港珠澳大橋珠海口岸鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方案許鍇等

漫談

【摘要】本文介紹大跨度空間結(jié)構(gòu)體系是港珠澳大橋珠海口岸鋼結(jié)構(gòu)的重要建筑外觀(guān)特征，與海邊環(huán)境融洽，令人印象深刻。大跨度空間結(jié)構(gòu)體系形成狹風(fēng)口，使得結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)更加復(fù)雜。施工監(jiān)測(cè)為鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程提供力學(xué)數(shù)據(jù)支撐，確保整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的安全。鑒于本工程的重要性和工程的復(fù)雜程度，應(yīng)進(jìn)行施工過(guò)程的健康監(jiān)測(cè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程的健康監(jiān)測(cè)。

【關(guān)鍵詞】港珠澳大橋;珠海口岸;施工監(jiān)測(cè);運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)

近20多年來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)應(yīng)用越來(lái)越廣，如高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)、大跨度公共建筑鋼結(jié)構(gòu)、高聳及塔桅構(gòu)筑物鋼結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁鋼結(jié)構(gòu)等。但在鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用發(fā)展的同時(shí)，國(guó)內(nèi)外都發(fā)生過(guò)許多不同類(lèi)型、不同原因、不同程度的鋼結(jié)構(gòu)工程事故，特別是一些重大鋼結(jié)構(gòu)工程事故，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。在這些事故中，有些是由于自然災(zāi)害如地震、大風(fēng)、火災(zāi)、水災(zāi)等造成的意外破壞事故，有些是由于施工質(zhì)量不合格，或設(shè)計(jì)考慮不周或使用不當(dāng)，或結(jié)構(gòu)用途改變而未能及時(shí)正確評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性以及未進(jìn)行合理可靠的加固等原因造成的。因此，對(duì)本項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)及運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)及安全性評(píng)定是非常必要且緊迫的。

港珠澳大橋珠海口岸工程位于廣東省珠海市拱北灣南側(cè)的口岸人工島上，占地面積107.33萬(wàn)㎡。主要功能包括：旅檢區(qū)及口岸交通配套區(qū)、口岸辦公區(qū)、入境貨檢區(qū)、市政道路及市政配套區(qū)。東接港珠澳大橋主體工程、南與澳門(mén)口岸緊密相連，未來(lái)將承擔(dān)起交通樞紐平臺(tái)的重任。本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)主要涉及的區(qū)域有：旅檢大樓A區(qū)、旅檢大樓B區(qū)、珠海側(cè)交通中心及交通連廊四個(gè)區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)屋面部分，旅檢大樓A區(qū)主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架，屋蓋為大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)體系。珠海側(cè)交通中心工程為地下一層，地上三層，并設(shè)有局部夾層，屋蓋為正方四角錐網(wǎng)架+單層梁網(wǎng)殼屋蓋結(jié)構(gòu)體系。旅檢大樓B區(qū)無(wú)地下室，主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架，屋蓋為鋼桁架結(jié)構(gòu)體系。交通連廊局部地下一層，地上三層，主體結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架，頂部裝飾挑檐為鋼桁架構(gòu)架。珠海口岸效果圖如圖1所示。

施工階段監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要包括應(yīng)力應(yīng)變、溫度及位移，運(yùn)營(yíng)期間監(jiān)測(cè)包含應(yīng)力應(yīng)變、溫度及位移、風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)、動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)、動(dòng)力參數(shù)分析。

1.應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)

應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置的原則如下：

（1）本項(xiàng)目采用MIDAS及YJK有限元軟件模擬計(jì)算受力比較大的點(diǎn)作為應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)控制點(diǎn);

（2）結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件：天窗桁架與鋼結(jié)構(gòu)桁架連接處的重要構(gòu)件以及拉梁，這些構(gòu)件一旦損毀，將給結(jié)構(gòu)帶來(lái)災(zāi)難性的后果，故將其作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)控制點(diǎn);

（3）監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)要具有代表性和規(guī)律性：監(jiān)測(cè)點(diǎn)組合起來(lái)要能對(duì)結(jié)構(gòu)的整體安全性進(jìn)行評(píng)估，體現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。

施工階段，考慮支撐方式及施工工藝，建立有限元模型，確定結(jié)構(gòu)受力較大的桿件作為監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，從宏觀(guān)上控制結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律性并能密切跟蹤施工過(guò)程中的受力變化，最終確定具體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置，運(yùn)營(yíng)期間監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置與施工階段位置一致。旅檢大樓A區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量132個(gè)，旅檢大樓B區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量8個(gè)，交通中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量68個(gè)，交通連廊工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量8個(gè)。旅檢A區(qū)與交通中心監(jiān)測(cè)布置如圖2-圖7。

2.溫度監(jiān)測(cè)

由于太陽(yáng)輻射的作用鋼結(jié)構(gòu)的溫度明顯不同于大氣環(huán)境溫度，其直接影響是在高次超靜定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生溫度應(yīng)力，因此在鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，需要在特定的階段（安裝、合攏和卸載）和特殊氣候條件（高溫和低溫）下對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為科學(xué)地組織施工和結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的計(jì)算提供技術(shù)依據(jù)。

施工過(guò)程中主要監(jiān)測(cè)鋼結(jié)構(gòu)拼裝及合龍過(guò)程（設(shè)計(jì)合攏溫度在15～20℃）的溫度;鋼結(jié)構(gòu)安裝于塔架上卸載前的溫度;鋼結(jié)構(gòu)卸載后成型的溫度。

結(jié)合施工工藝與規(guī)范，最終確定具體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置，運(yùn)營(yíng)期間監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置與施工階段位置一致。旅檢大樓A區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量132個(gè)，旅檢大樓B區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量8個(gè)，交通中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量68個(gè)，交通連廊工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量8個(gè)。

3.位移監(jiān)測(cè)

位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置的原則如下：

（1）理論計(jì)算位移較大點(diǎn);

（2）重要的節(jié)點(diǎn)（天窗桁架與鋼結(jié)構(gòu)桁架連接處的重要節(jié)點(diǎn)）;

（3）監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)要具有代表性和規(guī)律性：監(jiān)測(cè)點(diǎn)組合起來(lái)要能對(duì)結(jié)構(gòu)的整體安全性進(jìn)行評(píng)估，體現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形分布規(guī)律。

選擇港珠澳大橋珠海口岸鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括鋼結(jié)構(gòu)屋蓋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的變形（X、Y、Z）、屋蓋支撐柱頂水平位移及豎向位移監(jiān)測(cè)。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容為鋼結(jié)構(gòu)撓度的變化。

施工階段，考慮支撐方式及施工工藝，建立有限元模型，確定結(jié)構(gòu)變形較大的節(jié)點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，從宏觀(guān)上控制結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律性并能密切跟蹤施工過(guò)程中的受力變化，最終確定具體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置。本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)屋蓋及柱頂支撐系統(tǒng)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)為旅檢大樓A區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量12個(gè)，旅檢大樓B區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量4個(gè)，交通中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量12個(gè)，交通連廊工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量4個(gè)。

4.風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)

港珠澳大橋珠海口岸鋼結(jié)構(gòu)的風(fēng)場(chǎng)具有明顯的三維特征，流場(chǎng)特性相當(dāng)復(fù)雜，經(jīng)常伴隨著氣流的分離和再附、旋渦脫落等現(xiàn)象，從而造成風(fēng)荷載的分布非常復(fù)雜，這類(lèi)問(wèn)題很少能夠用純解析的方式予以解決，其研究也主要依靠風(fēng)洞試驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)研究主要集中在懸挑屋蓋、平屋面和球形屋面，且主要研究其靜力風(fēng)荷載特性。屋蓋結(jié)構(gòu)的幾何形狀對(duì)屋面風(fēng)壓分布有重大影響，不同形式的屋面，其表面風(fēng)壓分布有很大區(qū)別。同時(shí)，即使屋面整體形式相同，由于局部構(gòu)造（如挑檐、女兒墻等）和屋面坡度的不同，其局部或整體風(fēng)壓分布仍可能有很大差別。而風(fēng)荷載的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)更好的反映了結(jié)構(gòu)的實(shí)際風(fēng)荷載分布。因此，就有必要對(duì)港珠澳大橋珠海口岸鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)荷載現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)來(lái)確定結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布，以更好地進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。

風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置的原則如下：

（1）風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果中風(fēng)壓分布較大區(qū)域;

（2）監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)要具有代表性和規(guī)律性。

旅檢大樓A區(qū)風(fēng)壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量16個(gè)，風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量2個(gè);交通中心風(fēng)壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量16個(gè)，風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量2個(gè)。

5.動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（如圖8所示）是利用現(xiàn)有傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，全天候、不間斷地監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)特性，在計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的支持和控制下，通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、加工處理，自動(dòng)顯示結(jié)構(gòu)運(yùn)行的整體和局部振動(dòng)性態(tài)，并將監(jiān)測(cè)和分析結(jié)果送到結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，作為結(jié)構(gòu)安全特性評(píng)價(jià)的依據(jù)。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)選定點(diǎn)在風(fēng)荷載、地震作用下的振動(dòng)響應(yīng)，直接測(cè)量加速度振動(dòng)。

根據(jù)有限元仿真計(jì)算，確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最終布置圖。本項(xiàng)目旅檢大樓A區(qū)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量8個(gè)，交通中心動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量8個(gè)。

6.動(dòng)力參數(shù)分析

港珠澳大橋珠海口岸鋼結(jié)構(gòu)作為公共標(biāo)志性建筑，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，社會(huì)意義重大，為了確保施工完成后正常運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)的安全性，及時(shí)做好結(jié)構(gòu)安全的預(yù)警系統(tǒng)，特為本項(xiàng)目制定了一套完整的算法，通過(guò)各種實(shí)測(cè)的力學(xué)參數(shù)，識(shí)別港珠澳大橋珠海口岸鋼結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程的損傷程度。

結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別是結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)健康監(jiān)測(cè)中的最關(guān)鍵問(wèn)題。20世紀(jì)40年代到50年代，土木結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)主要是對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷原因的分析和修補(bǔ)方法的研究，監(jiān)測(cè)工作大多采用以目測(cè)為主的傳統(tǒng)方法;20世紀(jì)60年代初期，由于航空、軍工的需要，開(kāi)始注重對(duì)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)和評(píng)估方法的研究，結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)應(yīng)運(yùn)而生，相繼發(fā)展了一系列的無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)，多種現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)被應(yīng)用于土木結(jié)構(gòu)中。

在健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法與損傷監(jiān)測(cè)手段是密不可分的，在得到測(cè)量目標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果后就要對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行識(shí)別。

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