大跨度钢结构健康监测数据研究_徐明春.pdf

：大跨度钢结构健康监测数据研究徐明春（诸城市化工产业服务中心，诸城 ）摘要：针对某大跨度钢结构人流量大、安全级别较高而引起的对其安全性和可靠性关注，通过对结构建模，找出关键构件并在上面安装振弦式应力应变计和水平位移计，并在部分柱脚安装沉降位移计。通过传感器数据对关键受力结点的应力应变和屋面结点的位移进行结构健康监测，评估该结构是否存在安全隐患，为其安全运营提供依据。关键词：大跨度空间结构；结构健康检测；损伤识别；技术：应力监测 （，）：，：；收稿日期：作者简介：徐明春（），硕士，高级工程师 ：大跨度空间结构建筑能代表一个国家的建筑水平，具有极高的社会意义与价值。这些大跨度、复杂的空间结构往往超出一般建筑标准的范围，不能按照传统的规格设计和建造，需要单独进行试验论证分析其可行性。虽然在正式开始建造之前进行了大量的模型试验和计算分析，但由于偶然发生的环境灾害和结构在长期使用中将面临的疲劳效应、腐蚀效应和材料老化，构件将受到破坏，性能将降低，从而导致潜在的安全隐患。信息技术的发展为传统的大跨度空间结构健康监测带来了深刻变革。依托快速发展的信息技术，结构健康监测系统能够通过大数据处理技术及时识别结构的安全隐患，预测结构的性能变化，减少工程事故的发生以及由此造成的生命财产的损失。在这样的时代背景下，大跨度空间结构的结构健康检测系统的开发以及监测数据分析处理技术在土木工程方面的应用也得到了快速的发展。目前，国内外新建或正在服役的大型桥梁、大跨度空间钢结构均增设了结构健康监测系统。例如美国的 斜拉桥、中国香港的青马大桥、内地的苏通大桥等大型桥梁都安装了上百个加速度传感器和应变计，其中一些监测系统还配备了高精度的 位移监测系统；国内的广州新电视塔、青岛胶东国际机场航站楼、深圳大运会体育场等大跨度空间钢结构也都安装了几十个加速度传感器和应变计用于长期的结构健康监测。结构健康监测是在对结构正常使用不造成影响的前提下，基于现场的无损伤传感技术，通过对结构进行数据采集并进行系统性的分析，对结构的损伤、退化进行诊断，对损伤敏感指标进行提取，以确定当前结构的健康状态，并对结构的承载力、可靠性、耐久性还有周边环境的变化进行综合评估，为结构在突发情况下或结建材世界 年第 卷第期构状态异常时发出预警，以及为结构的维护、养护与管理决策提供指导和依据。工程概况某场馆共有 、三个场馆，其中 和 两个场馆为大跨度钢桁架结构，馆长 、宽（图），馆长 、宽。该工程基础采用柱下桩基础，下部为混凝土柱，上部为钢桁架结构。桁架受力件均采用 圆钢管，桁架间连接采用 方钢管连接，钢管间采用焊接连接。该结构健康检测系统的采集部分主要由振弦式应力应变传感器来获取结构关键杆件的应力应变信息；由位移传感器来得到结构的沉降及屋面各关键结点的水平位移信息。振弦式应力应变计与位移传感器均采用铜线双绞线为监测数字信号的传输介质。前期准备工作对于大跨度空间结构的结构健康监测，首先基于结构的设计使用 以及 软件建立力学分析模型，输入设计荷载进行计算，分析结构在承载力极限状态下杆件的受力情况、端点位移、杆件挠曲线和振型频率等参数。将两个软件的分析结果进行对比，结果大致吻合后予以采纳，并以此为依据确定最佳测点布置方案。由于此结构在监测传感器安装时已经处于接近完工的状态，需要确定结构在承受荷载前的初始状态。借助结构力学基本假定，采用叠加法进行结构受力分析，逐项减去施加在当前结构上的荷载，获得结构在承受荷载前的初始状态。结构健康监测系统的组成结构健康监测的目的是针对工程结构长期服役安全的要求，建立一种最少人工干预的状态监测、特征识别和状态评估的自动化系统，为结构的管理和养护提供决策支撑。一套完整的结构健康监测系统通常包括五个部分：传感器子系统、数据采集子系统、数据传输子系统、数据存储与管理子系统、结构预警与评估子系统，。传感器子系统传感器子系统主要由能够感测环境与荷载作用、结构响应、结构几何变形、结构耐久性这四类物理量的传感元件组成，依据结构力学原理进行优化布置，实现对结构整体和局部性能的全面感知。数据采集子系统数据采集子系统包括硬件采集设备和软件模块，以实时、定时、触发或混合的模式采集各个待感测物理量，其需要对各种类型传感器信号进行同时控制、同步采集和高速解调，实现监测数据的高质量获取。数据传输子系统数据传输子系统包括传输线缆、交换机、信号收发器和放大器等，以总线型、环型、星型、树型或混合型结构进行组网，通过有线或无线的方式将采集的数据传输到数据存储与管理子系统。数据存储与管理子系统数据存储与管理子系统由中心数据库、数据管理软件及硬件等组成，提供监测数据和结构自身信息的存储、查询、调用和简单的统计分析功能，也可以通过人工智能算法进行缺失数据的填补和对明显异常数据的剔除等工作。建材世界 年第 卷第期结构预警与评估子系统结构预警与评估子系统主要由高性能计算机和专业分析软件组成，其功能是对预处理过的数据进行力学分析，包括模型修正、模态识别、损伤诊断、状态评估、寿命预测、维护决策等。监测目的）有效监测结构运营使用阶段结构的变形状态、关节部位和关节构件的受力和安全状态，实现对重要构件应力超限的预警。）及时发现结构响应的异常、结构损伤或退化，确保结构运营安全。）可以在台风、地震及其他灾难性事件后及时获取关键构件的状态，实现有效的安全评估。监测结果）结构的部分应力监测结果见表。根据振弦式应力应变计量测的结构应变值乘以钢材的弹性模量即为结构的应力。从整体监测的应力数据分析整个结构的应力状态的受力范围在 之间，杆件受力均小于钢材设计强度。）结构的部分位移监测数据见图图。根据近半年的沉降监测数据可以得出该结构的沉降已基本处于稳定状态，由、方向位移监测结果可以看出，此结构运营期间屋面结构未发生明显位移，即结构在运营期间结构构件未发生明显变形。表应力监测结果机箱通道应力 是否超限号静态 否静态 否静态 否静态 否静态 否静态 否静态 否静态 否结构损伤识别与预警结构损伤识别是指对结构进行检测和评估，判断结构是否存在损伤，确定结构损伤的部位和程度以及结构目前的健康状况、使用功能和结构损伤随时间的变化趋势。在结构局部或整体损伤到达一定阈值时，触发警报进行预警，通知维护人员开展进一步的检测、维修、维护工作，使结构重新回到安全的工作状态。杨秀龙建材世界 年第 卷第期等提出使用小波分析方法对动力荷载作用下结构损伤位置进行识别；殷栎淮等提出基于智能钢筋网络的结构健康检测，可以识别混凝土中的裂缝位置从而进一步确定结构的具体损伤位置。在此项目中，由于钢结构设计的冗余较高，具有较高的强度储备空间，故采用较为简单的识别方式，将其设置为构件最大应力达到构件屈服强度 时即开始预警，在构件最大应力达到构件屈服强度 时认定为构件出现损伤。根据近半年来的监测数据可以看出，该结构健康状态良好，在监测的关键构件位置并未出现结构损伤。可视化处理将前期准备工作中建立的 与 模型导出到 软件中建立结构的 模型，可以将监测数据对应绑定到安装了传感器的构件上。当监测数据出现异常，构件应力发出预警时，可以直接在 模型中标识出来，方便管理人员对其进行定位。结语根据前期构件应力监测数据，该结构的钢结构杆件的应力水平处于受控状态，即结构主要受力构件的应力水平远远小于结构材料的极限应力；根据结构结点沉降位移和水平位移监测数据，该结构未发现明显位移，处于安全可控状态。综上所述，该结构的各项指标正常，处于安全可靠状态。参考文献张启伟大型桥梁健康监测概念与监测系统设计同济大学学报（自然科学版），（）：，：，刘斌大跨度空间网格结构健康监测中传感器优化布置方法研究青岛：青岛理工大学，刘峰青岛胶东国际机场健康监测系统设计与数据缺失修复数值模拟计算分析青岛：青岛理工大学，李宏男，李东升 土木工程结构安全性评估、健康监测及诊断述评 地震工程与工程振动，（）：，（）：杨秀龙，高永刚，展广治，等小波分析在桥梁健康检测中的应用研究低温建筑技术，（）：殷栎淮，吴凡基于智能钢筋网络的结构健康监测低温建筑技术，（）：（上接第 页）力作用下，当喷射角度增大时，管片中部位置处均会形成一个较为稳定且连续的应力集中区，并随着喷射角度增加而逐渐减小；此外还发现，当喷射方向与井壁平行或垂直时，管片中部都不会出现喷涌现象。然而，若喷射方向与井壁呈一定夹角时，则可能会出现喷涌现象。总结与展望通过对富水层段的研究分析，提出了一些新的技术措施和建议。在富水地层中采用“掘进支护注浆加固”联合施工方法可以有效地防止涌砂问题发生并提高隧道安全性；同时也可避免因喷涌引起的地面沉降等不良后果。但是论文仅针对某一段富水砂岩地层进行了工程应用实践，其防控效果还有待进一步验证。参考文献刘琦 富水砂层地铁施工的土压平衡式盾构机喷涌控制技术 中国设备工程，（）：李昌富水砂层地铁施工中的土压平衡式盾构机喷涌控制技术建筑技术开发，（）：朱海军，周明洋富水砂层地铁施工中的土压平衡式盾构机喷涌控制技术建筑施工，（）：宁小平富水地层土压平衡盾构防喷涌施工技术福建建材，（）：鲁凤，庞培彦 浅谈土压平衡盾构机防喷涌的方法 城市建设理论研究（电子版），（）：建材世界 年第 卷第期