大跨空间结构健康监测系统运营期实测数据分析<br/>——以海峡国际会展中心为例

大跨空间结构健康监测系统运营期实测数据分析
——以海峡国际会展中心为例

2019-04-16张伟

福建建筑 2019年3期

张伟

(1.福建省建筑科学研究院福建福州 350025；2.福建省绿色建筑技术重点实验室福建福州 350025)

0 引言

自20世纪90年代以来，土木工程结构的健康监测[1-2]因其持续、在线、实时、可预警、智能化等监测特性，日益成为学界及工程应用领域的研究热点，除了相关的理论基础研究外，亦不断有相关的工程应用研究见诸报导，但多数对于运营期结构的健康监测实测数据分析研究多集中于桥隧结构[3-5]，大跨空间结构的实测数据分析研究尚属少见。基此，本文以布置于海峡国际会展中心屋盖结构上的健康监测系统[6]为例，分析在运营环境下系统实测数据的可靠性。

1 海峡国际会展中心结构健康监测系统简介

海峡国际会展中心结构健康监测系统，是一个以福州海峡国际会展中心钢结构屋盖为平台，应用现代传感、通信和网络技术，优化组合结构监测、环境监测、综合报警和信息网络分析处理子系统为一体的综合监测系统。它实时监测福州海峡国际会展中心钢结构屋盖在各种环境、荷载等因素作用下的结构响应，在特殊气候或运营条件下以及结构状况异常时触发预警信号，并能有效地提供福州海峡国际会展中心结构维护、维修以及运行管理的科学依据，显著提高结构的整体管理水平，从而能够最大限度地确保结构安全运营、预诊断结构病害和延长结构使用寿命。其监测对象的主要结构示意如图1所示。

2 监测内容及系统组成

2.1 监测内容

根据结构的受力特点和安全监测的要求，确定的主要监测内容包括环境荷载、结构响应和重点病害两类：①结构响应：整体结构形状、沉降、杆件应力应变、大跨度构件振动等；②重点部位可能病害：柱顶支座滑移监测等。该工程依托“福州海峡国际会展中心工程若干关键结构技术研究”课题对屋盖结构实施了风振、温度效应、结构静力及动力稳定性分析，其中风振分析主要是结合风洞试验报告，并利用MATLAB语言编写的基于AR法模拟脉动风速的程序，给出福州海峡国际会展中心结构的风荷载时程曲线。温度效应、结构静动力稳定性分析，均采用空间有限元模拟分析的方式得到该屋盖结构的主要响应特性，详细结果参见文献[7]。监测部位的确定，建立在上述详细的结构易损性的分析结果基础上。福州海峡国际会展中心的监测部位及内容如表1所示。

表1 监测部位及内容

2.2 系统构成

福州海峡国际会展中心结构健康监测与安全评价系统，包括数据测量系统和数据管理与分析两大子系统。其中，数据测量系统由传感器子系统和数据采集与传输子系统有机组成，数据管理与分析系统包括数据处理和控制子系统和结构健康评估子系统。

该健康监测系统具有以下特点：具有同步、实时、长期、连续地对数据进行采集的功能；具有强大的数据传输、处理、显示、存档和远程共享能力；具有自检、校准、控制功能；具有正常状态评估和突发事件况评估的能力；具有良好的可更换性和升级能力。

其中，传感器的布设原则，主要是在文献[7]对会展中心理论分析的基础上，对振动和应变等测点的布置进行了优化布设理论分析，然后依照提出的传感器布设依据，综合考虑有限元分析结果、传感器优化布设理论分析结果以及构件重要性、易损性分析之后，对会展中心结构健康监测系统的传感器进行了布设。共布设振动传感器16支，应变计140个，温度计7个，详细测点如图1～图2所示。根据光纤光栅在同一光纤上可实施不同波长调制的特点，应变计均通过串联方式将3～6个传感器布置于同一采集通道中，从而节省了该系统的采集器成本。此外，在屋顶中央处另布设一风速仪对风速进行测量。

图1 屋盖结构简图及加速度计布置示意图

图2 屋盖应变计、温度传感器布置示意图

3 监测系统数据分析

3.1 振动响应监测数据分析

为了验证监测系统实测数据的可靠性，选取其中的4个通道，基于AR法，根据系统测得风速数据，生成相应的风速时程，得到会展中心的响应，并和监测系统的实测数据进行对比分析。如图3～图6所示，分析结果表明，两者之间虽有差异，但吻合程度较好，峰值也比较接近。

3.2 实测温度数据分析

温度变化是大跨度钢桁架的重要荷载源之一，常引起大的变形和桁架线形的改变，是监测重要内容。同时也可以作为光纤光栅应变计温度补偿。通过实时监测会展址处的环境温度，屋顶各主要构件的温度及温度梯度等数据，为分析结构的受力和变形、分析结构状态参数的相关性提供依据。然而，本次较为遗憾的是，所布设的7个温度传感器中其中一个所对应采集的通道故障，另有一通道数据虽可反映温度变化趋势，但数值上出现了明显的零点漂移。因此，对该通道实施数据分析前，应对其零点漂移实施修正，但因其反映的温度变化趋势，在实施与应变的相关性分析时，仍可得到需要的分析结论。图7～图9所示为2011年9月份中连续3d结构温差变化较大的典型数据曲线。

图3 通道1的加速度时程曲线对比

图4 通道2的加速度时程曲线对比

图5 通道3的加速度时程曲线对比

图6 通道4的加速度时程曲线对比

图7 典型温度数据1

图8 典型温度数据2

图9 典型温度数据3

根据福州气象资料，2011年9月份最低气温是19°C，最高气温是34°C。以上监测通道15的温度数据，均出现在零摄氏度以下，表现为明显的零点漂移，属于不正常数据。

3.3 应变实测数据分析

应变监测是以结构应力计算分析为依据，监测主要支承构件的应力应变状态，校验、评估结构的应力安全状态。由于本系统所安装的应变传感器数量较多，测得的数据量庞大，本文仅选取其中1个通道、6支应变计在与图7～图9所对应的日期内所测得的应变时程曲线进行分析，所记录的数据如图10～图12所示。根据温度和应变时程曲线可知，构件的应变变化和温度变化基本呈正负相关形态，表明监测数据基本可靠。

3.4 构件应变和温度的相关性分析

从时程曲线分析中可看出温度对会展中心结构应变的影响很大，随着温度的变化，会展中心结构中的部分构件和温度是正相关，部分构件是负相关。为进一步明确温度和应变的相关性，研究温度对会展中心结构应变的影响，利用温度应变的测试结果，得到温度和结构应变变化关系，进行回归分析。选取通道7和传感器4及传感器6的数据实施详细分析，得到的回归分析图以及统计分析表如图13～图14,表2～表7所示。