大跨度钢结构网架健康监测的探讨

蓝燕强

（北京铁路局，北京 100860）

1 大跨度网架健康监测的意义

所有的结构，无论自然的还是人工的，在其存在期间都会累积损伤。健康监测就是利用现场的、无损伤的监测方式实时获得结构内部信息，分析包括结构反应在内的各种结构系统特征，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，从而及时了解结构因损伤而造成的改变以及结构的工作状态。健康监测的过程包括：通过一系列传感器得到系统定时取样的静力或动力响应测量值，从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子，并对这些特征因子进行统计分析，从而获得结构当前的健康状况。对于长期的健康监测，系统得到的是关于结构在其运行环境中老化和退化所导致的完成预期功能变化的适时信息。

2 结构健康监测技术的应用现状

结构健康监测系统最开始用于大型重要的桥梁结构，20世纪80年代中后期开始，各种规模的桥梁结构健康监测系统相继建立起来，用以验证设计假定、监视施工质量和服役安全状况。近年来，随着经济和科技的发展，健康监测系统已在特种结构、超高层建筑结构、大跨空间钢结构、深基坑支护工程中得到广泛应用。

在大跨度建筑结构的应用方面，一些新建的大跨度体育场馆及公共建筑普遍采用了结构健康监测技术。2002年深圳市民中心屋顶长486m、宽156的网架结构中搭建了国内较早的大跨度结构健康监测系统。2008奥运会羽毛球馆新型预应力弦支穹顶结构、济南奥体中心场馆钢结构等都分别安装了全寿命健康监测系统。

3 健康监测的技术路线及实施方案

3.1 健康监测的技术路线

图1 健康监测的技术路线

3.2 健康监测的内容及测点布置方案

对房屋网架除定期进行常规的维护与保养外，还应对外部荷载作用和结构反应两大部分进行健康监测，以掌握结构在施工及建筑物整过使用过程中的工作状态，确保结构安全。健康监测包括对关键部位构件应力和变形、结构表面风压、结构振动及温度监测。

3.2.1 钢网架关键部位变形监测

结构变形是结构状态改变最灵敏与最精确的反映，因此对结构变形的监测能够更为准确地把握结构恒载内力状态的改变。部分的结构损伤也将导致变形情况的异常，通过对变形的监测也可识别出这些损伤来。因此，结构变形的监测对于修正结构有限元模型、确定内力状态并对结构损伤进行识别，均具有重要的意义。

3.2.2 钢网架关键部位应力、应变监测

在荷载作用，同时受到构件尺寸、材料性能、安装偏差、构件连接、焊接残余应力、温度变化和施工质量等复杂情况的影响，部分构件有可能会出现局部的应力集中现象，对关键部位应力、应变监测应该重点关注。应力应变监测点选择边跨、中跨及特殊关键位置的网架杆件布置，每个关键位置选取2～3根杆件布置。

3.2.3 结构表面风压监测

大跨网架结构为典型风敏感类型结构，表面风压监测是监测的重点。

3.2.4 结构振动监测

大跨度钢网架结构阻尼较小且自振频率较低，结构与风发生耦合振动的概率较高；另外，由于自身内部动荷载，包括设备的振动，空调的振动以及房屋内人流物流引起的振动，这些振动的频率多集中于0～25Hz，与结构主频、外部风振的主频非常接近，为了保证结构安全，有必要对结构关键部位进行振动监测，并设置振动幅值上限，以预警结构安全及设备正常运转。

另外，风振及空调机房等振动可能会对装修结构（如玻璃幕墙、排水系统等）造成影响，引起局部松动或漏水，腐蚀钢结构，影响结构、人员安全，因此有必要对局部结构进行振动监测或定期检测。

3.2.5 温度监测

大跨度拱形钢网架结构投入使用后，室内设有空调、供暖系统，夏季与冬季时室内外的温差较大，为防止幕墙等装修结构因温度变化较大而发生较大变形或松动，可对结构内部适当位置设置温度监测点，时刻监测温度变化，控制室内外温差在一定范围内。

3.3 监测数据的采集及分析

采用相应的数据采集处理设备对结构健康监测传感器所获取的数据进行信息分析处理，同时对数据进行实时传递。数据信息产生后以信号的方式存在，可以应用有线或无线系统将监测数据传递到数据分析中心。获取结构监测数据后采用相应的方法对其进行分析，通过结构参数包括静力和动力的参数的反应来判定结构是否存在损伤以及结构的损伤情况。

3.4 安全评价与预警

根据监测的内容和布置以及对结构影响比较敏感的因素制定结构工作状态的安全评价标准，如风压值以及结构振动幅值范围，局部敏感部位的应力应变限值等。根据不同的情况还可制定分类的不同的安全评价标准，并采取相应的措施。通过对监测数据的分析，实时监测结构的工作状态，并对结构的安全状态做出判断，及时地进行预警和采取相应的措施，从而保证结构安全避免事故的发生。

[1]韩志伟.铁路客站大型复杂结构健康监测研究与思考[J].铁道经济研究，2011（6）.

[2]瞿伟廉，等.风力作用下深圳市民中心屋顶网架结构的智能健康监测[J].建筑结构学报，2006（1）.