒng)得到的是關(guān)于結(jié)構(gòu)在其運行環(huán)境中老化和退化所導(dǎo)致的完成預(yù)期功能變化的適時信息。

2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)最開始用于大型重要的橋梁結(jié)構(gòu)，20世紀(jì)80年代中后期開始，各種規(guī)模的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)相繼建立起來，用以驗證設(shè)計假定、監(jiān)視施工質(zhì)量和服役安全狀況。近年來，隨著經(jīng)濟和科技的發(fā)展，健康監(jiān)測系統(tǒng)已在特種結(jié)構(gòu)、超高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨空間鋼結(jié)構(gòu)、深基坑支護工程中得到廣泛應(yīng)用。

在大跨度建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方面，一些新建的大跨度體育場館及公共建筑普遍采用了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)。2002年深圳市民中心屋頂長486m、寬156的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中搭建了國內(nèi)較早的大跨度結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。2008奧運會羽毛球館新型預(yù)應(yīng)力弦支穹頂結(jié)構(gòu)、濟南奧體中心場館鋼結(jié)構(gòu)等都分別安裝了全壽命健康監(jiān)測系統(tǒng)。

3 健康監(jiān)測的技術(shù)路線及實施方案

3.1 健康監(jiān)測的技術(shù)路線

圖1 健康監(jiān)測的技術(shù)路線

3.2 健康監(jiān)測的內(nèi)容及測點布置方案

對房屋網(wǎng)架除定期進行常規(guī)的維護與保養(yǎng)外，還應(yīng)對外部荷載作用和結(jié)構(gòu)反應(yīng)兩大部分進行健康監(jiān)測，以掌握結(jié)構(gòu)在施工及建筑物整過使用過程中的工作狀態(tài)，確保結(jié)構(gòu)安全。健康監(jiān)測包括對關(guān)鍵部位構(gòu)件應(yīng)力和變形、結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓、結(jié)構(gòu)振動及溫度監(jiān)測。

3.2.1 鋼網(wǎng)架關(guān)鍵部位變形監(jiān)測

結(jié)構(gòu)變形是結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變最靈敏與最精確的反映，因此對結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測能夠更為準(zhǔn)確地把握結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力狀態(tài)的改變。部分的結(jié)構(gòu)損傷也將導(dǎo)致變形情況的異常，通過對變形的監(jiān)測也可識別出這些損傷來。因此，結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測對于修正結(jié)構(gòu)有限元模型、確定內(nèi)力狀態(tài)并對結(jié)構(gòu)損傷進行識別，均具有重要的意義。

3.2.2 鋼網(wǎng)架關(guān)鍵部位應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測

在荷載作用，同時受到構(gòu)件尺寸、材料性能、安裝偏差、構(gòu)件連接、焊接殘余應(yīng)力、溫度變化和施工質(zhì)量等復(fù)雜情況的影響，部分構(gòu)件有可能會出現(xiàn)局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對關(guān)鍵部位應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測應(yīng)該重點關(guān)注。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點選擇邊跨、中跨及特殊關(guān)鍵位置的網(wǎng)架桿件布置，每個關(guān)鍵位置選取2～3根桿件布置。

3.2.3 結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓監(jiān)測

大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為典型風(fēng)敏感類型結(jié)構(gòu)，表面風(fēng)壓監(jiān)測是監(jiān)測的重點。

3.2.4 結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測

大跨度鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)阻尼較小且自振頻率較低，結(jié)構(gòu)與風(fēng)發(fā)生耦合振動的概率較高；另外，由于自身內(nèi)部動荷載，包括設(shè)備的振動，空調(diào)的振動以及房屋內(nèi)人流物流引起的振動，這些振動的頻率多集中于0～25Hz，與結(jié)構(gòu)主頻、外部風(fēng)振的主頻非常接近，為了保證結(jié)構(gòu)安全，有必要對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進行振動監(jiān)測，并設(shè)置振動幅值上限，以預(yù)警結(jié)構(gòu)安全及設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。

另外，風(fēng)振及空調(diào)機房等振動可能會對裝修結(jié)構(gòu)（如玻璃幕墻、排水系統(tǒng)等）造成影響，引起局部松動或漏水，腐蝕鋼結(jié)構(gòu)，影響結(jié)構(gòu)、人員安全，因此有必要對局部結(jié)構(gòu)進行振動監(jiān)測或定期檢測。

3.2.5 溫度監(jiān)測

大跨度拱形鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)投入使用后，室內(nèi)設(shè)有空調(diào)、供暖系統(tǒng)，夏季與冬季時室內(nèi)外的溫差較大，為防止幕墻等裝修結(jié)構(gòu)因溫度變化較大而發(fā)生較大變形或松動，可對結(jié)構(gòu)內(nèi)部適當(dāng)位置設(shè)置溫度監(jiān)測點，時刻監(jiān)測溫度變化，控制室內(nèi)外溫差在一定范圍內(nèi)。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集及分析

采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器所獲取的數(shù)據(jù)進行信息分析處理，同時對數(shù)據(jù)進行實時傳遞。數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生后以信號的方式存在，可以應(yīng)用有線或無線系統(tǒng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)分析中心。獲取結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)后采用相應(yīng)的方法對其進行分析，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)包括靜力和動力的參數(shù)的反應(yīng)來判定結(jié)構(gòu)是否存在損傷以及結(jié)構(gòu)的損傷情況。

3.4 安全評價與預(yù)警

根據(jù)監(jiān)測的內(nèi)容和布置以及對結(jié)構(gòu)影響比較敏感的因素制定結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的安全評價標(biāo)準(zhǔn)，如風(fēng)壓值以及結(jié)構(gòu)振動幅值范圍，局部敏感部位的應(yīng)力應(yīng)變限值等。根據(jù)不同的情況還可制定分類的不同的安全評價標(biāo)準(zhǔn)，并采取相應(yīng)的措施。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，并對結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)做出判斷，及時地進行預(yù)警和采取相應(yīng)的措施，從而保證結(jié)構(gòu)安全避免事故的發(fā)生。

[1]韓志偉.鐵路客站大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究與思考[J].鐵道經(jīng)濟研究，2011（6）.

[2]瞿偉廉，等.風(fēng)力作用下深圳市民中心屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的智能健康監(jiān)測[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2006（1）.