港珠澳大橋珠海口岸鋼結構健康監測方案許鍇等

漫談

【摘要】本文介紹大跨度空間結構體系是港珠澳大橋珠海口岸鋼結構的重要建筑外觀特征，與海邊環境融洽，令人印象深刻。大跨度空間結構體系形成狹風口，使得結構風效應更加復雜。施工監測為鋼結構施工過程提供力學數據支撐，確保整個鋼結構施工過程的安全。鑒于本工程的重要性和工程的復雜程度，應進行施工過程的健康監測及運營過程的健康監測。

【關鍵詞】港珠澳大橋;珠海口岸;施工監測;運營監測

近20多年來，鋼結構在我國應用越來越廣，如高層民用建筑鋼結構、大跨度公共建筑鋼結構、高聳及塔桅構筑物鋼結構、大跨度橋梁鋼結構等。但在鋼結構應用發展的同時，國內外都發生過許多不同類型、不同原因、不同程度的鋼結構工程事故，特別是一些重大鋼結構工程事故，造成了嚴重的人員傷亡和經濟損失。在這些事故中，有些是由于自然災害如地震、大風、火災、水災等造成的意外破壞事故，有些是由于施工質量不合格，或設計考慮不周或使用不當，或結構用途改變而未能及時正確評估結構的安全性以及未進行合理可靠的加固等原因造成的。因此，對本項目的鋼結構進行施工監測及運營監測及安全性評定是非常必要且緊迫的。

港珠澳大橋珠海口岸工程位于廣東省珠海市拱北灣南側的口岸人工島上，占地面積107.33萬㎡。主要功能包括：旅檢區及口岸交通配套區、口岸辦公區、入境貨檢區、市政道路及市政配套區。東接港珠澳大橋主體工程、南與澳門口岸緊密相連，未來將承擔起交通樞紐平臺的重任。本項目鋼結構健康監測主要涉及的區域有：旅檢大樓A區、旅檢大樓B區、珠海側交通中心及交通連廊四個區域的鋼結構屋面部分，旅檢大樓A區主體結構為鋼筋混凝土框架，屋蓋為大跨度空間鋼結構體系。珠海側交通中心工程為地下一層，地上三層，并設有局部夾層，屋蓋為正方四角錐網架+單層梁網殼屋蓋結構體系。旅檢大樓B區無地下室，主體結構為鋼筋混凝土框架，屋蓋為鋼桁架結構體系。交通連廊局部地下一層，地上三層，主體結構體系為鋼筋混凝土框架，頂部裝飾挑檐為鋼桁架構架。珠海口岸效果圖如圖1所示。

施工階段監測的內容主要包括應力應變、溫度及位移，運營期間監測包含應力應變、溫度及位移、風環境監測、動力特性監測、動力參數分析。

1.應力應變監測

應力應變監測點布置的原則如下：

（1）本項目采用MIDAS及YJK有限元軟件模擬計算受力比較大的點作為應力應變監測控制點;

（2）結構重要構件：天窗桁架與鋼結構桁架連接處的重要構件以及拉梁，這些構件一旦損毀，將給結構帶來災難性的后果，故將其作為重點監測控制點;

（3）監測控制點要具有代表性和規律性：監測點組合起來要能對結構的整體安全性進行評估，體現整個結構的應力分布。

施工階段，考慮支撐方式及施工工藝，建立有限元模型，確定結構受力較大的桿件作為監測控制點，從宏觀上控制結構的受力規律性并能密切跟蹤施工過程中的受力變化，最終確定具體的監測點布置位置，運營期間監測點的位置與施工階段位置一致。旅檢大樓A區監測點數量132個，旅檢大樓B區監測點數量8個，交通中心監測點數量68個，交通連廊工程監測點數量8個。旅檢A區與交通中心監測布置如圖2-圖7。

2.溫度監測

由于太陽輻射的作用鋼結構的溫度明顯不同于大氣環境溫度，其直接影響是在高次超靜定結構中產生溫度應力，因此在鋼結構施工過程中，需要在特定的階段（安裝、合攏和卸載）和特殊氣候條件（高溫和低溫）下對鋼結構的溫度場進行實時監測，為科學地組織施工和結構溫度應力的計算提供技術依據。

施工過程中主要監測鋼結構拼裝及合龍過程（設計合攏溫度在15～20℃）的溫度;鋼結構安裝于塔架上卸載前的溫度;鋼結構卸載后成型的溫度。

結合施工工藝與規范，最終確定具體的監測點布置位置，運營期間監測點的位置與施工階段位置一致。旅檢大樓A區監測點數量132個，旅檢大樓B區監測點數量8個，交通中心監測點數量68個，交通連廊工程監測點數量8個。

3.位移監測

位移監測點布置的原則如下：

（1）理論計算位移較大點;

（2）重要的節點（天窗桁架與鋼結構桁架連接處的重要節點）;

（3）監測控制點要具有代表性和規律性：監測點組合起來要能對結構的整體安全性進行評估，體現整個結構的變形分布規律。

選擇港珠澳大橋珠海口岸鋼結構關鍵節點的位移進行監測，監測的內容包括鋼結構屋蓋關鍵節點的變形（X、Y、Z）、屋蓋支撐柱頂水平位移及豎向位移監測。屋蓋鋼結構重點監測內容為鋼結構撓度的變化。

施工階段，考慮支撐方式及施工工藝，建立有限元模型，確定結構變形較大的節點作為監測控制點，從宏觀上控制結構的受力規律性并能密切跟蹤施工過程中的受力變化，最終確定具體的監測點布置位置。本項目鋼結構屋蓋及柱頂支撐系統位移監測點為旅檢大樓A區監測點數量12個，旅檢大樓B區監測點數量4個，交通中心監測點數量12個，交通連廊工程監測點數量4個。

4.風環境監測

港珠澳大橋珠海口岸鋼結構的風場具有明顯的三維特征，流場特性相當復雜，經常伴隨著氣流的分離和再附、旋渦脫落等現象，從而造成風荷載的分布非常復雜，這類問題很少能夠用純解析的方式予以解決，其研究也主要依靠風洞試驗。目前國內外的試驗研究主要集中在懸挑屋蓋、平屋面和球形屋面，且主要研究其靜力風荷載特性。屋蓋結構的幾何形狀對屋面風壓分布有重大影響，不同形式的屋面，其表面風壓分布有很大區別。同時，即使屋面整體形式相同，由于局部構造（如挑檐、女兒墻等）和屋面坡度的不同，其局部或整體風壓分布仍可能有很大差別。而風荷載的現場實測更好的反映了結構的實際風荷載分布。因此，就有必要對港珠澳大橋珠海口岸鋼結構進行風荷載現場實測來確定結構的風荷載分布，以更好地進行結構的抗風設計。

風環境監測點布置的原則如下：

（1）風洞試驗結果中風壓分布較大區域;

（2）監測控制點要具有代表性和規律性。

旅檢大樓A區風壓監測點數量16個，風速風向監測點數量2個;交通中心風壓監測點數量16個，風速風向監測點數量2個。

5.動力特性監測

結構動力特性監測系統（如圖8所示）是利用現有傳感器和數據采集設備，全天候、不間斷地監測結構整體振動特性，在計算機軟硬件系統的支持和控制下，通過對采集數據進行分析、加工處理，自動顯示結構運行的整體和局部振動性態，并將監測和分析結果送到結構監測數據庫，作為結構安全特性評價的依據。

結構動力特性監測主要監測選定點在風荷載、地震作用下的振動響應，直接測量加速度振動。

根據有限元仿真計算，確定監測點的最終布置圖。本項目旅檢大樓A區動力特性監測點數量8個，交通中心動力特性監測點數量8個。

6.動力參數分析

港珠澳大橋珠海口岸鋼結構作為公共標志性建筑，結構形式復雜，社會意義重大，為了確保施工完成后正常運營期間結構的安全性，及時做好結構安全的預警系統，特為本項目制定了一套完整的算法，通過各種實測的力學參數，識別港珠澳大橋珠海口岸鋼結構在運營過程的損傷程度。

結構損傷識別是結構運營健康監測中的最關鍵問題。20世紀40年代到50年代，土木結構的損傷監測主要是對結構缺陷原因的分析和修補方法的研究，監測工作大多采用以目測為主的傳統方法;20世紀60年代初期，由于航空、軍工的需要，開始注重對結構監測技術和評估方法的研究，結構的損傷監測應運而生，相繼發展了一系列的無損監測技術，多種現代監測技術被應用于土木結構中。

在健康監測系統中結構損傷識別方法與損傷監測手段是密不可分的，在得到測量目標的監測結果后就要對結構的損傷進行識別。

參考文獻

[1]《建筑工程施工過程結構分析與監測技術規范》JGJ/T 302-2013

[2]《建筑與橋梁結構監測技術規范》GB 50982-2014

[3]《結構健康監測系統設計標準》 CECS 333：2012

[4]《鋼結構工程施工規范》GB 50755-2012

[5]《港珠澳大橋珠海口岸工程剛體模型測壓風洞試驗報告》