結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究
2015-06-18
1課題研究背景和意義
建筑結(jié)構(gòu)在服役期間，難免要遭受材料老化、地震、火災、強風和洪水等自然因素以及如建筑材料、設(shè)計、施工或使用過程中人為因素的影響而出現(xiàn)損壞，甚至將會導致倒塌等事故。隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展和對外交流的需要，近年來各地紛紛建造各種大型展覽中心、體育場館等大型大跨建筑，比如在北京2008年奧運會和上海2010年世博會上的一些大型建筑[1]，這些體育場館大多是大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)，造型獨特且體型龐大。由于這種大型公共建筑物具有很高的社會效益和經(jīng)濟效益，使之安全順利的建造成型并投入正常使用就具有極其重要的意義[2]。這些標志性建筑往往都需要投入大量的人力物力，而這些結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生破壞則其危害性極大，因此，如何對這些結(jié)構(gòu)在長期使用中或是在遭受意外后的結(jié)構(gòu)狀況做出及時而又準確的評估，就具有極其重要的現(xiàn)實意義，也成為世界范圍的熱點課題[3]。本文針對西寧體育場施工階段進行了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究。
2結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成
作為一種在線監(jiān)測系統(tǒng)的健康監(jiān)測，應(yīng)該包括以下幾個部分：
(1) 傳感器單元。
(2) 信號傳輸和處理設(shè)備
(3) 數(shù)據(jù)中心和預警設(shè)備及軟件。
本工程的健康監(jiān)測系統(tǒng)分為兩套系統(tǒng)：
系統(tǒng)一：光纖光柵測試協(xié)調(diào)測試系統(tǒng)：主要進行關(guān)鍵桿件和關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)力應(yīng)變、溫度、振動的長期健康監(jiān)測。
系統(tǒng)二：鋼弦儀應(yīng)力測試及靜力水準儀系統(tǒng)：鋼弦測試系統(tǒng)主要進行關(guān)鍵桿件和關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)力應(yīng)變、溫度的長期健康監(jiān)測；靜力水準儀系統(tǒng)主要是關(guān)鍵節(jié)點的長期撓度監(jiān)測。
在本工程中測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)構(gòu)成了結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)。
3工程概況
本項目是一個4萬座規(guī)模的體育場，總建筑面積為67955.96m2，場地長軸為南北朝向，看臺平面呈橢圓形；看臺外邊沿為圓形，平面直徑239.5m；外圍護幕墻圓直徑為257.5m。體育場鋼屋蓋直徑約為257.5m，采用40榀正放三角形管桁結(jié)構(gòu)。立面圍護幕墻采用由40個形狀大小一樣的四面體構(gòu)成的空間折面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其每個結(jié)構(gòu)單元與鋼結(jié)構(gòu)主體骨架相連。
4西寧體育場監(jiān)測方案
在整個體育場的施工運營階段，所監(jiān)測的項目有：結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測、結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測、風速監(jiān)測。
1、結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。
結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測的目的在于通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)的控制部位和重點部位內(nèi)力，然后對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布、局部結(jié)構(gòu)及連結(jié)處在各種載荷作用下的響應(yīng)進行研究，從而為結(jié)構(gòu)的損傷識別、疲勞損傷壽命的評估以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評估提供依據(jù)，同時通過對其控制點上的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)的變化來檢查結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)損壞或有潛在損壞的狀態(tài)[4]。
應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測大多采用電阻式應(yīng)變傳感器，但由于電阻式應(yīng)變儀的零漂，其接觸電阻的變化以及溫漂等將給系統(tǒng)帶來一定的誤差，再加上電阻式應(yīng)變傳感器壽命較短，所以從長期監(jiān)測和信號傳輸?shù)榷喾矫婵紤]，宜采用(或部分采用)適合長期監(jiān)測用的光纖光柵傳感器和鋼弦傳感器。
本項目采用光纖光柵應(yīng)力應(yīng)變傳感器，及混凝土應(yīng)變計以及鋼弦傳感器，數(shù)據(jù)采集采用光纖光柵信號采集分析儀及鋼弦采集分析儀。
2、結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測。
光電測距的方法主要是由安置在結(jié)構(gòu)上的菱鏡，配合與測量用的全站儀，從而形成光載波通信系統(tǒng)，全站儀是具有紅外激光探測功能的，利用此功能對菱鏡進行連續(xù)監(jiān)測，通過測量其每個菱鏡與全站儀的相對角度和距離后，最后再經(jīng)過系統(tǒng)計算確定結(jié)構(gòu)的外型及移動情況。
本項目在卸載階段采用高精度全站儀的測量方法。
結(jié)構(gòu)施工過程對選定測點的變形觀測可得到選定點三個方向的位移數(shù)據(jù)，重點是豎向位移，進行靜態(tài)觀測。
本項目在使用階段擬采用靜力水準儀。該儀器應(yīng)用了連通管原理，把地球重力面看做基準面，其連通管內(nèi)的液體介質(zhì)在重力作用下始終保持液面水平，通過采取對稱設(shè)計，它的測量方法是各測點與相對不動點間取差值，其浮子單元的導軌采用了中心對稱的雙層螺線函數(shù)片璜，通過浮子跟蹤液位變化，被測參考點的微小高差變化通過接桿轉(zhuǎn)化為標志桿的垂直位移，由傳感器檢測垂直位移信號。該儀器特別適合于要求高精度監(jiān)測垂直位移的場合，可監(jiān)測到0.05mm的高程變化，可以進行連續(xù)實時監(jiān)測。靜力水準儀監(jiān)測系統(tǒng)。
3、結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測。
由于結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的疲勞損傷的累積從而造成結(jié)構(gòu)的受損和安全性降低，而由于動荷載作用下的交變應(yīng)力作用才造成了結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。
當結(jié)構(gòu)的整體性能發(fā)生改變時，其模態(tài)參數(shù)(如振型、頻率等)也就會發(fā)生相應(yīng)的變化。對結(jié)構(gòu)的振動特性的連續(xù)監(jiān)測，我們可以考察結(jié)構(gòu)的疲勞響應(yīng)，進而結(jié)構(gòu)的安全可靠性也得到了考察。當提及結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)時往往會聯(lián)系到引起結(jié)構(gòu)整體振動的強振源，因此，當監(jiān)測到結(jié)構(gòu)的振動信息時，我們不僅可以用其來識別結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)，其對結(jié)構(gòu)承受波動載荷歷程的記錄也可以得到實現(xiàn)。
本項目在運營階段采用光纖光柵加速度傳感器。
4、結(jié)構(gòu)風速監(jiān)測。
風速監(jiān)測測點的布置安置在體育館屋頂上，測點數(shù)量為1個，及體育場和體育館共用一個測點。風速監(jiān)測在結(jié)構(gòu)使用過程中實施。
本項目采用機械螺旋槳式風速儀進行監(jiān)測。
2.4 監(jiān)測流程及計劃
整個監(jiān)測流程及計劃如下：當數(shù)據(jù)被布置在結(jié)構(gòu)重要位置的傳感器采集到后，通過電纜(或光纜)傳送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(安置于監(jiān)控室)上，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的計算機接收到采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)后開始進行動態(tài)分析，然后通過動態(tài)分析找出危險構(gòu)件所在的位置，最后相關(guān)人員及時趕赴現(xiàn)場進行排除隱患。本工程的健康監(jiān)測系統(tǒng)為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測自動化系統(tǒng)，它是能夠進行實時在線連續(xù)監(jiān)測、檢查結(jié)構(gòu)是否損傷或退化的最小人工干預的監(jiān)測系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)的施工及其使用階段，它可以有效地對其進行連續(xù)的實時在線動態(tài)監(jiān)測?？梢杂行У谋O(jiān)測結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，且可以監(jiān)測結(jié)構(gòu)在火災、地震、超載等異常情況下內(nèi)力和位移所發(fā)生的變化，并且可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的分析對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的剩余壽命進行預測。
