貝殼形穹頂網殼結構在線監測系統及其應用

張鳳龍 蔣豐軍 陳慶鵬 劉文峰

貝殼形穹頂網殼結構在線監測系統及其應用

張鳳龍 蔣豐軍 陳慶鵬 劉文峰

文章采用FBG 光纖光柵傳感器和草青木秀振動傳感器，建立網殼鋼結構在線健康監測系統，對京津城際于家堡站貝殼形穹頂網殼結構設計中不可預見的荷載以及結構的受力、振動狀態進行健康監測，監測結果表明結構整體安全穩定。

網殼結構；結構荷載；在線監測

0 引言

京津城際延伸線于家堡站站房為貝殼形穹體單層網殼結構，長跨143 m，短跨80 m，高24 m，是目前國內跨度最大的單層網殼結構，網殼由36 組順時針和逆時針的空間螺旋線交叉編織而成（圖1）。該網殼結構屬于大跨度空間結構，結構施工和運營過程中，受空間桿件定位和控制、大量散拼桿件焊接和安裝誤差、外界環境等不確定環境的影響，不可避免地使結構存在一定的質量瑕疵和缺陷，因此，有必要建立在線監測系統對網殼結構關鍵部位進行在線實時監測。

圖1 于家堡站房結構效果圖

1 監測系統簡介

在線監測系統主要包括傳感系統、數據采集傳輸、數據管理預警系統等（圖2）。各類傳感器完成監測信號的拾取，并通過采集儀進行數據的采集。采集站接收數據后，首先對數據進行判斷和預處理，并存入數據管理中心。

圖2 在線監測系統構成

數據采集系統的設計考慮數據采集系統的總體構架、數據采集系統的軟硬件、數據采集策略等幾個方面。雖然該網殼結構跨度較大，但相對于信號傳輸來說距離并不是很長，信號衰減不明顯，因此，采用1個數據采集站進行數據的集中采集。數據采集策略分為動態數據采集和靜態數據采集，數據采集制度采用閾值和定時2種方式（在監測系統運行的初期采取24 h連續采集，運行30天后對數據進行分析，確定觸發采集系統的閾值和確定定時采集的具體時間段），采樣頻率根據結構的計算結果確定，但需保證數據具有間隔實時對應關系。

數據處理與控制子系統完成監測數據的校驗、結構化存儲、管理、可視化以及對監測采樣的控制等工作。數據處理與控制子系統具有監測數據的校驗、數據的初步分析、數據的結構化以及存儲查詢和可視化功能，能夠響應后續功能模塊對數據的請求、控制傳感器子系統的采樣。

2 監測系統軟件實現

軟件設計主要從數據提取層、計算分析層和前端展示層3個方面進行，對相關的監測項進行動態分析。軟件實現整體框架圖如圖3，其中涉及到a、b、c、d 等4 個數據庫。

在數據提取層，主要完成的工作是實現原始數據按照指定的格式保存到數據庫a和b中，并對原始數據進行初步的處理和分析，將結果保存到數據庫c和d中。定時打包和清理數據庫a、b和c，數據庫中始終保持2 h的有效數據，當第3個小時數據存儲結束時，第1個小時的數據表將被刪除。數據提取的流程設計為：

（1）原始數據提取。以預先設置的采集時間間隔t（本項目為5 min）為單位提取原始數據(波長、電壓)到數據庫a 中，以.txt 存檔；

（2）提取特征數據。在數據庫a中提取特征數據至數據庫b中，為動態分析做好數據準備；

（3）對數據庫a中的數據做物理變換，轉化成應變和加速度值，并對應變進行主應變和主應變方向計算，對加速度做FFT變換，將結果存放到數據庫c中。對數據庫b中的特征數據進行物理轉換，轉化成主應力和主應力方向以及振動頻率等特征數據，存放在數據庫d中。

圖3 軟件整體框架圖

3 測點布設

為全面評價結構的強度安全，對桿件應力測點進行合理布置，用Midas Civil進行結構有限元模擬，模擬出應力集中區，把這些桿件區域作為應力監測的重點區域。通過對網殼結構動力特性的分析，確定結構振動監測重點區域。圖4給出了監測桿件應力、振動測點布設情況。

圖4 在線監測系統測點布設圖

4 監測分析

4.1 桿件應力分析

為分析結構在拆架后、拼裝中及加載后等3個不同階段的應力狀況，圖5、6、7分別給出了DHL-2、DHL-4、DHL-18、DHL-19a、DHL-27a、DHL-29、DHL-34等桿件2013年11月拆架完畢后桿件應力監測結果，2014 年10 月拼裝過程中桿件應力監測結果以及2014年11月加載完畢后桿件應力監測結果。在監測過程中，本監測系統依據GB50017-2003《鋼結構設計規范》并考慮一定的安全系數，設置藍色、橙色、紅色3級預警機制，藍色預警值為177 MPa，橙色警值為236 MPa，紅色預警值為280 MPa。由圖5、6、7 中可以看出：

（1）DHL-2、DHL-4、DHL-18、DHL-19a、DHL-27a、DHL-29、DHL-34等7根底環梁在拆架后階段，DHL-4桿件應力最大，DHL-34桿件應力較小；拼裝階段，DHL-4桿件應力最大，DHL-34桿件應力較小；加載后階段，DHL-4桿件應力最大，DHL-34 桿件應力較小；

（2）拆架后應力曲線如圖5，最大應力出現在桿件DHL-4，最大應力為142.29 MPa；最小應力出現在桿件DHL-18，最小應力為6.39 MPa，沒有桿件應力超過藍色預警值；

圖5 2013年拆架后應力變化曲線

（3）拼裝中應力曲線如圖6，最大應力出現在桿件DHL-4，有1個點數據超過藍色預警值，應力值達到178.29 MPa，最小應力出現在桿件DHL-18，最小應力為16.39 MPa；

圖6 2014年拼裝階段應力變化曲線

（4）加載后應力曲線如圖7，最大應力出現在桿件DHL-4，共有2個點數據超過藍色預警值，應力值分別為178.03 MPa 和180.29 MPa，最小應力出現在桿件DHL-18，應力為21.39MPa。

圖7 2014年加載后應力變化曲線

通過對應力較大桿件DHL-4進行加強監測，起到了監測預警作用。

4.2 桿件振動分析

選取桿件SG-104、TS-8，從頻域數據對結構進行前3階結構固有頻率振動監測分析。表1、2給出了拆架后、拼裝中及加載后等3個階段的結構固有頻率監測結果。

表1 桿件SG-104固有頻率監測結果Hz

表2 桿件TS-8固有頻率監測結果Hz

由表1桿件SG-104監測結果可見，在拆架后階段，桿件第1階固有頻率為2.75 Hz，拼裝中階段為2.72 Hz，加載后階段為2.69 Hz。這是由于結構整體質量增加使得結構固有頻率減小，與施工過程結構質量變化相一致。桿件第2階固有頻率頻率在拆架后、拼裝中、加載后等3個階段分別為3.62 、3.60、3.58 Hz。桿件第3階固有頻率在拆架后、拼裝中、加載后等3個階段分別為4.93、4.91、4.88 Hz，同樣符合以上的規律，說明結構動力整體性能穩定。

由表2桿件TS-8監測結果可見，在拆架后階段，桿件第1階固有頻率為2.75 Hz，拼裝中階段為2.72 Hz，加載后階段為2.70 Hz。這同樣是由于結構整體質量增加使得結構固有頻率減小，與施工過程結構質量變化相一致。第2階固有頻率在拆架后、拼裝中、加載后等3個階段分別為3.63、3.61、3.59 Hz，第3階固有頻率在拆架后、拼裝中、加載后等3個階段分別為4.94、4.92、4.89 Hz，同樣符合以上的規律，說明結構動力整體性能穩定。

[1] 陳志華，徐浩，王小盾，等. 天津于家堡綜合交通樞紐貝殼形超大跨度單層網殼結構設計關鍵技術[J]. 建筑結構，2014，44 (7).

[2] 劉金鎖，張鳳龍，曾亮，等. 京津城際延伸線于家堡站房穹頂單層網殼鋼結構運營期健康監測方式研究[J]. 施工技術，2014，43 (增).

[3] GB5009-2012 建筑結構荷載規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2012.

[4] 李惠，周峰，朱焰煌. 國家游泳中心鋼結構施工卸載過程及運營期間應變健康監測及計算模擬分析[J]. 土木工程學報，2012 (3).

[5] 張其林，陳魯，朱丙虎，等. 大跨度空間結構健康監測應用研究[J]. 施工技術，2011，40 (4).

責任編輯 朱開明

On-Line Monitoring System and Its Application for Reticulated Steel Structure of Shell Dome

Zhang Fenglong, Jiang Fengjun, Chen Qingpeng, et al.

The paper uses the FBG optical fi ber optical grating sensor and vibration sensor, to establish on-line health monitoring system for reticulated shell steel structure, a health monitoring of unforeseen load and structure stress, vibration state in the Beijing-Tianjin intercity Yujiapu station shell shaped dome structure design. The monitoring results show that whole structure is safe and stable.

reticulated shell structure, structural load, on-line monitoring

U231.4

2015-06-12

張鳳龍：津濱城際鐵路有限責任公司，高級工程師，天津 300450