馬鞍山體育場鋼結構健康監測系統研究

任祖勤

摘 ?要：鋼結構在施工和運營期間主要構件的應力、結構整體變形、整體穩定性等指標是影響建筑物及構筑物安全性、實用性、耐久性的重要指標。本文以馬鞍山某體育場為對象，建立了體育場鋼結構綜合監測系統，通過確定主要監測內容、監測傳感器選型、系統組網方式、數據存儲等工作，實現了施工和運營階段對場館鋼結構關鍵構件的應力、變形、風速風向、風壓及振動特性等實時監測的目標。對建設單位和運營單位精準掌握結構整體在施工和運營階段的安全性水平，實時發現并處理結構在各階段的異常狀態具有非常重要的意義。

關鍵詞：鋼結構監測;應力;變形;傳感器;穩定性;耐久性

概述

隨著時間的增長，由于氣侯、環境等自然因素的作用和日益增加的人流量的不斷增加鋼結構使用功能的退化必然發生。在我國經濟迅速發展的形勢下，對于鋼結構的使用要求也在不斷提高，不少鋼結構的老化和功能退化已呈現加速的趨勢。為了確保鋼結構的使用安全性和耐久性。減少和避免國家、人民生命財產的重大損失，進行大型鋼結構工作狀態和結構特性參數的監測和評估工作迫在眉睫。

馬鞍山市體育會展中心工程在馬鞍山秀山新區，位于湖南路以南，霍里山大道以東，安徽工業大學東校區以北，秀山路以西。整個工程由五個單體建筑——“體育場、會展中心、體育館、游泳館、網球館”組成。會展中心體育場位于體育會展中心正中間，建筑面積62044.59平方米，觀眾座位36676個，是一個甲級大型體育建筑。

本工程上部鋼結構罩棚為徑向倒三角桁架雙層曲面網殼混合空間網格鋼結構屋蓋體系，由懸挑主桁架和內環桁架、腰桁架及支撐體系組成，主懸挑桁架最大懸挑長度37m，根部高度4m;體育場北側由于無核心筒，罩棚由4個樹形柱支撐。

鋼結構主伸臂桁架支承于下部砼核心筒頂，懸挑主桁架底部與筒體的側邊相連，樹形柱穿過一層混凝土柱支承于基礎上。

1監測內容及測點布設

根據設計文件及相關技術規范，確定如下監測內容：

（1）風速風向及風壓監測;

（2）位移（變形）監測;

（3）加速度監測

（4）溫濕度監測

（5）鋼結構應力應變監測

監測點的布設按照設計文件及相關規范的要求，以應力應變和加速度點位為例進行說明。

應力應變測點布置：體育場主桁架是主要受力構件，以承受豎向荷載為主，主桁架測點布置圖1所示，每測點布置2個應變傳感器。樹形柱測點每測點布置4個應變傳感器。

加速度測點布置：體育場振型以平動為主，需在結構自振特性較明顯處，布置不少于84只X向及Y向加速度傳感器，以獲取結構的前五階X向平動、Y向平動和前三階扭轉的頻率、振型和阻尼比

2選用傳感器

2.1 風速風向及風壓監測所用設備 -- 三維風速儀，風壓傳感器

2.2 位移監測所用設備 -- GPS

結構位移監測可采用全球定位系統（GPS），GPS監測系統應能獲取結構的平動及扭轉響應。除GPS基站外，建筑頂部應設置GPS位移監測系統不少于兩臺，位移測量誤差應小于1.0厘米，采樣頻率不低于20Hz。

2.3 加速度監測所用設備 -- 磁電式加速度傳感器

基于加速度頻響函數的模型修正法可以直接利用計算和測量得到的加速度頻響函數進行模型修正，使修正后模型的頻響函數與實際結構的頻響函數相一致，所以基于加速度頻響函數的模型修正技術在結構損傷診斷中具有更實際的工程意義;利用測得的頻率可以反算出結構的剛度矩陣，從而可以識別出損傷桿件，這也是一個值得研究的課題。

2.4 溫度監測所用設備 -- 溫度傳感器

2.5 應力應變監測所用設備 -- 振弦式應變計

結構的內力和位移是結構外部荷載作用效應的重要參數，其中內力是反映結構受力情況最直接的參數，跟蹤結構在建造和使用階段的內力變化，是了解結構形態和受力情況最直接的途徑，也是判斷結構效應是否符合設計計算預期值的有效方式。對結構關鍵部位構件的應力情況進行監測，把握結構的應力情況，可以確保結構的安全性。

3監測系統結構

針對馬鞍山體育場長期監測項目開發的監測系統可具有以下功能：實現應變、溫度、加速度、變形、風速計、風壓傳感器等混合信號的分布式同步采樣;實現動態信號的抗混疊濾波等實時處理;對測量值超傳感器量程進行報警;測量值超上下限進行報警;歷史數據查詢;測點位置、實時數據和報警信號的圖形形象顯示;各測點歷史數據查詢;報警歷史信息查詢等功能。并可根據需要定制開發各種特殊功能，系統開發的高效性和高可靠性。為保證數據存儲的高速和高可靠性，以及后期數據管理的高效性，所有采樣數據以大數據方式存儲在NoSQL數據庫里。

本地監測和遠端檢測統一采用web界面，可通過權限管理顯示不同的內容。根據需要可在互聯網上發布實時分析和數據顯示功能。在有異常情況時，可以根據預先設置的警戒范圍，變化測點顏色，及時發出警報。數據的監控顯示采用交互操作型的圖表，具有高度的靈活性與直觀性。

4監測結果

以應力應變監測過程中的2軸為例來說明監測過程中的結果。

由上表可計算在2015-2016年，施工過程中2軸的最大應力點位為YB-2-71，該點位最大應力為26.75MPa，所有點位的應力均符合各工況的受力特點。

該項目進入運營期以后，運營單位可隨時從本地服務器讀取存儲數據，或實時登錄系統查看各點位的監測情況，如下所示，為某傳感器點位的監測實時數據，可看出監測值在合理區間內波動，能夠反映構件的真實受力情況。

5結論

（1）實施大型鋼結構的綜合監測，不僅應考慮其實用性和先進性，更應從費用一效益角度出發，根據實際情況，確定監測項目的實施方案。

（2）通過對馬鞍山體育場加速度、溫度、風速風向、應力應變等監測，可以實時判斷在施工過程和運營階段結構體的受力狀態，對于建設單位和運營單位進行安全有效的生產和運營具有非常重要的作用。

（3）馬鞍山體育場數據存儲方式為本地存儲，解決了大批量數據通過網絡傳輸的巨大通信量的要求，可以通過監測平臺軟件，實時訪問本地服務器，查看各點位的數據情況，另外，通過預警體系可以將整個建筑的安全納入實時監控狀態，對于運營單位決策提供了很大的參考價值。