大型建筑結構長期安全健康監測系統設計

祝小龍，向澤君，謝征海，周成濤，周忠發，張 晉

大型建筑結構長期安全健康監測系統設計

祝小龍1，向澤君1，謝征海1，周成濤1，周忠發2，張 晉1

( 1．重慶市勘測院，重慶400020; 2．北京建筑設計研究院有限公司，北京100010)

一、引言

大型建筑結構多為關系國計民生的公共性建筑，同時也是一個地方的標志性建筑。由于大型建筑結構大量采用鋼材、膜材、高強鋼索、鋁合金等新型材料，在其服役期限內除了材料自身性能會不斷退化、老化外，還不可避免地會受到風、地震、疲勞、超載等自然損害和人為因素的影響，從而導致結構受損、承載能力降低，甚至會使其受破壞而影響人民的生命財產安全。如2007年1月雨雪、大風及材料老化導致溫哥華體育場屋頂坍塌，2010年12月鄂爾多斯那達慕大會主會場坍塌等。這類場館使用時人流集中，密度大，安全問題至關重要［1］。

為了保障重大工程結構的安全性，急需對該類重大工程結構進行有效的安全監測，而目前國內對此通用的常規變形監測因間隔期長、及時性差已逐漸不能滿足安全控制的需要。建立大型建筑結構實時安全健康監測系統成為發展的必然趨勢，但由于目前國內健康監測尚處于探索階段，尤其在大型建筑結構工程的研究及應用方面較少，因此應在總結以往經驗和教訓，以及借鑒國外先進經驗的基礎上，對大型建筑結構設計健康監測系統，并為研究結構服役期間的損傷演化規律提供有效的、直接的分析數據和依據，以科學、主動地預報工程結構的安全狀況。

二、工程概況

重慶國際博覽中心是西部第一、全國第二的國際大型會議展覽中心，東西寬約0．8 km，南北長約1．3 km，總占地約1．32 km2。它主要由展館區、酒店、多功能廳、會議中心和沿江商業5部分組成，建筑外形似一只翩翩起舞的蝴蝶，效果如圖1所示。

圖1 重慶國際博覽中心

重慶國際博覽中心為鋼桁架和鋁格柵結構組成的大型建筑結構，樹狀支承柱直接支承鋁合金格柵結構，主體屋頂結構采用立體館桁架、支承于下部砼結構，其中跨度最大的多功能廳單榀鋼桁架跨度為117 m。其鋼桁架結構和鋁結構具有跨度較大、結構復雜的特點，服役環境較為惡劣(高溫、潮濕)，其上的作用荷載復雜，結構又屬于柔性結構體系，各種荷載和異常狀況一旦超過結構承載能力，必將對結構產生一定的損傷，甚至引起坍塌，因此建立長期安全健康監測系統十分必要。

三、長期安全健康監測內容

對于健康監測系統而言，如何有效地監測結構的相關監測項目和參數，把握對結構安全有重大影響的安全因素是至關重要的。重慶國際博覽中心地處坡地臨江，地形條件復雜，結構體量大，若對全部建筑進行監測，則監測系統極為龐大，工程造價也極其昂貴，因此在監測場館的選擇上根據結構的重要性、對稱性、經濟最優化、場地地質特性等要素綜合考慮，從16個場館中選取了Se04、Sw02、Ne01、Ne03、會議中心和多功能廳6個場館作為監測對象，各場館結構形式和地理位置如圖2所示［2］。

圖2 各場館結構形式和地理位置分布圖

根據重慶國際博覽中心項目的結構特點，建立了3套監測子系統，分別為光纖光柵應變及溫度監測系統、靜力水準撓度監測子系統、風速風壓監測子系統，主要監測內容有:①鋼桁架應力(應變) ;②鋼桁架撓度;③樹狀柱樹干應力;④鋁格柵應力;⑤風速、風壓;⑥溫度監測。

四、傳感器布置方案設計

大型建筑結構體系極為復雜，單純依靠經驗在關鍵截面布置測點的方法已經不能滿足需要，必須借助于結構有限元仿真分析系統和大型結構試驗來進行計算識別，通過計算結構的應力、撓度等參數，選取重點監測點位。

1．有限元仿真分析

重慶國際博覽中心結構有限元仿真分析是獲取結構在荷載作用下結構桿件內力、撓度等參數的有效方法。通過有限元分析能夠得到結構在自重荷載和標準荷載組合及結構在極限承載能力下應力及撓度值，從而獲得結構的安全指標控制范圍。有限元分析模型如圖3所示。

圖3 場館模型仿真分析圖(局部)

2．風洞試驗

重慶國際博覽中心造型新穎，屋面跨度大，結構復雜，無法直接利用規范或借鑒類似結構的研究成果評價其風荷載特性。為確保結構的抗風安全，按照幾何相似原則，建立了1∶300的風洞試驗模型，研究作用于建筑物上的風荷載及風致振動特性。安裝在風洞試驗中的模型如圖4所示［3］。

圖4 風洞試驗中的屋面測壓模型

五、長期安全健康監測系統設計

1．監測系統組成

結構健康監測系統涉及多門學科領域，系統的設計與實現比較復雜，主要包括傳感器系統、數據采集系統、信號傳輸系統、數據管理系統、安全預警系統，如圖5所示。上述各個系統分別涉及不同的硬件和軟件，需要通過系統集成技術將它們集成為一個協調共同工作的健康監測系統，以達到對監測結構的實時動態監測［4］。因此，必須通過一個相應的系統轉換平臺來實現，這就需要進行系統集成，通過建立的系統管理平臺來對各監測子系統進行管理和運行，并實現數據交互，最終形成易于識別和理解的人機交互平臺。

圖5 監測系統項目組成

2．監測數據采集、預處理及傳輸

重慶國際博覽中心健康監測系統在設計時需要考慮應變、撓度、風速、風壓和溫度等多種關鍵參數，數據采集必須基于多傳感器系統的融合來設計，這個過程就是要處理自動識別、連結、相關、估計，以綜合多源數據和信息，其關鍵技術是數據轉換、數據相關、數據庫、融合推理。考慮國際博覽中心健康監測系統硬件的性能和軟件，動態數據的采集主要采用實時采集的方式，以及時掌握重大結構異常發生的情況，并采取積極的應對措施。

采集后形成的數據，在將監測數據用于分析評估前，必須對數據進行預處理，主要包含動態數據實時統計、偽信號的干擾識別等。對于實時采集數據，偽信號的干擾識別是根據預定的識別模式，對各數據采集子系統采集到的原始數據進行計算，剔除數據采集和傳輸過程中因干擾引起的異常值，并將能反映監測項的數據傳給數據庫。

同時，在健康監測系統中，為滿足數據采集系統到數據庫管理系統之間的數據傳輸要求，利用系統構造內部數據局域網，基于TCP/IP技術來實現數據傳輸，以保證系統的可靠性和可擴展性。

3．數據庫管理

重慶國際博覽中心安全健康監測系統設計的傳感器有將近1000個，每個傳感器采集的數據最終都要提供給系統作為監測評價的依據，因此，必須構造最優的數據庫模式。本系統主要基于PB語言進行系統開發，建立數據庫及其應用系統，使之能夠有效地存儲數據，滿足各種應用需求(信息要求和處理要求)，完成對數據采集系統采集的數據進行存儲、查詢、備份，實現對數據的處理、遠程控制、用戶管理分類、數據備份、設備維護、系統安全等任務。

六、結構安全監測評價系統關鍵技術

1．基于結構安全的閥值界限

基于結構安全閥值的評定是結構安全評定中最一般的、最簡單的評定模式，直接以結構的功能指標進行評定，如應力、撓度、風速、風壓和溫度。它把這些有關因素作為基本變量X1、X2、…、Xn來考慮，由基本變量組成的描述結構功能的函數Z=g( X1，X2，…，Xn)被稱為結構功能函數;同時也可以將若干基本變量組合成綜合變量，如將作用方面的基本變量組合成綜合作用效應S，抗力方面的基本變量組合成綜合抗力R，從而結構的功能函數為Z=R－S［7-8］。

對于Z=R－S，存在以下3種情況:

1) Z=R－S＞0，表明結構處于安全狀態;

2) Z=R－S＜0，表明結構已失效或破壞;

3) Z=R－S=0，表明結構處于極限狀態。

閥值的確定主要基于結構分析軟件進行仿真分析，取得在標準荷載組合下的監測點的最大參數值，并根據其材料的屈服應變和相應時刻結構的最大變形經過一系列計算來確定控制閥值。

2．基于系統統計預測的結構安全監測評價

采用系統統計預測的方法，針對結構安全監測系統中的主要監測參數(應變、撓度等)，設計相應的系統預測數學模型系統統計預測，通過對歷史數據的回歸分析和曲線擬合預測未來，從而判定結構參數在閾值界限內的使用度，對系統的未來發展作出預測，如采用使用度評價指標進行評定［6］。式中，ν為結構參數監測信號值; h為結構參數設計極大值(扣除恒載效應的包絡圖上限) ; l為結構參數設計極小值(扣除恒載效應的包絡圖下限) ; w為結構參數設計工作值(取零荷載效應值) ; syd為設計能力使用度。

將實測的結構參數值與控制閾值進行比較，判別當前監測的結構參數(應變、撓度等)的設計能力使用程度。如當K線周期中的最大值使用度或最小值使用度達到或超過+75%或－75%，也就是說該測點的信號在某個周期內設計允許范圍內的使用程度已經達到75%，以此標準判定結構的安全狀態［11］。

七、結構安全監測預警系統

1．預警系統組成

重慶國際博覽中心結構安全預警系統的主要作用在于通過傳感器采集的數據對建筑結構安全狀態進行監測評估，整個系統涵蓋監測系統的數據采集、數據分析及數據反饋3部分。

2．數據采集功能模塊

數據采集模塊主要具備以下功能:①存儲儀器自動采集的數據;②存儲人工輸入的基本數據庫，在結構進行相應荷載識別時進行調用。

3．數據處理功能模塊

數據處理功能模塊將主要實現如下的功能:①結構狀態記錄功能;②安全報警功能;③突發事件的監測數據保存功能;④數據統計處理功能。

4．數據反饋功能模塊

數據反饋模塊主要是在數據分析之后提供可供用戶操縱的數據平臺，其實現的功能為:根據數據分析的結果，進行相應的數據展示，并針對不同的預警控制，發出預警信號。安全預警系統的人機交互界面由系統設置和歷史數據組成，系統設置包括操作員設置、測點設置、系統參數設置、報警短信接收人設置、操作員查詢、測點查詢、報警短信接收人查詢和系統升級程序上載共8個功能，以實現人機交互展示，如圖6所示為第Ne01-H5-s-7號應力監測點的應力—時間變化曲線。

圖6 Ne01-H5-s-7號應力監測點應力—時間變化曲線

八、結束語

由于國內外大型建筑結構進行健康監測的案例少之又少，只有極少部分國家特別重大的場館設施進行了施工階段的智能化監測，可謂鳳毛麟角。隨著建筑結構越來越向新穎、高大、智能化方向發展，其安全問題也越來越突出，從而越來越得到各方的重視，這也為大型建筑結構健康監測的研究和應用提供了良好的平臺和發展空間。

本文以重慶國際博覽中心為例，介紹了大型建筑結構長期安全健康監測系統如何設計、組建，如何融合建筑、結構、電子、信息及統計等多個學科，如何進行硬件設計和軟件開發等。誠然，這只是保證系統正常運行的基本條件，而大型建筑結構的安全監測評估系統這個主要用于評估結構體系，解決人們最為關心的結構安全問題的系統才是安全監測的重中之重。

［1］ 周雨斌．網架結構健康監測中傳感器優化布置研究［D］．杭州:浙江大學，2008: 6-10．

［2］ 祝小龍．基于遠程監測的大型建筑結構安全監測關鍵技術研究報告［R］．重慶:重慶市勘測院，2012: 34-37．

［3］ 廖黎海．重慶西部國際會議展覽中心風洞試驗研究報告［R］．成都:西南交通大學風工程試驗研究中心，2011: 1-4．

［4］ 李慧，歐進萍．斜拉橋結構健康監測系統的設計與實現( I)系統設計［J］．土木工程學報，2006( 4) : 39-44．

［5］ 周建庭．實時監測橋梁壽命預測理論及應用［M］．北京:科學出版社，2010: 70-89．

［6］ 周建庭．基于可靠性理論的橋梁遠程監測系統安全評價研究［D］．重慶:重慶大學，2005: 55-59．

［7］ 梁宗保．基于監測信息統計分析的橋梁結構安全評價研究［D］．重慶:重慶大學，2006: 99-101．

The Design of Large Scale Structure of Long-term Safety Health Monitoring System

ZHU Xiaolong，XIANG Zejun，XIE Zhenghai，ZHOU Chengtao，ZHOU Zhongfa，ZHANG Jin

依托重慶國際博覽中心，綜合考慮建筑結構的設計特性、周邊地質環境、經濟等因素，建立了有限元結構模型進行結構力學性能分析。在此基礎上通過FBG光纖光柵應力(應變)、溫度、靜力水準撓度、風速風壓等傳感器的布置優化設計，構建了長期安全健康監測系統的架構、傳輸機制、數據處理機制及預警預報系統，為進行大型建筑結構的結構狀態識別、結構的承載能力評估等工作奠定了基礎。

大型建筑結構;長期安全健康監測;系統設計;預警預報

祝小龍( 1983—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為結構工程變形測量、健康監測。E-mail: 42156990@ qq．com

P258

B

0494-0911( 2015) 11-0076-04

祝小龍，向澤君，謝征海，等．大型建筑結構長期安全健康監測系統設計［J］．測繪通報，2015( 11) : 76-79．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0351

2014-10-12

重慶市建設委員會(城科字( 2012)第2-01號)