太原植物园主入口结构健康监测方案分析★

张 杰，郝 冬，许宸嘉，焦晋峰，雷宏刚

(1.太原植物园，山西 太原 030025； 2.太原理工大学土木工程学院，山西 太原 030024)

0 引言

结构健康监测是一种实时的在线监测技术，指运用现场的无损传感技术，通过分析结构响应以达到监测结构是否发生损伤或老化的目的，是保障复杂的大型土建结构安全和实时维护的有效方法。通常测点数量越多，对结构整体状况的把控也会更全面，然而实际工程应用中需要考虑监测的经济性与效率，故在满足经济性与可靠性的前提下合理布置传感器成为国内外学者研究的热点问题。文献[1-3]对测点的优化布置进行了研究讨论，提出传感器的优化布置原则；针对复杂大跨空间结构的测点优化，很多学者提出了不同的优化方案[4-5]，主要为有效独立法、模态动能法、模型缩聚法、QR分解法、遗传算法以及敏感性分析法等；文献[6-7]在传统测点优化布置方法的基础上展开研究，丰富了传感器测点布置的理论。

本文依托太原植物园主入口大跨悬挑空间钢结构为工程背景，从应变监测、风速风向监测、温度监测与振动监测四个方面实时监测植物园主入口，基于对结构的有限元分析研究主入口各类传感器的优化布置方案，旨在为结构的后续健康评估与可能存在的加固鉴定需求提供数据支持。

1 工程概况

太原植物园位于山西省晋源区太山脚下，总面积约1.82×106m2。该工程是太原市巩固国家园林城市成果，创建国家生态园林城市的重要条件之一。园区内主要有5大建筑，分别为主入口建筑、展览温室、盆栽博物馆、滨水餐厅、科研中心。本次健康监测的主入口建筑为双向桁架组成的悬挑钢结构，纵向跨度71 m，横向跨度40 m～58 m，最大高度13.4 m，最大悬挑长度40.5 m。主入口上部结构采用钢管桁架体系，纵向为悬挑主桁架，横向为次桁架。结构中部由于自动扶梯通道开直径约30 m的大洞口，洞口穿过绝大部分的横向次桁架。其结构体系示意图如图1所示。

太原植物园主入口作为植物园的重要建筑区域之一，是一个大跨度、大悬挑的钢结构。其结构形式新颖、构造复杂、受力敏感。与此同时，建成运营之后，主入口作为植物园最主要的观光区域之一，其巨大的人流量决定了它应具备很高的安全级别，否则一旦发生灾害事故，将会造成巨大的生命和财产损失。因此，针对可能出现的不同形式的损伤，对主体结构在服役期进行健康监测、诊断以及对各种灾害影响下的损伤预测、识别与预警，不仅具有重要的科学价值，更具有重要的现实意义。

2 结构有限元分析

2.1 有限元模型及分析结果

本文采用Midas/Gen(2021版)有限元计算软件对太原市植物园钢结构主入口建立结构的三维力学模型，主要由框架柱、主桁架以及次桁架构成，对结构在不同荷载组合作用下进行静力性能分析，结构各项荷载参数与设计参数根据国内相关规范选定。所有杆件均采用梁单元建立，柱子底部设置为固接。计算时，每个节点均有u,v,w,θx,θy,θz六个位移分量，能够准确的反映三维框架单元的轴向、弯曲、扭转及剪切变形。结构的整体模型如图2所示，荷载组合工况列于表1。

表1 荷载工况组合

计算结果表明：从结构应力角度分析，框架柱和四个主桁架中的构件应力和变形是整个结构受力最为显著的部分。在各荷载工况作用下,4榀主桁架结构上的杆件应力呈现出基本一致的规律,即主桁架悬挑部分中的杆件应力普遍高于框架柱区域中杆件的应力。主桁架悬挑结构中,下弦杆受压,应力较大,上弦杆受拉,应力相比下弦杆而言偏小。结构中框架柱应力比在0.5以下有较大的安全储备,仅有靠近悬挑端最前排的框架柱与主桁架下弦杆交汇处局部应力偏高,应力比为0.7左右，最不利荷载工况为组合14；从结构位移角度分析，各组合工况效应作用下，总体而言竖向位移最大，纵向位移最小。距离框架柱越远的悬挑端位移值越大；同一竖杆上下两端位移值相差不大；洞口处上侧位移值大于下侧。各组合工况对比下，所有测点在组合9的作用下位移值最大，其中最大位移达到258.59 mm。限于篇幅，本文提取出应力最不利荷载工况(组合14)与位移最不利荷载工况(组合9)下结构的应力云图与位移云图见图3,图4。

2.2 荷载敏感性分析

建筑结构服役期会受各种外部荷载的作用，而复杂空间结构对外部荷载作用的响应更为明显，其结构受不同荷载的作用影响下，构件响应也会发生变化。为研究结构受单一荷载作用的影响，本文在有限元软件Midas/Gen中对太原市植物园钢结构主入口进行建模分析，寻找结构的敏感性杆件(结构杆件应力改变较大的杆件)，为传感器测点布置提供可靠依据。结构敏感性杆件包括荷载敏感性杆件，由于结构杆件应力变化能够反映结构受外界荷载作用的影响，故本文中受线性加载的单一荷载作用影响变化较大的杆件即为荷载敏感性杆件。为使杆件受荷载作用的影响量化，将由荷载敏感性系数SSi来判定是否为荷载敏感性杆件，具体计算如下：

SSi=|γ风Si风+γ雪Si雪+γ温度Si温度……|

(1)

其中，γ风，γ雪，γ温度均为荷载影响权重系数(0<γ<1)；S风，S雪，S温度分别为杆件对风荷载、雪荷载、温度荷载的敏感度。

荷载规范考虑不同单一外部荷载对结构杆件的影响不同，规定了各单一荷载的设计值以确保结果可靠有效。为更加便捷地比较不同杆件的敏感性差别，本文将在100年一遇的荷载设计值作用下结构应力与50年一遇的荷载设计值作用下结构应力差值定义为杆件的荷载敏感度，其中单一荷载分别为风、雪、温度荷载，具体计算如下：

Si=Δσi=σi100+σi50

(2)

其中，σi100为杆件在某类荷载100年一遇的设计值下的应力；σi50为杆件在某类荷载50年一遇的设计值下的应力。综合考虑结构杆件在不同单工况组合作用下有限元分析结果，对各杆件敏感度进行总结排序，找出荷载敏感度较大杆件，为后期传感器布置提供依据。

通过前文有限元分析结果可知钢结构主入口中四榀主桁架悬挑部分受力较为关键，现选取四榀主桁架中ZHJ-2的悬挑区域为代表，通过前文所述方法确认在温度荷载、雪荷载、风荷载这三种环境因素的作用下，ZHJ-2悬挑部分对环境荷载敏感性较大的主要杆件，进而对结构应变传感器布置进行优化。计算结果见图5，对敏感度大于0.6的杆件进行汇总，ZHJ-2有限元模型单元编号以及确定敏感构件位置如图6中粗线段所示。

3 健康监测系统研究

3.1 传感器布置优化原则

以往工作人员依靠传统经验对一些较为简单的建筑进行传感器布置，但随着建筑技术的进步，结构形式变得复杂多变，显然如今对于大跨度复杂空间结构而言仅仅依靠经验判断传感器测点远远不够，故为了更加合理地布置传感器，应尽量结合以下几方面进行综合评定：

1)传统经验结合相关理论：依靠以往经验、设计图纸以及现场实际情况对结构受力特点进行大致判断，找出复杂关键部位；对结构整体进行相关有限元软件建模理论分析，根据计算分析结果得出其他危险部位，对所有的关键部位实时监测。

2)有效性结合经济性：结构健康监测成本主要包含传感器购置费、线缆、数据监测系统、安装费等几个方面，传感器数量增加，相关成本也会随之上涨，故传感器应尽量少而精的布置，最有效地对结构实时监测。

3)对称性结合全面性：将传感器布置于整体结构相似区域中同样位置的代表性杆件上，代表杆件选取需合理、全面，对于特殊受力复杂部位则另行布置，综合考虑代表杆件与局部复杂杆件对结构实时监测，提供合理监测数据。

随着科技不断发展升级，市面上适用于健康监测的传感器种类越来越多，不同种类的传感器主要功能与不足都有较大差别，监测数据是否能安全有效地反映结构响应与传感器的选型直接相关，故而结构健康监测中传感器的选型非常重要。不同型号与价位的传感器都可能满足同样的监测要求，为了选择最优型号的传感器以满足监测需求并尽可能满足经济性等其他要求，通常考虑传感器如下特性[8-10]：

1)性能参数。结构健康监测中传感器的相关常规参数需符合国家标准，且满足测量要求，如表2所示。

表2 传感器参数说明

2)兼容性。传感器信号输出的机理为：信号解调器先对信号进行处理分析，而后被处理过的信号在系统中显示。一般信号解调器与传感器是相互对应的，传感器不同，其所需信号解调器也不同，继而信号输出途径也不同，故传感器的选型需匹配相应的信号解调器，同时考虑通讯设备、数据采集设备等与信号输出方式是否一致(兼容)，且应促进系统扩展升级。

3)耐久性与可靠性。结构健康监测与建筑使用同步进行，建筑设计使用时间较长，多为几十年，故传感器工作年限较长且多为室外环境，因此对传感器的要求较高。传感器不仅由于其精度高需提高可靠性，而且因自然温度、湿度、风等环境条件不断变化，其耐久性也需符合一定的要求，增加服役时间。

3.2 应变传感器布置方案

对荷载敏感杆件主要分布在主桁架悬挑区靠近框架柱的位置以及上下弦杆变截面处，越靠近框架柱，杆件荷载敏感度越高。结合结构整体分析各组合工况下杆件应力状况，考虑到每榀桁架的受力特点，每榀桁架选定6个位置作为重点监控区域。鉴于本工程钢桁架结构杆件均采用圆形截面，节点连接均为相贯焊接，应变传感器均采用单向应变传感器，竖杆上传感器安装位置在杆件几何长度中间处，按0°和180°沿杆件两侧分别布置，弦杆和腹杆安装位置节点处，尽可能靠近节点根部。应变传感器选用光纤光栅应变传感器，自带温度补偿，可根据被测物的不同材质定制相应的传感器，如图7所示。

3.3 加速度传感器

考虑到本工程钢结构大悬挑、大开洞和重荷载等特点，结合结构在各工况下的位移变化，结构的振动和舒适度成为监测的关键内容，选定6个测点(测点位置如图8所示)进行速度传感器优化布置，收集各个测点的速度-时程曲线，据此判定其频率、加速度、扭转特性和构件损伤位置。振动监测采用磁电式速度传感器，该传感器采用无源闭环伺服技术，以获得良好的超低频特性。传感器设有加速度、小速度、中速度和大速度四档，它主要用于地面和结构物的脉动测量，高柔结构物的超低频大幅度测量和微弱振动测量。

3.4 风速与温度传感器

太原地区以东南和西北季风为主，考虑结构的对称性，在钢结构屋面的东南角和西北角各布置一个风速风向测点，位于对角线顶端(如图9所示)，各个测点分别设置1台，共计2台，主要测试场地风速、风向。风速风向传感器采用超声风速风向仪，其工作原理是利用超声波时差法来实现风速和风向的测量。时差法是利用超声波在顺风和逆风路径上传播的速度差来确定风速和风向大小，可以完全消除由于安装高度、温度、湿度和压差等对测量带来的影响。

综合考虑结构模型在温度荷载作用下的应力水平、结构对温度的敏感度、结构设计图和现场查看结果，选定悬挑钢桁架固定端(悬挑区域根部框架柱)弦杆对应杆件进行温度传感器优化布置，每榀钢桁架上下弦杆各1个，共计8个，选用主要应用于大型结构温度监测中的HG-T03型温度传感器，详细布置如图10所示。

4 结语

本文以太原植物园主入口大跨悬挑空间钢结构为工程背景，通过对该结构的荷载敏感性分析，确定了结构受力关键杆件，并基于分析结果确定了结构健康监测系统。通过后期对该健康监测系统上线后在结构运营期间各项监测数据的分析可知，太原植物园主入口健康监测系统具备较高的精确性与稳定性，在长期监测过程中所记录的实时数据与国家气象部门公布的数据高度吻合，实现了采集结构环境荷载信息和结构响应数据功能，系统运营正常可靠。该监测系统可以推广应用于其他类似结构的健康监测当中，为结构后期加固维护与损伤识别提供数据支持。