自動化監測系統在大型鋼結構健康監測中的應用

【摘要】大型鋼結構建筑結構復雜，荷載較大，為確保結構安全，必須在施工及運營階段進行健康監測，詳細了解的結構形變與受力情況。利用傳統人工監測的手段方法進行健康監測不僅效率低、測量誤差大，同時無法保證監測數據的連續性與監測的準確性。針對上述問題，以某美術館施工與運營期間的健康監測為例，對自動化監測系統運用于大型鋼結構健康監測的技術進行說明分析，為同類型項目提供一定的技術支撐。

【關鍵詞】鋼結構； 健康監測； 自動化監測

【中圖分類號】TU196+.1A

0 引言

當大型鋼結構建筑在施工及運營過程中受地質條件、地震、荷載及外力作用變化等影響時，極有可能會引起內部應力的變化，當應力變化超過設計值時，建筑物可能就會遭到破壞。因此，必須及時地對其整體結構進行全天候的健康監測，隨時監視變形與應變的發展，在未造成損失以前，及時采取補救措施，保證整體結構的安全性。同時通過健康監測的結果，也可以檢驗設計的合理性，為提高設計質量提供科學的依據［1-3］。傳統的人工監測手段方法不僅需要耗費大量的人力物力，而且不能保證監測數據的全天候實時獲取。同時對于一些特殊造型的鋼結構建筑，可能由于監測人員進入困難導致不能準確獲取需監測部位的監測數據，無法滿足結構健康監測的需求。

隨著時代的進展，自動化監測系統開始在軌道交通、水電大壩中應用。高精度、全天候、自動化程度高的監測手段較大程度地彌補了傳統人工監測手段方法的不足。本文利用自動化監測系統技術，對某大型鋼結構美術館進行健康監測，并通過對監測數據進行分析，說明自動化監測能夠滿足大型鋼結構建筑健康監測的需求，保證結構安全。

1 項目背景

該美術館由地下兩層大底盤地下室，地上三層結構單體組成。地上結構最大標高30.30 m，最大跨度50.4 m，主桁架跨度為118.8 m。主體結構為鋼筋混凝土簡體+鋼桁架組合結構，采用兩個核心簡支撐鋼桁架承載方式，美術館立面如圖1所示。

對于該美術館，對其進行健康體系監測非常必要，主要體現在幾點：

（1）美術館桁架跨較大，桿件眾多，施工工藝較為復雜，使得結構實際受力與設計計算會有一定偏差。

（2）現場施工質量也無法保證全無瑕疵，可能會造成結構初始缺陷，危及結整體構的安全。

（3）同時在施工與運營期間由于存在材料、地震、溫度、地質結構的變形等不確定因素的影響，結構的整體荷載也不可知。

通過上述分析，美術館整體結構在施工與運營期間須進行科學、完善的健康監測，通過健康監測結果確定實際施工與設計模型間的偏差影響、施工初始缺陷影響以及設計階段不可預知的外部荷載影響，保證整體結構的安全。

2 監測方案

根據GB 50982-2014《建筑與橋梁結構監測技術規范》等規范與設計文件中的相關技術要求，本次美術館健康監測采用自動化監測系統，監測對象及內容分為三部分［4-5］，見表1。

2.1 沉降監測

靜力水準儀利用連通液的原理，多支通過連通管連接在一起的儲液罐的液面總是在同一水平面，通過測量不通儲液罐的液面高度，經過計算可以得出各個靜力水準儀的相對差異沉降［6-7］（圖2）。

對鋼桁架盒子以及核心筒部分進行沉降監測，將靜力水準儀安裝在核心筒四角、鋼桁架大懸挑鋼梁懸挑端、大跨度鋼格架中部以及盒子部分兩端懸挑墻，鋼桁架盒子四角及中間柱基上，共計14個，具體見圖3。

2.2 傾斜監測

傾斜儀是測量物體隨時間的傾斜變化及鉛垂線隨時間變化的儀器。儀器中感應傾變量的檢測器是擺，有鉛垂擺、水平擺、交叉擺及水準器、連通管等多種形式。可分為擺基座和擺體兩部分，一旦擺基座出現傾斜，或鉛垂線發生變化，就會引起擺體的角位移通過式（1）、式（2）即可獲取待測點的實時的傾角變化與傾斜率［8］：

Δθ=arcsin（G×B×（R₁-R₀））（1）

D=L×sinθ（2）

式中：G為儀器系數，由率定表給出；B為改正系數；R1為當前讀數；R0為初始讀數；L為測斜儀的安裝長度。

對鋼桁架盒子以及核心筒部分進行傾斜監測，將雙軸傾角計安裝在美術館二層對應結構體上，鋼桁架盒子四角及部分柱基上各布設一個，每個核心筒四角各布設一個，共計16個平面位移監測點。具體安裝位置如圖4所示。

2.3 應力應變監測

當結構物受力或因溫度變化發生線性伸縮變形時，與結構物剛性固連的應變計產生同步變形，通過前、后段座傳遞給振弦使其產生應力變化，從而改變振弦固有振動頻率。通過式（3）、式（4）即可將頻率變化轉換為應力變化值（圖5）。

ε=k×（f²₁-f²₀）（3）

式中：ε為被測結構物的應變改變量（10-6）；k為出廠率定（校準）系數；f為應變計的實時測量頻率（Hz）。

σ=ε×E（4）

式中：σ為被測結構物的應力（MPa）；E為被測結構物的彈性模量（MPa）。

對美術館鋼桁架盒子部分進行應力應變監測時，將表貼式應變計分別安裝于主桁架水平桿中段、兩個核心筒大懸挑梁懸挑端及盒子四角主桁架懸挑端部，共計14個應應變監測點。具體安裝位置如圖6所示。

2.4 自動化監測采集系統

自動化網絡綜合測量系統由傳感器系統、數據采集系統、數據傳輸系統、數據處理和控制系統、客戶終端等系統組成，可實現各類工程安全監測儀器的自動測量、數據處理、圖表顯示、數據預警等工作。系統軟件基于B/S構架的WINDOWS工作平臺，集用戶管理、測量管理、數據管理、通信管理與一身，為工程安全的自動化測量及數據處理提供極大的方便和有力的支持。

3 監測成果分析

本次美術館健康監測周期較長，監測數據量較大，選取建筑主體結構荷載情況變化較為明顯的時間段的監測數據進行數據分析，9月28日至12月27日的各項監測數據變化曲線如圖7～圖9所示。

（1）根據各項監測變化曲線可知，前期美術館整體結構處于較穩定狀態，從10月22日起開始出現明顯的變化趨勢。鋼桁架上監測點的沉降量與傾斜率要大于核心筒處監測點的沉降量，四角主桁架懸挑端部監測點的應力變化量要大于主核心筒大懸挑梁懸挑端監測點。結合現場工況信息，施工單位于10月15日起開始對美術館兩端展廳進行內裝施工，隨著內裝施工進行，美術館結構荷載處于持續增大狀態，同時兩端展廳主桁架懸挑端部荷載要高于主桁架水平桿中段與核心筒大懸挑梁懸挑端，因此各項監測變化情況呈現明顯區別。

（2）至11月15日展廳內裝施工完成進入運營期間，美術館結構荷載增加停止，各項監測變化開始趨于穩定，且在后期運營期間整體結構未發生明顯位移與應力變化。

（3）結合整體監測的各項數據與現場工況信息可知，本次美術館健康監測系統各項監測內容具有較高的一致性，能較準確地反映荷載變化引起的結構形變與應力變化。美術館整體結構的變形與受力狀態在施工與運營期間均未超過預警標準，各個關鍵構件均處于安全狀態。

4 結束語

本文通過實例簡單介紹了由靜力水準儀、傾斜儀以及表貼式計組成的自動化監測系統的工作方法。通過對美術館施工與運營階段持續的結構健康監測，獲取了不同荷載影響下的監測數據，及時掌握了結構形變與應力變化，為不同階段的美術館結構安全提供了有效保障。同時也驗證了自動化監測系統在大型鋼結構建筑健康監測方面的適用性，為同類型工程提供了一定的技術參考。

參考文獻

［1］ 徐明春.大跨度鋼結構健康監測數據研究［J］.建材世界，2023，44（3）：93-96.

［2］ 廖小平.某大型體育館預應力拱形桁架屋蓋結構健康監測技術研究［J］.住宅產業，2023（3）：86-89.

［3］ 王曉倩.某優秀歷史戲院二層看臺桁架結構健康監測與分析［J］.綠色建筑，2023，15（3）：58-61.

［4］ 賈化平，欒帥，王文超，等.自動化監測技術在某鐵路橋擴能改造中的應用［J］.山西建筑，2023，49（14）：163-166.

［5］ 潘小波.全自動化監測系統在地鐵運營監測中的運用［J］.測繪與空間地理信息，2021，44（3）：210-212+216.

［6］ 劉新宇，王勇，唐超.靜力水準自動化測量技術應用于地鐵隧道結構監測［J］.測繪通報，2021（8）：69-73.

［7］ 劉星雨.橋梁健康監測工作中靜力水準技術的應用實踐分析［J］.價值工程，2023，42（15）：159-161.

［8］ 陳建峰，劉哲寧.沉降傾角綜合測量儀在邊坡自動化監測中的應用［J］.長江科學院院報，2021，38（9）：149-153.