大跨屋架结构健康监测系统数据处理方法研究

随着社会的发展，建筑结构逐渐往超高层、大跨度方向迈进。例如鸟巢、上海国际金融中心、上海中心大厦等，这些超级工程的建造规模和技术不断刷新世界纪录，成为一个区域的标志。随着时间的推移，这些建筑同样面临着地震、火灾、疲劳等风险，一旦出现问题，将会造成不可估量的损失。因此，如何长期保证结构的安全性、耐久性和完整性，成为急需解决的问题。当前，建筑健康监测技术得到了快速发展，通过健康监测技术，可以及时发现结构产生的损伤，提出解决方案，防止损伤的扩大化，保证结构安全。

以南京某体育中心–全民健身中心大跨屋架结构为工程背景，结合实际施工情况，对传感器的位置进行了合理选择。通过健康监测平台，完成了数据的获取与传输。同时，设定了数据预警阈值，并对采集的数据进行分析。

1??工程概况

南京某文化中心位于南京市浦口区。本工程分为体育中心和文化中心，是集比赛、健身、文化交流和演艺活动等功能为一体的公共建筑。共有4栋单体，1处人防地库。本项目的钢结构健康监测系统应用于B2全民健身中心钢结构工程，包括篮球场和羽毛球场。篮球场长60?m，宽34?m；羽毛球场长43.5?m，宽28.2?m，2个场馆屋顶均为大跨空间结构，其中篮球场为管桁架屋盖，羽毛球场屋面为钢框架结构。为全面掌握，2个大跨结构从建造施工到后期投入使用全过程中的结构安全性，需在结构上布置温度传感器、位移传感器、应变传感器等传感设备，利用传感器采集数据，对结构工作状态进行评估，并建立结构工作状态预警机制，实时、全程掌握结构安全性。健康监测应用区域如图1所示。

2 传感器位置选取及布置

2.1 传感器位置选取原则

传感器的位置选取对于整个施工阶段及后期使用阶段的监测结果起着关键作用。为了全面了解大跨钢结构的位移、应变、温度的变化规律，在选取传感器的位置方面，按照以下几个原则进行。首先要考虑经济性、可行性和实际监测的方便性；其次分析选取杆件的受力情况，对于仅受轴力作用的杆件布置1个应变传感器，对于多种力耦合作用时，布置2个应变传感器，传感器应布置在杆件受力较大处；最后，测点位置的布置应全面且分布均匀。

2.2 传感器布置

项目的健康监测点集中在2个区域：羽毛球馆和篮球馆。羽毛球馆布置9个监测点位，每个监测点位配置2个应变传感器（钢梁的上、下翼缘）和1个位移传感器；篮球馆布置5个监测点，每个监测点位配置2个应变传感器（上、下弦杆）和1个位移传感器，监测点的布置如图2所示。

3 健康监测系统的数据处理

3.1 数据获取与传输

数据采集与传输系统主要包括3个部分，即：数据采集系统、数据通信与传输系统和数据分析和处理系统。各系统间通过网络联系而进行运作，总体框架图如图3所示。

3.2 数据预警阈值设定

通过传感器采集在屋面还未施工前所有监测点的数据为初始数据，在云平台对每个监测点配置预警阈值，当屋面施工完成后再将所有监测点数据与初始数据作对比，在一段时间内传感器上报数据连续超出预设置的阈值则触发预警机制。

3.2.1 位移预警阈值

为保证结构的安全性，设定了位移预警阈值，当采集的位移值达到临界值时，系统发出报警。参考GB50017—2017《钢结构设计标准》，本项目羽毛球馆和篮球馆的位移预警阈值见表1。

3.2.2 应变预警阈值

为保证结构的安全性，设定了应变预警阈值，当采集的应变值达到临界值时，系统发出报警。本项目羽毛球馆和篮球馆的应变预警阈值见表2。

4 数据结果处理与分析

4.1 温度

羽毛球馆和篮球馆测得的温度数据如图4所示，分别选择了2个测点的数据进行比较分析。分析发现，同一场馆的各测点数据基本相同，且随时间推移逐渐降低，与当地的气候变化相符。另外，同一点位的测点数据相比，可以发现下翼缘温度要低于上翼缘，下弦杆温度要低于上弦杆，这可能是由于上部处于结构外侧，受阳光照射造成的。

4.2 位移

图5分别绘制了羽毛球馆和篮球馆所有测点自开始监测以来3个月内的数据变化情况。羽毛球馆和篮球馆的各测点位移数据变化范围较小，处于安全范围内。在11月15日，羽毛球馆测点7出现高异常值，这是由于现场人员误触造成的。在11月20日和11月29日，各测点监测值均变为0，经调查发现是由于当时工地停电，传感器停止工作导致的。

4.3 应变

图6展示了羽毛球馆和篮球馆监测点位构件的应变随日期变化的情况，由于测点过多及篇幅限制，这里仅分别选择了2个测点来进行比较分析。羽毛球馆测点的应变数据变化比较平缓，测点5处的构件属于全截面受压的受力状态，而测点1处的构件则是上 翼缘受压下翼缘受拉，且两者的最大压应力均位于上 翼缘，因此这应该是不同位置构件所受轴力与弯矩大小关系不同导致的。 篮球馆的测点数据在大多数时间变化也比较平稳，但在11月初时，2个测点中的3个应变传感器的监测值均发生异常增大的现象（未超过预警阈值）。 经排查核实，此异常是由于现场施工人员误触导致的。 在正常工作中，结构测点的应变波动范围不大，数值较小，具有较大的安全储备空间。

4.4 温度与应变的关系

通过对各监测点每日采集到的数据信息进行深入分析，得到温度与结构应变之间的关系变化曲线，如图7所示。在无外部荷载情况下，温度变化会导致结构应变的轻微变化，这表明结构材料对温度的敏感性。

当每日的11点至15点是温度最高的时段，与此同时，结构的应变也达到最大值。表明温度升高对结构产生明显影响，可能由于温度升高导致结构材料膨胀或变形，引起应变增加。当夜晚气温降低时，结构的应变逐渐减小，这可能是因为较低的夜间温度导致结构材料收缩或恢复，从而减小应变。这种温度降低与结构应变减小之间的关系需要进一步的研究，以确定结构对温度变化的响应是可逆的还是有延迟效应。

5 结论

依托南京某文化中心项目，从实际监测需求出发，对大跨屋架结构中健康监测系统数据处理方法进行了研究，得到以下几点结论。

（1）基于健康监测平台，完成数据的获取与传输，可以有效地监测数据的变化情况。

（2）设定了数据的预警阈值，实现系统的自动预警功能。

（3）所有采集的数据变化平稳，均未超过预警阈值，结构处于安全状态。