钢桁架健康监测系统研究——基于福州海峡会展中心扩建工程

张文耀 杨伟 张伟 陈松 叶健

(1.福建省建筑科学研究院 福建福州 350025； 2.福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350025)

0 引言

随着社会生产力水平的不断发展，土木工程结构的规模越来越大，体型也趋于复杂化和多样化。现代大型土木结构如大跨空间结构、超高层建筑(连廊、连体、大悬挑结构等)、高压输电塔、大跨度桥梁和江海隧道等，其高度和跨度因社会需求和建筑材料、施工技术的发展而不断刷新纪录。这些大型土木结构在整个国民经济中所发挥的作用十分重要，一旦发生灾害事故，将会造成巨大的生命与财产损失[1-2]。这些大型建筑物在长达几十年、甚至上百年服役期间，在环境侵蚀、材料老化和动静荷载的长期效应、疲劳效应及灾变效应等不利因素的耦合作用都将不可避免地导致结构和系统的损伤累积和抗力衰减，从而使其抵御自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下可能引发灾难性的后果。因此，为了保证大型土木工程结构施工及使用阶段的安全，进行施工过程和服役期的健康监测就显得尤为必要[3-4]。

本文以福州海峡会展中心扩建工程为例，根据其结构特点，研究开发了该监测系统的数据分析与安全评定软件。

1 工程概况

福州海峡国际会展中心扩建工程包括东西两个展馆，场馆均呈椭圆形，如图1所示。扩建工程总建筑面积约46 809m2，每个场馆东西向宽282m，南北向长84m，建筑高度17m，地上一层，局部地下一层，地下建筑面积为7740m2，结构型式由四周钢框架和钢桁架组成，如图2所示。

图1 福州海峡国际会展中心扩建工程分布图

图2 会展中心扩建工程项目钢结构空间模型

(a)两端落地桁架 (b)半落地桁架 (c)两端不落地桁架图3 三类典型桁架样式

由图2可以看出，该空间钢结构主要有3种典型桁架，如图3所示，空间受力复杂，主要表现在以下3个方面[5]。

(1)钢桁架跨高比大，具有扁拱结构的受力特点，拱效应明显，柱脚水平推力大，周边钢框架承受主桁架传递来的水平推力作用下负担大。

(2)横向主桁架采用双曲不对称找形，落地段桁架均采用双曲双扭结构型式；在外荷载作用下杆件受扭效应明显，杆件空间受力状态复杂。

(3)钢桁架的柱脚约束反力较大，基础及连接件负担大，特别是柱脚水平推力和弯矩较大，需要采用群桩基础。

2 具体监测内容

根据结构的受力特性，整个系统的监测主要包括以下4个方面：

(1)关键杆件的应变和温度监测；

(2)屋盖振动频率监测；

(3)钢结构的工作环境(风速、风向等)监测；

(4)地震加速度监测。

3 健康监测方案

3.1 有限元分析

为指导福州海峡国际会展中心扩建工程钢结构健康监测系统设计，采用通用有限元软件MIDAS/GEN，建立该结构三维有限元计算模型进行模态分析、典型荷载工况应力等分析，典型分析结果如图4～图6所示。

图4 第一阶模态分析结果

图5 一端落地桁架应力分析结果(MPa)

图6 两端落地桁架应力分析结果(MPa)

3.2 测点布置方案

3.2.1应变测点布置

根据结构对称性，选择重要且受力复杂的2榀桁架进行重点监测，并采用光纤光栅应变传感器进行应力监测。具体布置情况如图7～图8所示。

图7 两端落地桁架应变测点布置示意图

图8 一端落地桁架应变测点布置示意图

3.2.2加速度测点布置

根据结构动力特性，在屋盖布设了9个单向加速度仪，以监测屋盖的振动情况，如图9所示。

图9 加速度测点布置示意图

3.2.3工作环境测点布置

在屋盖顶部各布设了一套风速风向仪和一套温湿度传感器，以监测屋盖工作环境情况，如图10所示。

图10 工作环境测点布置示意图

3.2.4地震加速度测点布置

在地下室一层布置一套三向地震仪，以监测地震加速度，如图11所示。

图11 地震仪测点布置示意图

3.2.5监测项目及测点汇总

根据上述原则，考虑到经济性和实用性，对屋盖钢桁架、复杂节点等部位进行环境荷载(风向、风速、温湿度等)、结构局部性态(关键点应变)和结构动力特性以及地震动的实时监测，通过损伤识别与安全评定技术综合评价整体结构健康安全状态。监测项目归类划分为荷载与环境监测和结构响应监测两大部分。

健康监测系统的监测项目和测点汇总如表1所示。

表1 福州海峡国际会展中心扩建工程结构健康监测系统测点汇总表

4 健康监测整体系统设计

4.1 系统总体架构

结构健康监测系统核心任务是获得结构在服役期间的环境荷载、结构局部响应和整体响应等信息，通过对监测信息综合评估为结构的安全、高效、经济运营管养提供成套技术支持。针对系统所需要满足的功能和目标，确定监测系统主要由自动化传感测试子系统、中心数据库子系统、结构安全预警评估子系统和用户界面子系统组成[6-7]。扩建场馆健康监测系统整体框图如图12所示。

图12 健康监测系统整体框图

该项目所选用的光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器、加速度传感器、风速仪等分别经由光纤光栅解调仪、虚拟仪器采集板卡采集到数据采集中心。通过数据处理与控制模块进行采集控制和对原始监测数据预处理等，将数据传输至中心数据库，对数据进行分析、整理进行结构健康安全评定，通过用户子系统实时显示数据，为该场馆运营维护人员提供直观的结构健康状态信息，从而指导结构的维护。

4.2 监测系统软件开发

图14 实时监测默认画面

作为健康监测系统关键的一部分，监测系统软件是整个监测系统的控制指挥中心。软件系统主要由数据采集端、数据发布端与数据应用端构成的集成框架，包括4个相辅相成的子模块，分别是采集控制软件、数据管理系统、远程监测网站和模态识别分析评估软件。针对该场馆的特点，研究开发了该监测系统软件，具体情况如下。

4.2.1用户登录界面

开发了钢结构健康监测数据分析与安全评定系统，登录界面如图13所示。

图13 用户登录界面

4.2.2实时监测画面

实时监测模块用于对该工程结构的监测点进行实时监测，实时、动态地获得钢结构的各项运营受力状况，使用户能够实时获取当前各项监测情况。通过点击【实时监测】即可进入如图14所示页面，系统默认显示三维风速仪实时监测情况。其余监测项目，类似点击即可查看实时监测画面。

4.2.3数据分析及查询

数据分析采用服务的方式，与数据采集同步进行分析、存储，包括常规数据分析及特殊事件(地震)的数据分析。数据分析画面提供了各监测点的数据分析结果查询功能，以数据图表形式予以展示。数据分析服务程序针对钢结构静力监测、钢桁架振动监测和结构工作环境监测的各类监测参数、监测点，与实时监测数据进行同步分析。数据分析结果可以在监测系统的数据分析功能模块中进行查询并展示，如图15～图17所示。

图15 脉动风功率谱

图16 地震加速度常规分析方差曲线

图17 结构振动加速度最低振动频率时段振型柱状图

4.2.4安全评定及评估报告

点击进入【安全评估】模块，可以对已发生的实时预警信息进行跟踪和管理。24h内未处理的预警信息会通过预警灯实时闪烁显示。点击进入【评估报告】模块，可选择数据分析报告和安全评定报告两种类型。所有系统生成的报告均可直接下载。

5 结论

(1)介绍了该工程项目的结构特点，并进行了相应的有限元分析，从而为健康监测系统前端硬件传感器的布设提供了依据。

(2)完整的健康监测系统应包括硬件系统和软件系统，结合该工程的实际需求，研究开发了一套完整的监测数据分析与安全评定系统，其具备实时在线监测画面、数据分析及查询以及安全评定和评估报告生成等功能。

(3)实时在线健康监测系统保证了场馆在复杂环境条件下的运营安全，为结构的安全状况评定提供了技术支撑，为运营维养人员提供辅助决策，有效地推进了场馆维养的科学化、智能化和集成化。研究成果为大跨空间钢结构的健康监测与安全预警系统的构建提供了借鉴。

[1] 国家自然科学基金委员会.工程与材料科学部学科发展战略研究报告(2006年～2010年)土木工程卷[M].北京:科学出版社，2006.

[2] 张其林.大型建筑结构健康监测和基于监测的性态研究[J].建筑结构，2011，41(12):68-75.

[3] 李宏男，高东伟，伊廷华.土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展[J].力学进展，2008(2):151-166.

[4] 刘倩.大跨空间结构健康监测系统研究[D].大连:大连理工大学，2011.

[5] 杨伟，宋汉东.福州海峡会展中心扩建工程西区钢桁架施工过程监测[J].结构工程师，2017,33(4):200-208.

[6] 于兴泉，彭大鹏，金耀.杭州湾跨海大桥结构健康与安全监测系统研究[J].公路，2015(6):124-131.

[7] 熊海贝,张俊杰.超高层结构健康监测系统概述[J].结构工程师，2010,26(1):144-150.