結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究
2015-06-18
1課題研究背景和意義
建筑結(jié)構(gòu)在服役期間，難免要遭受材料老化、地震、火災(zāi)、強(qiáng)風(fēng)和洪水等自然因素以及如建筑材料、設(shè)計(jì)、施工或使用過程中人為因素的影響而出現(xiàn)損壞，甚至將會(huì)導(dǎo)致倒塌等事故。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和對(duì)外交流的需要，近年來各地紛紛建造各種大型展覽中心、體育場(chǎng)館等大型大跨建筑，比如在北京2008年奧運(yùn)會(huì)和上海2010年世博會(huì)上的一些大型建筑[1]，這些體育場(chǎng)館大多是大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)，造型獨(dú)特且體型龐大。由于這種大型公共建筑物具有很高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，使之安全順利的建造成型并投入正常使用就具有極其重要的意義[2]。這些標(biāo)志性建筑往往都需要投入大量的人力物力，而這些結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生破壞則其危害性極大，因此，如何對(duì)這些結(jié)構(gòu)在長期使用中或是在遭受意外后的結(jié)構(gòu)狀況做出及時(shí)而又準(zhǔn)確的評(píng)估，就具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義，也成為世界范圍的熱點(diǎn)課題[3]。本文針對(duì)西寧體育場(chǎng)施工階段進(jìn)行了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究。
2結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成
作為一種在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)，應(yīng)該包括以下幾個(gè)部分：
(1) 傳感器單元。
(2) 信號(hào)傳輸和處理設(shè)備
(3) 數(shù)據(jù)中心和預(yù)警設(shè)備及軟件。
本工程的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為兩套系統(tǒng)：
系統(tǒng)一：光纖光柵測(cè)試協(xié)調(diào)測(cè)試系統(tǒng)：主要進(jìn)行關(guān)鍵桿件和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變、溫度、振動(dòng)的長期健康監(jiān)測(cè)。
系統(tǒng)二：鋼弦儀應(yīng)力測(cè)試及靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)：鋼弦測(cè)試系統(tǒng)主要進(jìn)行關(guān)鍵桿件和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變、溫度的長期健康監(jiān)測(cè)；靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)主要是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的長期撓度監(jiān)測(cè)。
在本工程中測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)構(gòu)成了結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
3工程概況
本項(xiàng)目是一個(gè)4萬座規(guī)模的體育場(chǎng)，總建筑面積為67955.96m2，場(chǎng)地長軸為南北朝向，看臺(tái)平面呈橢圓形；看臺(tái)外邊沿為圓形，平面直徑239.5m；外圍護(hù)幕墻圓直徑為257.5m。體育場(chǎng)鋼屋蓋直徑約為257.5m，采用40榀正放三角形管桁結(jié)構(gòu)。立面圍護(hù)幕墻采用由40個(gè)形狀大小一樣的四面體構(gòu)成的空間折面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其每個(gè)結(jié)構(gòu)單元與鋼結(jié)構(gòu)主體骨架相連。
4西寧體育場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案
在整個(gè)體育場(chǎng)的施工運(yùn)營階段，所監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目有：結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)、風(fēng)速監(jiān)測(cè)。
1、結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。
結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的目的在于通過監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的控制部位和重點(diǎn)部位內(nèi)力，然后對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布、局部結(jié)構(gòu)及連結(jié)處在各種載荷作用下的響應(yīng)進(jìn)行研究，從而為結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別、疲勞損傷壽命的評(píng)估以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評(píng)估提供依據(jù)，同時(shí)通過對(duì)其控制點(diǎn)上的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)的變化來檢查結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)損壞或有潛在損壞的狀態(tài)[4]。
應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測(cè)大多采用電阻式應(yīng)變傳感器，但由于電阻式應(yīng)變儀的零漂，其接觸電阻的變化以及溫漂等將給系統(tǒng)帶來一定的誤差，再加上電阻式應(yīng)變傳感器壽命較短，所以從長期監(jiān)測(cè)和信號(hào)傳輸?shù)榷喾矫婵紤]，宜采用(或部分采用)適合長期監(jiān)測(cè)用的光纖光柵傳感器和鋼弦傳感器。
本項(xiàng)目采用光纖光柵應(yīng)力應(yīng)變傳感器，及混凝土應(yīng)變計(jì)以及鋼弦傳感器，數(shù)據(jù)采集采用光纖光柵信號(hào)采集分析儀及鋼弦采集分析儀。
2、結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)。
光電測(cè)距的方法主要是由安置在結(jié)構(gòu)上的菱鏡，配合與測(cè)量用的全站儀，從而形成光載波通信系統(tǒng)，全站儀是具有紅外激光探測(cè)功能的，利用此功能對(duì)菱鏡進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，通過測(cè)量其每個(gè)菱鏡與全站儀的相對(duì)角度和距離后，最后再經(jīng)過系統(tǒng)計(jì)算確定結(jié)構(gòu)的外型及移動(dòng)情況。
本項(xiàng)目在卸載階段采用高精度全站儀的測(cè)量方法。
結(jié)構(gòu)施工過程對(duì)選定測(cè)點(diǎn)的變形觀測(cè)可得到選定點(diǎn)三個(gè)方向的位移數(shù)據(jù)，重點(diǎn)是豎向位移，進(jìn)行靜態(tài)觀測(cè)。
本項(xiàng)目在使用階段擬采用靜力水準(zhǔn)儀。該儀器應(yīng)用了連通管原理，把地球重力面看做基準(zhǔn)面，其連通管內(nèi)的液體介質(zhì)在重力作用下始終保持液面水平，通過采取對(duì)稱設(shè)計(jì)，它的測(cè)量方法是各測(cè)點(diǎn)與相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)間取差值，其浮子單元的導(dǎo)軌采用了中心對(duì)稱的雙層螺線函數(shù)片璜，通過浮子跟蹤液位變化，被測(cè)參考點(diǎn)的微小高差變化通過接桿轉(zhuǎn)化為標(biāo)志桿的垂直位移，由傳感器檢測(cè)垂直位移信號(hào)。該儀器特別適合于要求高精度監(jiān)測(cè)垂直位移的場(chǎng)合，可監(jiān)測(cè)到0.05mm的高程變化，可以進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
3、結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)。
由于結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的疲勞損傷的累積從而造成結(jié)構(gòu)的受損和安全性降低，而由于動(dòng)荷載作用下的交變應(yīng)力作用才造成了結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。
當(dāng)結(jié)構(gòu)的整體性能發(fā)生改變時(shí)，其模態(tài)參數(shù)(如振型、頻率等)也就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性的連續(xù)監(jiān)測(cè)，我們可以考察結(jié)構(gòu)的疲勞響應(yīng)，進(jìn)而結(jié)構(gòu)的安全可靠性也得到了考察。當(dāng)提及結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)往往會(huì)聯(lián)系到引起結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)的強(qiáng)振源，因此，當(dāng)監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信息時(shí)，我們不僅可以用其來識(shí)別結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，其對(duì)結(jié)構(gòu)承受波動(dòng)載荷歷程的記錄也可以得到實(shí)現(xiàn)。
本項(xiàng)目在運(yùn)營階段采用光纖光柵加速度傳感器。
4、結(jié)構(gòu)風(fēng)速監(jiān)測(cè)。
風(fēng)速監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的布置安置在體育館屋頂上，測(cè)點(diǎn)數(shù)量為1個(gè)，及體育場(chǎng)和體育館共用一個(gè)測(cè)點(diǎn)。風(fēng)速監(jiān)測(cè)在結(jié)構(gòu)使用過程中實(shí)施。
本項(xiàng)目采用機(jī)械螺旋槳式風(fēng)速儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
2.4 監(jiān)測(cè)流程及計(jì)劃
整個(gè)監(jiān)測(cè)流程及計(jì)劃如下：當(dāng)數(shù)據(jù)被布置在結(jié)構(gòu)重要位置的傳感器采集到后，通過電纜(或光纜)傳送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(安置于監(jiān)控室)上，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)接收到采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)后開始進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，然后通過動(dòng)態(tài)分析找出危險(xiǎn)構(gòu)件所在的位置，最后相關(guān)人員及時(shí)趕赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行排除隱患。本工程的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，它是能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)在線連續(xù)監(jiān)測(cè)、檢查結(jié)構(gòu)是否損傷或退化的最小人工干預(yù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)的施工及其使用階段，它可以有效地對(duì)其進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)?？梢杂行У谋O(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，且可以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)在火災(zāi)、地震、超載等異常情況下內(nèi)力和位移所發(fā)生的變化，并且可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的分析對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。
