某空间大跨及钢管桁架结构健康监测研究

关键词：空间大跨 钢管桁架 健康监测

　　1课题研究背景和意义

　　建筑结构在服役期间，难免要遭受材料老化、地震、火灾、强风和洪水等自然因素以及如建筑材料、设计、施工或使用过程中人为因素的影响而出现损坏，甚至将会导致倒塌等事故。随着我国国民经济的不断发展和对外交流的需要，近年来各地纷纷建造各种大型展览中心、体育场馆等大型大跨建筑，比如在北京2008年奥运会和上海2010年世博会上的一些大型建筑[1]，这些体育场馆大多是大跨度空间钢结构，造型独特且体型庞大。由于这种大型公共建筑物具有很高的社会效益和经济效益，使之安全顺利的建造成型并投入正常使用就具有极其重要的意义[2]。这些标志性建筑往往都需要投入大量的人力物力，而这些结构一旦发生破坏则其危害性极大，因此，如何对这些结构在长期使用中或是在遭受意外后的结构状况做出及时而又准确的评估，就具有极其重要的现实意义，也成为世界范围的热点课题[3]。本文针对西宁体育场施工阶段进行了结构健康监测研究。

　　2结构健康监测系统的构成

　　作为一种在线监测系统的健康监测，应该包括以下几个部分：

　　(1) 传感器单元。

　　(2) 信号传输和处理设备

　　(3) 数据中心和预警设备及软件。

　　本工程的健康监测系统分为两套系统：

　　系统一：光纤光栅测试协调测试系统：主要进行关键杆件和关键节点应力应变、温度、振动的长期健康监测。

　　系统二：钢弦仪应力测试及静力水准仪系统：钢弦测试系统主要进行关键杆件和关键节点应力应变、温度的长期健康监测；静力水准仪系统主要是关键节点的长期挠度监测。

　　在本工程中测量系统、数据采集系统和数据分析系统构成了结构的健康监测系统。

　　3工程概况

　　本项目是一个4万座规模的体育场，总建筑面积为67955.96m2，场地长轴为南北朝向，看台平面呈椭圆形；看台外边沿为圆形，平面直径239.5m；外围护幕墙圆直径为257.5m。体育场钢屋盖直径约为257.5m，采用40榀正放三角形管桁结构。立面围护幕墙采用由40个形状大小一样的四面体构成的空间折面网格结构，其每个结构单元与钢结构主体骨架相连。

　　4西宁体育场监测方案

　　在整个体育场的施工运营阶段，所监测的项目有：结构关键部位的应力应变监测、结构变形监测、结构振动监测、风速监测。

　　1、结构关键部位应力应变监测。

　　结构应力监测的目的在于通过监测结构的控制部位和重点部位内力，然后对结构的内力分布、局部结构及连结处在各种载荷作用下的响应进行研究，从而为结构的损伤识别、疲劳损伤寿命的评估以及结构状态的评估提供依据，同时通过对其控制点上的应力和应变状态的变化来检查结构是否出现损坏或有潜在损坏的状态[4]。

　　应力应变的监测大多采用电阻式应变传感器，但由于电阻式应变仪的零漂，其接触电阻的变化以及温漂等将给系统带来一定的误差，再加上电阻式应变传感器寿命较短，所以从长期监测和信号传输等多方面考虑，宜采用(或部分采用)适合长期监测用的光纤光栅传感器和钢弦传感器。

　　本项目采用光纤光栅应力应变传感器，及混凝土应变计以及钢弦传感器，数据采集采用光纤光栅信号采集分析仪及钢弦采集分析仪。

　　2、结构变形监测。

　　光电测距的方法主要是由安置在结构上的菱镜，配合与测量用的全站仪，从而形成光载波通信系统，全站仪是具有红外激光探测功能的，利用此功能对菱镜进行连续监测，通过测量其每个菱镜与全站仪的相对角度和距离后，最后再经过系统计算确定结构的外型及移动情况。

　　本项目在卸载阶段采用高精度全站仪的测量方法。

　　结构施工过程对选定测点的变形观测可得到选定点三个方向的位移数据，重点是竖向位移，进行静态观测。

　　本项目在使用阶段拟采用静力水准仪。该仪器应用了连通管原理，把地球重力面看做基准面，其连通管内的液体介质在重力作用下始终保持液面水平，通过采取对称设计，它的测量方法是各测点与相对不动点间取差值，其浮子单元的导轨采用了中心对称的双层螺线函数片璜，通过浮子跟踪液位变化，被测参考点的微小高差变化通过接杆转化为标志杆的垂直位移，由传感器检测垂直位移信号。该仪器特别适合于要求高精度监测垂直位移的场合，可监测到0.05mm的高程变化，可以进行连续实时监测。静力水准仪监测系统。

　　3、结构振动监测。

　　由于结构主要构件和结构的疲劳损伤的累积从而造成结构的受损和安全性降低，而由于动荷载作用下的交变应力作用才造成了结构的疲劳损伤。

　　当结构的整体性能发生改变时，其模态参数(如振型、频率等)也就会发生相应的变化。对结构的振动特性的连续监测，我们可以考察结构的疲劳响应，进而结构的安全可靠性也得到了考察。当提及结构的动态响应时往往会联系到引起结构整体振动的强振源，因此，当监测到结构的振动信息时，我们不仅可以用其来识别结构的动态特性参数，其对结构承受波动载荷历程的记录也可以得到实现。

　　本项目在运营阶段采用光纤光栅加速度传感器。

　　4、结构风速监测。

　　风速监测测点的布置安置在体育馆屋顶上，测点数量为1个，及体育场和体育馆共用一个测点。风速监测在结构使用过程中实施。

　　本项目采用机械螺旋桨式风速仪进行监测。

　　2.4 监测流程及计划

　　整个监测流程及计划如下：当数据被布置在结构重要位置的传感器采集到后，通过电缆(或光缆)传送到数据采集系统(安置于监控室)上，数据分析系统的计算机接收到采集系统采集到的数据后开始进行动态分析，然后通过动态分析找出危险构件所在的位置，最后相关人员及时赶赴现场进行排除隐患。本工程的健康监测系统为结构健康监测自动化系统，它是能够进行实时在线连续监测、检查结构是否损伤或退化的最小人工干预的监测系统。在结构的施工及其使用阶段，它可以有效地对其进行连续的实时在线动态监测。可以有效的监测结构的内力重分布，且可以监测结构在火灾、地震、超载等异常情况下内力和位移所发生的变化，并且可根据历史数据的分析对现有结构的剩余寿命进行预测。