多层大悬挑结构安全监测系统研究与应用

2015-12-26由国文,李贺贺,郭春红

中国水能及电气化 2015年2期

关键词：应用

多层大悬挑结构安全监测系统研究与应用

由国文1，李贺贺2，郭春红2

(1.南水北调工程建设监管中心，北京100053；

2.国家工业建构筑物质量安全监督检验中心，北京100088)

摘要：当前，安全监测系统已被广泛应用于建筑施工过程及后期使用管理过程中。本文针对多层大悬挑钢结构安全监测需要，对监测系统进行了深入研究，并将监测系统应用于实际结构安全监测之中；通过对应力监测数据的分析研究，总结了多层大悬挑结构施工和使用期间应力变化规律，为类似结构设计、施工提供了有益参考。

关键词：多层大悬挑结构；安全监测系统；应用

中图分类号：TU17

Research and Application of Multi-storey Cantilevered Structural

Safety Monitoring System

YOU Guo-wen1, LI He-he2, GUO Chun-hong2

(1.ConstructionSupervisionCenterofSouth-to-NorthWaterDiversionProject,Beijing100053,China;

2.NationalTestingCenterforQuality&SecuritySupervisionofIndustrialBuilding,Beijing100088,China)

Abstract：Currently, safety monitoring system has been widely used in building construction process and post-use management process. In the paper, the monitoring system has been thoroughly studied aiming at multi-storey cantilevered steel structure safety monitoring needs. Monitoring system is applied to actual structure safety monitoring. Stress monitoring data are analyzed and studied, stress change rules during the process of multi-storey cantilevered structure construction and use are summarized, thereby providing beneficial reference for design and construction of similar structures.

Keywords：multi-storey cantilevered structure; safety monitoring system; application

1概述

安全监测系统主要是指利用传感器将荷载、温度和风力等因素产生的结构物理量的变化转变为可传输的信号，然后利用解调仪以及电脑中枢控制系统重新识别数据，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制等，以确保建筑结构的安全。目前，随着结构形式的增多和现代建筑行业的发展，安全监测系统已被广泛应用于建筑施工过程及后期使用管理过程。北京市奥运工程五棵松体育馆大跨度钢结构，在施工过程中应用了应力安全监测系统，并且取得了良好的实际效果，在施工过程及后期使用过程评估中均起到了重要作用[1]。

建筑物的建造是一个逐渐生成的动态过程，在这个过程中，结构依次生成、材料逐渐成型、荷载依次施加。工程竣工状态结构的内力和变形，是各施工步骤效应依次累积的结果，与施工过程“路径”和“时间”效应有着密切联系，与设计计算所考虑的荷载工况差别极大。设计对复杂的施工过程和使用状态是无法预料的，而安全监测系统的应用能够最大限度地了解结构现阶段性能，对突发状况做到预测、评估和报警，保证结构长期使用过程中的可靠性[2]。同时，也为新型复杂结构安全控制设计和研究，提供大量实时监测数据。

多层大悬挑形式的钢结构整体性相对较差，施工过程中，大量的临时不均匀荷载堆积，结构受力和变形存在较大的不均匀性，如对其控制不当则很难达到施工质量要求，甚至会留下结构安全隐患。实时监测施工过程能够及时、快速、准确地了解到关键点位置的应力变化，通过监测数据反映结构状态的安全性和准确性，当出现偏差或危险状态时，能够及时调整施工过程，以保证施工质量和结构安全。

2应力安全监测系统的研究

应力安全监测系统主要由应变传感器系统、数据采集和传输系统，以及数据管理和分析系统三部分组成。

2.1应变传感器系统

应变传感器系统主要包括应变传感器、温度补偿传感器和保护罩。应变传感器主要包括振弦式传感器、电阻应变传感器和光纤光栅应变传感器。光纤光栅应变传感技术基本原理是由光发送器发出光源经过光纤传送给敏感元件，在敏感元件中，光信号的某一性质受到被测量构件的调制，发出已调光，经接收光纤耦合到光接收器，使光信号转变为电信号，最后经信号处理系统得到所需要的被测量数据。光纤传感器相比传统的应变传感器，具有灵敏度高、测试精度高、体积小、重量轻、对结构构件的影响小、不受电磁场的干扰、长期使用稳定性好、信息损耗小、可远程监测等优势；在监测系统组网方面，具有信息传送量大和信噪比高等优点[3]。实际监测结构的测点数量多且分散，为减小监测信号传输噪声，考虑可能进行动态应变测试的情况，本文监测系统应变测试采用先进的光纤应变传感新技术，以确保监控的实时性和准确性，并实现了无线远程监控。

由于光纤传感器温度敏感性比较高，为了消除温度变化本身对监测数据的影响，温度补偿传感器位置的设置应考虑结构日照和使用期间的温度分布情况，将温度补偿传感器分区安装，达到每个应变传感器均有对应的补偿温度，同时，采取控制变量的方法，在传感器安装前将应变传感器安装在与结构相同材料上进行补偿试验，获得应变随温度变化的影响系数。传感器安装中采取遮挡日光直射措施，尽量减小环境温度变化的干扰。

2.2数据采集和传输系统

数据采集系统，是指使用数据采集模块对传感器采集到的信号进行重新识别，并把采集到的数据根据设定好的模式存储到模块内。数据采集需要既能够对多个传感器进行整体性数据采集，又要能够在需要的情况下，对单个传感器进行数据读数。数据采集系统必须支持人工数据采集和计算机自动数据采集。在传感器安装期间，受施工进度等客观因素的影响，当需要对已经安装的测点进行数据采集和监测时，需要进行人工数据的采集；当整个应力传感系统安装完成后，设定模块的定时自动采集，才能实现监测数据的计算机自动采集。

应力传感监测系统流程如下页图1所示。数据的传输采用光纤传输，光纤传输为无电光线传输，单程传输距离可达到5km，监测系统的全程最大传输距离可达到10km，能够最大限度地适应各种监测环境，而且光线传输系统既能避免传输过程中数据信号的衰减，又能保证不受其他电磁信号的干扰，确保传感器在传输工程中快速、准确。由于施工现场的情况比较复杂，为保证后期监测系统的长期安全工作，对传输数据光纤应合理布置，接口处应进行保护，防止在雨雪等特殊天气下受到损坏。

图1　应力传感监测系统流程

2.3数据管理和分析系统

数据管理和分析系统，主要指针对采集到的数据进行智能分析的控制性软件，以及实现应力监测系统的远程操控。数据分析软件首先应能通过对获取的实测数据进行校准和可靠性测试，来提取出有效的数据，屏蔽无效的数据；然后还要求软件能够以各种方式对数据进行可视化处理，为结构安全状况识别和评估做出实测数据支持。数据分析软件需要包括实时监测、历史查询、趋势分析、模态分析和年、月、日报表等功能模块，同时，设定报警系统，实现当读取的有效数据超出安全设定值时，能自动提醒监测人员，当情况特别紧急时，能够连接报警装置，引起室内人员注意，起到提醒、保护工作人员的作用。

随着计算机技术的发展，远程操控功能已经变成了现实，监测人员在办公室就能对施工现场的监测系统进行控制，用“结构构件—时间间隔—应力界限”相结合的方式进行数据查询，并对当前数据和历史数据进行实时调用，这既能够极大提高监测人员的工作效率，也可以起到实时、迅速和准确监测的作用。

3应力监测系统的实际应用

某体育馆工程最大高度30m，结构外形总体呈下部楼层收进、上部楼层多层大悬挑形状。屋面平面为正方形，尺寸为120m×120m，最大跨度83m，悬挑桁架长度43m，采用放射状布置大跨度钢管相贯桁架结构。

为了保证大悬挑桁架在结构施工过程中安全可靠，应力监测系统成功应用于该体育馆工程施工监测和后期使用过程中，对重要部位的应力变化进行实时监测。

应力监测主要包括监测施工过程中的应力变化，以及结构在使用期间受季节温度、大风大雪等荷载状况下的工作情况等，为结构在后期长期使用过程中的安全可靠性评估提供重要的数据依据。

3.1监测点布置

传感器位置的确定是应力监测系统在实际工程应用中的一个非常重要的环节，只有准确定位每个传感器布置点，才能进行传感器的定制和加工，保证后续工作的顺利进行。每个传感器的布置点都必然是结构系统中关键的重要位置，是结构中应力最不利且能反映结构实际工作状况的位置，只有找到结构中的这些控制点，才能实现对结构的安全监测，采集到的数据才有其应有的作用和意义。根据对结构形式的分析，该工程结构体系采用大悬臂转换桁架—钢框架支撑体系，并通过外围密肋框架柱将转换桁架及屋面悬挑桁架联系为一个整体共同工作，因此，传感器布置点应设在悬挑梁的端部与主体结构相连接的部位。同时，为反映整体结构及局部不均匀变形状态，对项目全部20榀(详见图2，编号为1至20)悬挑桁架结构进行监测。传感器布置点的设定是结合施工规划和理论分析之后确定的结果。该工程中布置点设置在桁架的侧面，距离上翼缘表面20cm，距离悬挑梁端部2m处，传感器固定方式为点焊。

图2　桁架编号

桁架监测杆件及传感器布置见图3。

图3　桁架监测杆件及传感器布置注：带◆者表示应变监测杆件；每个监测弦杆在距离柱边2m位置处布置4个应变传感器。

3.2应力监测系统安装

应力监测系统安装，主要是指传感器的安装、保护措施的应用和从传感器到数据采集模块再到数据中枢系统的传输系统的布置。

当确定传感器安装位置后，在对现场实际情况进行考察的基础上，了解目标结构的安装点离地面的高度、结构的施工进度计划、后期装修设计方案及应力监测系统安装需要的工具和工作平台等相关信息，制定传感器安装方案，按照批准的安装方案实施监测系统安装。

该工程采用敏感度高、体积小的光纤传感器进行应力的实时监控，由于目标结构为环形闭合结构形式，采取相邻的3榀或4榀桁架传感器汇总到一个数据转换模块，然后把所有数据转换模块进行串联连接到数据中枢系统进行数据的采集。这些都是为了确保后期的应力监测过程能够顺利地运行。

数据中枢系统主要包括数据采集模块和公共机，放置在建筑的监控室内，以确保数据中枢系统能够连接到互联网，实现应力监测系统的远程操控。

4应力监测数据的分析

数据采集模块采集到的数据，经数据传输系统传输到中枢控制系统。首先根据概率估计进行误差分析，剔除无效数据；然后重点分析焊接过程中焊接点附近传感器的应变数据和上部荷载变化、温度变化对应变传感器数据的影响。

4.1焊接施工对其周边钢材应变的影响

在距离8下-1和9下-1监测点位置10cm处，根据结构施工需要，在传感器安装后对其进行了焊接施工，施工前后该处传感器应变数据变化情况如图4所示。

图4　焊接施工影响的传感器应变数据注：8下-1为8号桁架下弦杆上表面传感器的读数，9下-1为9号桁架下弦杆上表面传感器的读数。

图4为受焊接影响的两榀悬挑桁架根部杆件应力随时间变化情况。由图可知，受焊接施工的影响，其周边传感器的应变数据大幅度增加，最大从2.4με增加到583.6με，表现为拉应力。焊接过程是一个局部不均匀加热然后冷却的过程，其周边会形成大小不等、分布不均的残余应力场，其残余应力分布为焊缝中心出现压应力，然后随着距离的增加，迅速转变为拉应力，直到25cm处出现拉应力最大值，然后拉应力逐渐减小，最后过渡到压应力【4】。而传感器距离焊缝10cm处，残余应力为拉应力，与实际监测数据相符，充分肯定了监测系统的实用性和精确性。监测数据的变化规律也说明随着时间的持续，焊接残余应力逐渐减小，结构自身的内力在不断进行调整并逐渐减小局部残余应力对其造成的影响。

4.2钢结构悬挑桁架应力受温度的影响

图5、图6为冬季一天中的11下-1处监测点位置传感器的应变变化和温度变化值，在一天最大温差为10.9℃的情况下，应变数据变化为3.7με。由图可知，应变随时间的变化规律与温度变化规律相同，温度的变化对桁架端部应力的变化影响较小。右表中为监测结构中三种不同桁架上某一监测点，在夏、秋、冬三个不同季节温度下无上部活荷载情况下的应变数据，在夏冬温差为62℃时，最大应变变化为28.5με。温度引起材料的热胀冷缩，在结构两端受到约束时，其内部将产生由于热胀冷缩而造成的应力变化，同时，大型结构受热不均，也会在结构内部产生由于温度分布不均造成的应力。但是，由于悬挑梁一端为自由端，温度对钢结构的应力在悬挑梁的自由端部很大程度上被释放，温度变化对悬挑梁桁架的应力影响较小，这些与实际监测数据的变化规律一致。

图5　一天中应变的变化

图6　一天中温度的变化

构件温度/℃356-27长桁架(1下-1)-63.7-69.7-79.2中桁架(2下-1)160.4149.1131.9短桁架(3下-1)-430.7-450.2-465.1

4.3钢结构悬挑桁架应力受上部荷载的影响

在施工过程及后期使用管理过程中，上部的荷载变化均会造成钢结构悬挑桁架应力的变化，从而引起传感器数据的波动。图7为11下-1监测点应变数据随时间的变化图。图中AB段为混凝土楼板浇筑工程中应变数据的变化曲线，BC段是周边框架玻璃幕墙施工过程中的应变曲线，CD段为玻璃幕墙施工完成后周边荷载撤走后的应变曲线，而E-F-H段是建筑结构中该监测点上方有大量临时荷载堆积和荷载移开后引起的应力变化曲线。施工结束后，在使用过程中数据基本处于稳定状态，这种应力的变化说明在监测过程中数据随上部荷载的变化在实时发生改变，而应力监测系统能够准确实时地捕捉到这一变化引起的应变变化，这就反映了应变监测系统的实时性和准确性，后期稳定的数据曲线也说明了结构良好的安全性和使用性。