大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架健康監(jiān)測(cè)的探討

藍(lán)燕強(qiáng)

（北京鐵路局，北京 100860）

1 大跨度網(wǎng)架健康監(jiān)測(cè)的意義

所有的結(jié)構(gòu)，無論自然的還是人工的，在其存在期間都會(huì)累積損傷。健康監(jiān)測(cè)就是利用現(xiàn)場(chǎng)的、無損傷的監(jiān)測(cè)方式實(shí)時(shí)獲得結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息，分析包括結(jié)構(gòu)反應(yīng)在內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特征，實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體行為，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度進(jìn)行診斷，從而及時(shí)了解結(jié)構(gòu)因損傷而造成的改變以及結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。健康監(jiān)測(cè)的過程包括：通過一系列傳感器得到系統(tǒng)定時(shí)取樣的靜力或動(dòng)力響應(yīng)測(cè)量值，從這些測(cè)量值中抽取對(duì)損傷敏感的特征因子，并對(duì)這些特征因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而獲得結(jié)構(gòu)當(dāng)前的健康狀況。對(duì)于長期的健康監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)得到的是關(guān)于結(jié)構(gòu)在其運(yùn)行環(huán)境中老化和退化所導(dǎo)致的完成預(yù)期功能變化的適時(shí)信息。

2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最開始用于大型重要的橋梁結(jié)構(gòu)，20世紀(jì)80年代中后期開始，各種規(guī)模的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相繼建立起來，用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)假定、監(jiān)視施工質(zhì)量和服役安全狀況。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在特種結(jié)構(gòu)、超高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨空間鋼結(jié)構(gòu)、深基坑支護(hù)工程中得到廣泛應(yīng)用。

在大跨度建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方面，一些新建的大跨度體育場(chǎng)館及公共建筑普遍采用了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。2002年深圳市民中心屋頂長486m、寬156的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中搭建了國內(nèi)較早的大跨度結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2008奧運(yùn)會(huì)羽毛球館新型預(yù)應(yīng)力弦支穹頂結(jié)構(gòu)、濟(jì)南奧體中心場(chǎng)館鋼結(jié)構(gòu)等都分別安裝了全壽命健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3 健康監(jiān)測(cè)的技術(shù)路線及實(shí)施方案

3.1 健康監(jiān)測(cè)的技術(shù)路線

圖1 健康監(jiān)測(cè)的技術(shù)路線

3.2 健康監(jiān)測(cè)的內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置方案

對(duì)房屋網(wǎng)架除定期進(jìn)行常規(guī)的維護(hù)與保養(yǎng)外，還應(yīng)對(duì)外部荷載作用和結(jié)構(gòu)反應(yīng)兩大部分進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，以掌握結(jié)構(gòu)在施工及建筑物整過使用過程中的工作狀態(tài)，確保結(jié)構(gòu)安全。健康監(jiān)測(cè)包括對(duì)關(guān)鍵部位構(gòu)件應(yīng)力和變形、結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓、結(jié)構(gòu)振動(dòng)及溫度監(jiān)測(cè)。

3.2.1 鋼網(wǎng)架關(guān)鍵部位變形監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)變形是結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變最靈敏與最精確的反映，因此對(duì)結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測(cè)能夠更為準(zhǔn)確地把握結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力狀態(tài)的改變。部分的結(jié)構(gòu)損傷也將導(dǎo)致變形情況的異常，通過對(duì)變形的監(jiān)測(cè)也可識(shí)別出這些損傷來。因此，結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測(cè)對(duì)于修正結(jié)構(gòu)有限元模型、確定內(nèi)力狀態(tài)并對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行識(shí)別，均具有重要的意義。

3.2.2 鋼網(wǎng)架關(guān)鍵部位應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)

在荷載作用，同時(shí)受到構(gòu)件尺寸、材料性能、安裝偏差、構(gòu)件連接、焊接殘余應(yīng)力、溫度變化和施工質(zhì)量等復(fù)雜情況的影響，部分構(gòu)件有可能會(huì)出現(xiàn)局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)關(guān)鍵部位應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇邊跨、中跨及特殊關(guān)鍵位置的網(wǎng)架桿件布置，每個(gè)關(guān)鍵位置選取2～3根桿件布置。

3.2.3 結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓監(jiān)測(cè)

大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為典型風(fēng)敏感類型結(jié)構(gòu)，表面風(fēng)壓監(jiān)測(cè)是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。

3.2.4 結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)

大跨度鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)阻尼較小且自振頻率較低，結(jié)構(gòu)與風(fēng)發(fā)生耦合振動(dòng)的概率較高；另外，由于自身內(nèi)部動(dòng)荷載，包括設(shè)備的振動(dòng)，空調(diào)的振動(dòng)以及房屋內(nèi)人流物流引起的振動(dòng)，這些振動(dòng)的頻率多集中于0～25Hz，與結(jié)構(gòu)主頻、外部風(fēng)振的主頻非常接近，為了保證結(jié)構(gòu)安全，有必要對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，并設(shè)置振動(dòng)幅值上限，以預(yù)警結(jié)構(gòu)安全及設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

另外，風(fēng)振及空調(diào)機(jī)房等振動(dòng)可能會(huì)對(duì)裝修結(jié)構(gòu)（如玻璃幕墻、排水系統(tǒng)等）造成影響，引起局部松動(dòng)或漏水，腐蝕鋼結(jié)構(gòu)，影響結(jié)構(gòu)、人員安全，因此有必要對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)或定期檢測(cè)。

3.2.5 溫度監(jiān)測(cè)

大跨度拱形鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)投入使用后，室內(nèi)設(shè)有空調(diào)、供暖系統(tǒng)，夏季與冬季時(shí)室內(nèi)外的溫差較大，為防止幕墻等裝修結(jié)構(gòu)因溫度變化較大而發(fā)生較大變形或松動(dòng)，可對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部適當(dāng)位置設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，時(shí)刻監(jiān)測(cè)溫度變化，控制室內(nèi)外溫差在一定范圍內(nèi)。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集及分析

采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息分析處理，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳遞。數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生后以信號(hào)的方式存在，可以應(yīng)用有線或無線系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)分析中心。獲取結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后采用相應(yīng)的方法對(duì)其進(jìn)行分析，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)包括靜力和動(dòng)力的參數(shù)的反應(yīng)來判定結(jié)構(gòu)是否存在損傷以及結(jié)構(gòu)的損傷情況。

3.4 安全評(píng)價(jià)與預(yù)警

根據(jù)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容和布置以及對(duì)結(jié)構(gòu)影響比較敏感的因素制定結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如風(fēng)壓值以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值范圍，局部敏感部位的應(yīng)力應(yīng)變限值等。根據(jù)不同的情況還可制定分類的不同的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并采取相應(yīng)的措施。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，并對(duì)結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)做出判斷，及時(shí)地進(jìn)行預(yù)警和采取相應(yīng)的措施，從而保證結(jié)構(gòu)安全避免事故的發(fā)生。

[1]韓志偉.鐵路客站大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究與思考[J].鐵道經(jīng)濟(jì)研究，2011（6）.

[2]瞿偉廉，等.風(fēng)力作用下深圳市民中心屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的智能健康監(jiān)測(cè)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006（1）.