大跨度鋼結構網架健康監測的探討

藍燕強

（北京鐵路局，北京 100860）

1 大跨度網架健康監測的意義

所有的結構，無論自然的還是人工的，在其存在期間都會累積損傷。健康監測就是利用現場的、無損傷的監測方式實時獲得結構內部信息，分析包括結構反應在內的各種結構系統特征，實時監控結構的整體行為，對結構的損傷位置和程度進行診斷，從而及時了解結構因損傷而造成的改變以及結構的工作狀態。健康監測的過程包括：通過一系列傳感器得到系統定時取樣的靜力或動力響應測量值，從這些測量值中抽取對損傷敏感的特征因子，并對這些特征因子進行統計分析，從而獲得結構當前的健康狀況。對于長期的健康監測，系統得到的是關于結構在其運行環境中老化和退化所導致的完成預期功能變化的適時信息。

2 結構健康監測技術的應用現狀

結構健康監測系統最開始用于大型重要的橋梁結構，20世紀80年代中后期開始，各種規模的橋梁結構健康監測系統相繼建立起來，用以驗證設計假定、監視施工質量和服役安全狀況。近年來，隨著經濟和科技的發展，健康監測系統已在特種結構、超高層建筑結構、大跨空間鋼結構、深基坑支護工程中得到廣泛應用。

在大跨度建筑結構的應用方面，一些新建的大跨度體育場館及公共建筑普遍采用了結構健康監測技術。2002年深圳市民中心屋頂長486m、寬156的網架結構中搭建了國內較早的大跨度結構健康監測系統。2008奧運會羽毛球館新型預應力弦支穹頂結構、濟南奧體中心場館鋼結構等都分別安裝了全壽命健康監測系統。

3 健康監測的技術路線及實施方案

3.1 健康監測的技術路線

圖1 健康監測的技術路線

3.2 健康監測的內容及測點布置方案

對房屋網架除定期進行常規的維護與保養外，還應對外部荷載作用和結構反應兩大部分進行健康監測，以掌握結構在施工及建筑物整過使用過程中的工作狀態，確保結構安全。健康監測包括對關鍵部位構件應力和變形、結構表面風壓、結構振動及溫度監測。

3.2.1 鋼網架關鍵部位變形監測

結構變形是結構狀態改變最靈敏與最精確的反映，因此對結構變形的監測能夠更為準確地把握結構恒載內力狀態的改變。部分的結構損傷也將導致變形情況的異常，通過對變形的監測也可識別出這些損傷來。因此，結構變形的監測對于修正結構有限元模型、確定內力狀態并對結構損傷進行識別，均具有重要的意義。

3.2.2 鋼網架關鍵部位應力、應變監測

在荷載作用，同時受到構件尺寸、材料性能、安裝偏差、構件連接、焊接殘余應力、溫度變化和施工質量等復雜情況的影響，部分構件有可能會出現局部的應力集中現象，對關鍵部位應力、應變監測應該重點關注。應力應變監測點選擇邊跨、中跨及特殊關鍵位置的網架桿件布置，每個關鍵位置選取2～3根桿件布置。

3.2.3 結構表面風壓監測

大跨網架結構為典型風敏感類型結構，表面風壓監測是監測的重點。

3.2.4 結構振動監測

大跨度鋼網架結構阻尼較小且自振頻率較低，結構與風發生耦合振動的概率較高；另外，由于自身內部動荷載，包括設備的振動，空調的振動以及房屋內人流物流引起的振動，這些振動的頻率多集中于0～25Hz，與結構主頻、外部風振的主頻非常接近，為了保證結構安全，有必要對結構關鍵部位進行振動監測，并設置振動幅值上限，以預警結構安全及設備正常運轉。

另外，風振及空調機房等振動可能會對裝修結構（如玻璃幕墻、排水系統等）造成影響，引起局部松動或漏水，腐蝕鋼結構，影響結構、人員安全，因此有必要對局部結構進行振動監測或定期檢測。

3.2.5 溫度監測

大跨度拱形鋼網架結構投入使用后，室內設有空調、供暖系統，夏季與冬季時室內外的溫差較大，為防止幕墻等裝修結構因溫度變化較大而發生較大變形或松動，可對結構內部適當位置設置溫度監測點，時刻監測溫度變化，控制室內外溫差在一定范圍內。

3.3 監測數據的采集及分析

采用相應的數據采集處理設備對結構健康監測傳感器所獲取的數據進行信息分析處理，同時對數據進行實時傳遞。數據信息產生后以信號的方式存在，可以應用有線或無線系統將監測數據傳遞到數據分析中心。獲取結構監測數據后采用相應的方法對其進行分析，通過結構參數包括靜力和動力的參數的反應來判定結構是否存在損傷以及結構的損傷情況。

3.4 安全評價與預警

根據監測的內容和布置以及對結構影響比較敏感的因素制定結構工作狀態的安全評價標準，如風壓值以及結構振動幅值范圍，局部敏感部位的應力應變限值等。根據不同的情況還可制定分類的不同的安全評價標準，并采取相應的措施。通過對監測數據的分析，實時監測結構的工作狀態，并對結構的安全狀態做出判斷，及時地進行預警和采取相應的措施，從而保證結構安全避免事故的發生。

[1]韓志偉.鐵路客站大型復雜結構健康監測研究與思考[J].鐵道經濟研究，2011（6）.

[2]瞿偉廉，等.風力作用下深圳市民中心屋頂網架結構的智能健康監測[J].建筑結構學報，2006（1）.