鋼桁架健康監測系統研究
——基于福州海峽會展中心擴建工程

張文耀 楊偉 張偉 陳松 葉健

(1.福建省建筑科學研究院 福建福州 350025； 2.福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350025)

0 引言

隨著社會生產力水平的不斷發展，土木工程結構的規模越來越大，體型也趨于復雜化和多樣化。現代大型土木結構如大跨空間結構、超高層建筑(連廊、連體、大懸挑結構等)、高壓輸電塔、大跨度橋梁和江海隧道等，其高度和跨度因社會需求和建筑材料、施工技術的發展而不斷刷新紀錄。這些大型土木結構在整個國民經濟中所發揮的作用十分重要，一旦發生災害事故，將會造成巨大的生命與財產損失[1-2]。這些大型建筑物在長達幾十年、甚至上百年服役期間，在環境侵蝕、材料老化和動靜荷載的長期效應、疲勞效應及災變效應等不利因素的耦合作用都將不可避免地導致結構和系統的損傷累積和抗力衰減，從而使其抵御自然災害、甚至正常環境作用的能力下降，極端情況下可能引發災難性的后果。因此，為了保證大型土木工程結構施工及使用階段的安全，進行施工過程和服役期的健康監測就顯得尤為必要[3-4]。

本文以福州海峽會展中心擴建工程為例，根據其結構特點，研究開發了該監測系統的數據分析與安全評定軟件。

1 工程概況

福州海峽國際會展中心擴建工程包括東西兩個展館，場館均呈橢圓形，如圖1所示。擴建工程總建筑面積約46 809m2，每個場館東西向寬282m，南北向長84m，建筑高度17m，地上一層，局部地下一層，地下建筑面積為7740m2，結構型式由四周鋼框架和鋼桁架組成，如圖2所示。

圖1 福州海峽國際會展中心擴建工程分布圖

圖2 會展中心擴建工程項目鋼結構空間模型

(a)兩端落地桁架 (b)半落地桁架 (c)兩端不落地桁架圖3 三類典型桁架樣式

由圖2可以看出，該空間鋼結構主要有3種典型桁架，如圖3所示，空間受力復雜，主要表現在以下3個方面[5]。

(1)鋼桁架跨高比大，具有扁拱結構的受力特點，拱效應明顯，柱腳水平推力大，周邊鋼框架承受主桁架傳遞來的水平推力作用下負擔大。

(2)橫向主桁架采用雙曲不對稱找形，落地段桁架均采用雙曲雙扭結構型式；在外荷載作用下桿件受扭效應明顯，桿件空間受力狀態復雜。

(3)鋼桁架的柱腳約束反力較大，基礎及連接件負擔大，特別是柱腳水平推力和彎矩較大，需要采用群樁基礎。

2 具體監測內容

根據結構的受力特性，整個系統的監測主要包括以下4個方面：

(1)關鍵桿件的應變和溫度監測；

(2)屋蓋振動頻率監測；

(3)鋼結構的工作環境(風速、風向等)監測；

(4)地震加速度監測。

3 健康監測方案

3.1 有限元分析

為指導福州海峽國際會展中心擴建工程鋼結構健康監測系統設計，采用通用有限元軟件MIDAS/GEN，建立該結構三維有限元計算模型進行模態分析、典型荷載工況應力等分析，典型分析結果如圖4～圖6所示。

圖4 第一階模態分析結果

圖5 一端落地桁架應力分析結果(MPa)

圖6 兩端落地桁架應力分析結果(MPa)

3.2 測點布置方案

3.2.1應變測點布置

根據結構對稱性，選擇重要且受力復雜的2榀桁架進行重點監測，并采用光纖光柵應變傳感器進行應力監測。具體布置情況如圖7～圖8所示。

圖7 兩端落地桁架應變測點布置示意圖

圖8 一端落地桁架應變測點布置示意圖

3.2.2加速度測點布置

根據結構動力特性，在屋蓋布設了9個單向加速度儀，以監測屋蓋的振動情況，如圖9所示。

圖9 加速度測點布置示意圖

3.2.3工作環境測點布置

在屋蓋頂部各布設了一套風速風向儀和一套溫濕度傳感器，以監測屋蓋工作環境情況，如圖10所示。

圖10 工作環境測點布置示意圖

3.2.4地震加速度測點布置

在地下室一層布置一套三向地震儀，以監測地震加速度，如圖11所示。

圖11 地震儀測點布置示意圖

3.2.5監測項目及測點匯總

根據上述原則，考慮到經濟性和實用性，對屋蓋鋼桁架、復雜節點等部位進行環境荷載(風向、風速、溫濕度等)、結構局部性態(關鍵點應變)和結構動力特性以及地震動的實時監測，通過損傷識別與安全評定技術綜合評價整體結構健康安全狀態。監測項目歸類劃分為荷載與環境監測和結構響應監測兩大部分。

健康監測系統的監測項目和測點匯總如表1所示。

表1 福州海峽國際會展中心擴建工程結構健康監測系統測點匯總表

4 健康監測整體系統設計

4.1 系統總體架構

結構健康監測系統核心任務是獲得結構在服役期間的環境荷載、結構局部響應和整體響應等信息，通過對監測信息綜合評估為結構的安全、高效、經濟運營管養提供成套技術支持。針對系統所需要滿足的功能和目標，確定監測系統主要由自動化傳感測試子系統、中心數據庫子系統、結構安全預警評估子系統和用戶界面子系統組成[6-7]。擴建場館健康監測系統整體框圖如圖12所示。

圖12 健康監測系統整體框圖

該項目所選用的光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵應變傳感器、加速度傳感器、風速儀等分別經由光纖光柵解調儀、虛擬儀器采集板卡采集到數據采集中心。通過數據處理與控制模塊進行采集控制和對原始監測數據預處理等，將數據傳輸至中心數據庫，對數據進行分析、整理進行結構健康安全評定，通過用戶子系統實時顯示數據，為該場館運營維護人員提供直觀的結構健康狀態信息，從而指導結構的維護。

4.2 監測系統軟件開發

圖14 實時監測默認畫面

作為健康監測系統關鍵的一部分，監測系統軟件是整個監測系統的控制指揮中心。軟件系統主要由數據采集端、數據發布端與數據應用端構成的集成框架，包括4個相輔相成的子模塊，分別是采集控制軟件、數據管理系統、遠程監測網站和模態識別分析評估軟件。針對該場館的特點，研究開發了該監測系統軟件，具體情況如下。

4.2.1用戶登錄界面

開發了鋼結構健康監測數據分析與安全評定系統，登錄界面如圖13所示。

圖13 用戶登錄界面

4.2.2實時監測畫面

實時監測模塊用于對該工程結構的監測點進行實時監測，實時、動態地獲得鋼結構的各項運營受力狀況，使用戶能夠實時獲取當前各項監測情況。通過點擊【實時監測】即可進入如圖14所示頁面，系統默認顯示三維風速儀實時監測情況。其余監測項目，類似點擊即可查看實時監測畫面。

4.2.3數據分析及查詢

數據分析采用服務的方式，與數據采集同步進行分析、存儲，包括常規數據分析及特殊事件(地震)的數據分析。數據分析畫面提供了各監測點的數據分析結果查詢功能，以數據圖表形式予以展示。數據分析服務程序針對鋼結構靜力監測、鋼桁架振動監測和結構工作環境監測的各類監測參數、監測點，與實時監測數據進行同步分析。數據分析結果可以在監測系統的數據分析功能模塊中進行查詢并展示，如圖15～圖17所示。

圖15 脈動風功率譜

圖16 地震加速度常規分析方差曲線

圖17 結構振動加速度最低振動頻率時段振型柱狀圖

4.2.4安全評定及評估報告

點擊進入【安全評估】模塊，可以對已發生的實時預警信息進行跟蹤和管理。24h內未處理的預警信息會通過預警燈實時閃爍顯示。點擊進入【評估報告】模塊，可選擇數據分析報告和安全評定報告兩種類型。所有系統生成的報告均可直接下載。

5 結論

(1)介紹了該工程項目的結構特點，并進行了相應的有限元分析，從而為健康監測系統前端硬件傳感器的布設提供了依據。

(2)完整的健康監測系統應包括硬件系統和軟件系統，結合該工程的實際需求，研究開發了一套完整的監測數據分析與安全評定系統，其具備實時在線監測畫面、數據分析及查詢以及安全評定和評估報告生成等功能。

(3)實時在線健康監測系統保證了場館在復雜環境條件下的運營安全，為結構的安全狀況評定提供了技術支撐，為運營維養人員提供輔助決策，有效地推進了場館維養的科學化、智能化和集成化。研究成果為大跨空間鋼結構的健康監測與安全預警系統的構建提供了借鑒。

[1] 國家自然科學基金委員會.工程與材料科學部學科發展戰略研究報告(2006年～2010年)土木工程卷[M].北京:科學出版社，2006.

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[3] 李宏男，高東偉，伊廷華.土木工程結構健康監測系統的研究狀況與進展[J].力學進展，2008(2):151-166.

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