貝殼形穹頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用

張鳳龍 蔣豐軍 陳慶鵬 劉文峰

貝殼形穹頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用

張鳳龍 蔣豐軍 陳慶鵬 劉文峰

文章采用FBG 光纖光柵傳感器和草青木秀振動(dòng)傳感器，建立網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)在線健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)京津城際于家堡站貝殼形穹頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可預(yù)見(jiàn)的荷載以及結(jié)構(gòu)的受力、振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)整體安全穩(wěn)定。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)荷載；在線監(jiān)測(cè)

0 引言

京津城際延伸線于家堡站站房為貝殼形穹體單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)跨143 m，短跨80 m，高24 m，是目前國(guó)內(nèi)跨度最大的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼由36 組順時(shí)針和逆時(shí)針的空間螺旋線交叉編織而成（圖1）。該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屬于大跨度空間結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，受空間桿件定位和控制、大量散拼桿件焊接和安裝誤差、外界環(huán)境等不確定環(huán)境的影響，不可避免地使結(jié)構(gòu)存在一定的質(zhì)量瑕疵和缺陷，因此，有必要建立在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 于家堡站房結(jié)構(gòu)效果圖

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸、數(shù)據(jù)管理預(yù)警系統(tǒng)等（圖2）。各類傳感器完成監(jiān)測(cè)信號(hào)的拾取，并通過(guò)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。采集站接收數(shù)據(jù)后，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和預(yù)處理，并存入數(shù)據(jù)管理中心。

圖2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體構(gòu)架、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件、數(shù)據(jù)采集策略等幾個(gè)方面。雖然該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)跨度較大，但相對(duì)于信號(hào)傳輸來(lái)說(shuō)距離并不是很長(zhǎng)，信號(hào)衰減不明顯，因此，采用1個(gè)數(shù)據(jù)采集站進(jìn)行數(shù)據(jù)的集中采集。數(shù)據(jù)采集策略分為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集和靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集制度采用閾值和定時(shí)2種方式（在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的初期采取24 h連續(xù)采集，運(yùn)行30天后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定觸發(fā)采集系統(tǒng)的閾值和確定定時(shí)采集的具體時(shí)間段），采樣頻率根據(jù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果確定，但需保證數(shù)據(jù)具有間隔實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)、管理、可視化以及對(duì)監(jiān)測(cè)采樣的控制等工作。數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)、數(shù)據(jù)的初步分析、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化以及存儲(chǔ)查詢和可視化功能，能夠響應(yīng)后續(xù)功能模塊對(duì)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求、控制傳感器子系統(tǒng)的采樣。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)主要從數(shù)據(jù)提取層、計(jì)算分析層和前端展示層3個(gè)方面進(jìn)行，對(duì)相關(guān)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。軟件實(shí)現(xiàn)整體框架圖如圖3，其中涉及到a、b、c、d 等4 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

在數(shù)據(jù)提取層，主要完成的工作是實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)按照指定的格式保存到數(shù)據(jù)庫(kù)a和b中，并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理和分析，將結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)c和d中。定時(shí)打包和清理數(shù)據(jù)庫(kù)a、b和c，數(shù)據(jù)庫(kù)中始終保持2 h的有效數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)?個(gè)小時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)束時(shí)，第1個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)表將被刪除。數(shù)據(jù)提取的流程設(shè)計(jì)為：

（1）原始數(shù)據(jù)提取。以預(yù)先設(shè)置的采集時(shí)間間隔t（本項(xiàng)目為5 min）為單位提取原始數(shù)據(jù)(波長(zhǎng)、電壓)到數(shù)據(jù)庫(kù)a 中，以.txt 存檔；

（2）提取特征數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫(kù)a中提取特征數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫(kù)b中，為動(dòng)態(tài)分析做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；

（3）對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)a中的數(shù)據(jù)做物理變換，轉(zhuǎn)化成應(yīng)變和加速度值，并對(duì)應(yīng)變進(jìn)行主應(yīng)變和主應(yīng)變方向計(jì)算，對(duì)加速度做FFT變換，將結(jié)果存放到數(shù)據(jù)庫(kù)c中。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)b中的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行物理轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化成主應(yīng)力和主應(yīng)力方向以及振動(dòng)頻率等特征數(shù)據(jù)，存放在數(shù)據(jù)庫(kù)d中。

圖3 軟件整體框架圖

3 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為全面評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全，對(duì)桿件應(yīng)力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行合理布置，用Midas Civil進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元模擬，模擬出應(yīng)力集中區(qū)，把這些桿件區(qū)域作為應(yīng)力監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域。通過(guò)對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的分析，確定結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)區(qū)域。圖4給出了監(jiān)測(cè)桿件應(yīng)力、振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況。

圖4 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

4 監(jiān)測(cè)分析

4.1 桿件應(yīng)力分析

為分析結(jié)構(gòu)在拆架后、拼裝中及加載后等3個(gè)不同階段的應(yīng)力狀況，圖5、6、7分別給出了DHL-2、DHL-4、DHL-18、DHL-19a、DHL-27a、DHL-29、DHL-34等桿件2013年11月拆架完畢后桿件應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果，2014 年10 月拼裝過(guò)程中桿件應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果以及2014年11月加載完畢后桿件應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依據(jù)GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》并考慮一定的安全系數(shù)，設(shè)置藍(lán)色、橙色、紅色3級(jí)預(yù)警機(jī)制，藍(lán)色預(yù)警值為177 MPa，橙色警值為236 MPa，紅色預(yù)警值為280 MPa。由圖5、6、7 中可以看出：

（1）DHL-2、DHL-4、DHL-18、DHL-19a、DHL-27a、DHL-29、DHL-34等7根底環(huán)梁在拆架后階段，DHL-4桿件應(yīng)力最大，DHL-34桿件應(yīng)力較小；拼裝階段，DHL-4桿件應(yīng)力最大，DHL-34桿件應(yīng)力較小；加載后階段，DHL-4桿件應(yīng)力最大，DHL-34 桿件應(yīng)力較小；

（2）拆架后應(yīng)力曲線如圖5，最大應(yīng)力出現(xiàn)在桿件DHL-4，最大應(yīng)力為142.29 MPa；最小應(yīng)力出現(xiàn)在桿件DHL-18，最小應(yīng)力為6.39 MPa，沒(méi)有桿件應(yīng)力超過(guò)藍(lán)色預(yù)警值；

圖5 2013年拆架后應(yīng)力變化曲線

（3）拼裝中應(yīng)力曲線如圖6，最大應(yīng)力出現(xiàn)在桿件DHL-4，有1個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)超過(guò)藍(lán)色預(yù)警值，應(yīng)力值達(dá)到178.29 MPa，最小應(yīng)力出現(xiàn)在桿件DHL-18，最小應(yīng)力為16.39 MPa；

圖6 2014年拼裝階段應(yīng)力變化曲線

（4）加載后應(yīng)力曲線如圖7，最大應(yīng)力出現(xiàn)在桿件DHL-4，共有2個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)超過(guò)藍(lán)色預(yù)警值，應(yīng)力值分別為178.03 MPa 和180.29 MPa，最小應(yīng)力出現(xiàn)在桿件DHL-18，應(yīng)力為21.39MPa。

圖7 2014年加載后應(yīng)力變化曲線

通過(guò)對(duì)應(yīng)力較大桿件DHL-4進(jìn)行加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，起到了監(jiān)測(cè)預(yù)警作用。

4.2 桿件振動(dòng)分析

選取桿件SG-104、TS-8，從頻域數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行前3階結(jié)構(gòu)固有頻率振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析。表1、2給出了拆架后、拼裝中及加載后等3個(gè)階段的結(jié)構(gòu)固有頻率監(jiān)測(cè)結(jié)果。

表1 桿件SG-104固有頻率監(jiān)測(cè)結(jié)果Hz

表2 桿件TS-8固有頻率監(jiān)測(cè)結(jié)果Hz

由表1桿件SG-104監(jiān)測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，在拆架后階段，桿件第1階固有頻率為2.75 Hz，拼裝中階段為2.72 Hz，加載后階段為2.69 Hz。這是由于結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量增加使得結(jié)構(gòu)固有頻率減小，與施工過(guò)程結(jié)構(gòu)質(zhì)量變化相一致。桿件第2階固有頻率頻率在拆架后、拼裝中、加載后等3個(gè)階段分別為3.62 、3.60、3.58 Hz。桿件第3階固有頻率在拆架后、拼裝中、加載后等3個(gè)階段分別為4.93、4.91、4.88 Hz，同樣符合以上的規(guī)律，說(shuō)明結(jié)構(gòu)動(dòng)力整體性能穩(wěn)定。

由表2桿件TS-8監(jiān)測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，在拆架后階段，桿件第1階固有頻率為2.75 Hz，拼裝中階段為2.72 Hz，加載后階段為2.70 Hz。這同樣是由于結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量增加使得結(jié)構(gòu)固有頻率減小，與施工過(guò)程結(jié)構(gòu)質(zhì)量變化相一致。第2階固有頻率在拆架后、拼裝中、加載后等3個(gè)階段分別為3.63、3.61、3.59 Hz，第3階固有頻率在拆架后、拼裝中、加載后等3個(gè)階段分別為4.94、4.92、4.89 Hz，同樣符合以上的規(guī)律，說(shuō)明結(jié)構(gòu)動(dòng)力整體性能穩(wěn)定。

[1] 陳志華，徐浩，王小盾，等. 天津于家堡綜合交通樞紐貝殼形超大跨度單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2014，44 (7).

[2] 劉金鎖，張鳳龍，曾亮，等. 京津城際延伸線于家堡站房穹頂單層網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期健康監(jiān)測(cè)方式研究[J]. 施工技術(shù)，2014，43 (增).

[3] GB5009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[4] 李惠，周峰，朱焰煌. 國(guó)家游泳中心鋼結(jié)構(gòu)施工卸載過(guò)程及運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)變健康監(jiān)測(cè)及計(jì)算模擬分析[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，2012 (3).

[5] 張其林，陳魯，朱丙虎，等. 大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究[J]. 施工技術(shù)，2011，40 (4).

責(zé)任編輯 朱開(kāi)明

On-Line Monitoring System and Its Application for Reticulated Steel Structure of Shell Dome

Zhang Fenglong, Jiang Fengjun, Chen Qingpeng, et al.

The paper uses the FBG optical fi ber optical grating sensor and vibration sensor, to establish on-line health monitoring system for reticulated shell steel structure, a health monitoring of unforeseen load and structure stress, vibration state in the Beijing-Tianjin intercity Yujiapu station shell shaped dome structure design. The monitoring results show that whole structure is safe and stable.

reticulated shell structure, structural load, on-line monitoring

U231.4

2015-06-12

張鳳龍：津?yàn)I城際鐵路有限責(zé)任公司，高級(jí)工程師，天津 300450