大跨度网架健康监测

大跨度网架健康监测

曾德涛 ,屈勇 ,何伟

中建八局西南公司，成都610041

[摘要]随着经济的发展，需要进行结构健康监测的结构越来越多，大跨度网架结构由于具有空间跨度大但是重量轻，用到的材料少，其结构杆件主要是受轴力，充分发挥和利用材料的刚度、结构牢固、稳定定好的特点发展尤为突出。在这种背景下，一个智能化实时精确的监测系统的设计是非常有必要的。

[关键词]大跨度钢结构网架  预警 

0引言

本文以三星堆古蜀文化遗址博物馆及附属设施工程为背景介绍了通过对结构的物理力学性能进行无损监测，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，对结构的服役情况、可靠性、耐久性 和承载能力进行智能评估。

1工程概况

三星堆古蜀文化遗址博物馆项目位于四川省德阳市广汉市向新路133号，占地面积66亩，建筑面积5.5万平方米。建筑地上2层，地下局部1层，总长度351.1m，总宽度87.8m，主要功能为博物馆和游客中心。

主要结构类型：地下室为劲性柱+钢筋混凝土梁板体系，地上为钢框架结构，屋面为网架结构。

2监测的目的

结构监测是通过对结构的物理力学性能进行无损监测，实时监控结构的整体行为，对本工程的钢结构进行监控可达如下目的∶

1）随时掌握结构的内力状态及损伤情况，并对结构的损伤位置和程度进行诊断，指导施工进行的同时保障建筑结构的安全

2）对结构的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，采取针对性措施，延长结构使用寿命

3）为结构在突发事件下或结构使用状况产生异常时触发预警信号，从而采取适当的措施实现主动安全控制，切实提高结构的全寿命安全度。

4）为结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导，有效降低建筑结构总体运营成本。

3. 监测系统总体思路

监测系统将结构的危险划分为结构损伤和结构状态的不利性改变两大类，并根据目前技术水平提出针对不同危险情况采取不同的监测手段。结构状态的不利性改变主要通过自动化传感测试子系统进行监测，重点在对结构整体内在使用状态变化的掌控；而结构的表观损伤则可通过日常巡查和定期检查结果获得，两者相结合，通过结构工程师的离线分析，准确掌握结构的实际状况，保障结构施工期间得到及时、合理的施工指导。从保障结构的安全运营的角度出发，两个部分从内而外、由表及里、必不可少且功能互为补充。

4 监测系统总体思路

4.1 自动化传感测试子系统

本系统包含以下三个模块∶

1）传感器模块∶传感器是指能感受规定的被测物理量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，其基本功能是检测信号和信号转换，通过传感器将各类监测信号转换为电（光）信号。传感器处于监测系统的最前端，用于获取监测信号，其性能将直接影响整个健康监测系统，对测量精确度起着决定性作用。

2）数据采集与传输模块∶将监测信号转换为数字信号并完成远程传输。3）数据处理与控制模块∶将监测信号进行预处理以及二次处理以向其它子系统提供有效的信息源或力学指.标，根据需要设定程序控制监测参数的采集。

4.2 数据库子系统

将监测信号进行预处理以及二次处理以向其它子系统提供有效的信息源或力学指标，根据需要设定程序控制监测数据的采集。通过该子系统可实现整个数据平台的管理工作，完成数据的归档、查询、存储等操作，在系统全寿命期内统一组织与管理数据信息，为系统维护与管理提供便利，也为各应用子系统提供可靠的分布式数据交换与存储平台，方便开发与使用。

4.3基于监测结果的预警和安全评估子系统

通过该子系统实现根据监测数据进行结构状态与损伤识别，并综合识别的结果对钢结构结构的安全使用状况进行预警评估。具体为∶能够对监测及识别的结果进行趋势对比、分析与预测；对结构变形等监测参数建立明确的预警指标，能够对监测结果进行分级预警；通过人工干预综合各种监测数据、定期测量信息、内力状态信息对结构进行综合评估。

4.4 用户界面软件子系统

本系统是各子系统数据的支撑系统，将各种数据向用户展示，并且接受用户对系统的控制与输入；为基于危险性分析和不同应对策略的监测系统建立的总体思路∶

1）主要基于力学指标和环境的监测数据进行结构监测预警的各项工作；

2）进行结构运营状态评估时应兼顾力学指标的监测与损伤的直接监测；

3）力学指标系统侧重于结构总体内力状态的把握；

4）损伤直接检测侧重于表观局部损伤的探明；

5）利用综合评估系统将二者结合起来进行结构安全状态的评估；

6）各项监测参数必须进行较为完善的后期处理才能够用于评估结构安全状态

7）基于监测数据和结构危险性分析提供结构主动安全维修维护控制措施。

5 监测方法及内容

5.1 监测内容

结构健康监测系统的自动传感监测项目，是系统能够有效发挥作用的重要前提，同时也是对结构进行安全评价的基础。

监测项目及测点概况汇总表：

5.2监测方法：

5.2.1施工阶段

阶段一：主体钢结构及网架焊接施工，抬升前的监测设备安装、初读数阶段；

阶段二：钢结构抬升后、安装施工过程中的监测阶段；

阶段三：屋面结构施工完成，通风、照明、马道等设备安装施工至工程竣工监测阶段。

所有的监测工作由人工完成∶

1、基础沉降、组合网架钢柱水平及竖向位移变形通过人工测量完成；

2、监测传感器由人工测读完成；

3、监测频率按设计要求和施工工序进行监测。

5.2.2运营阶段

自结构竣工交付使用后的时间为运营监测阶段，根据施工过程的监测结果确定调整或补充监测内容，进行大风、大雪、地震等自然情况，以及活载、恒载等工况作用下的数据采集和结构安全评估，所有的监测接入可视化自动化监测系统。

6 钢结构健康动态监测

6.1 数据采集

本系统为了统一起见，使用三种数据类型，第一种是单个数据类型应变、位移，这些数据是由模拟信号传感器测试后，不论模拟信号输出的形式如何，均由一个基于485传输的采集器进行采集转换为数字信号，然后通过统一的协议进行数据传输。这类数据采用分散采集方式，每个采集器是一个独立的数据采集器，同时又是一个485中断器，既采集数据也传输数据。其优点是，将采集与传输与传感器分离开来，一旦传感器或采集器出现故障，可以单独更换，而保持系统的完整性。

第二类数据是一段连续的信号数据，如加速度信号或者速度信号等振动信号，这类数据通常需要采集一个时段的数据，数据量较大。这类数据需要专用并联数据采集器，在采集完成后，通过专用协议传输数据。

第三类数据是图像数据，这类数据需要专业图像采集后实时通过网络传输至服务器。

针对以上三种数据，需要安装不同的采集设备。

应力计：

6.2 数据传输网络的设计

目前数据传输网络可采用5G网络。

钢结构监测时，由于监测范围较为集中，监测点与监测点之间的距离较短，可以使用485采集器采集后通过双绞线与其它485采集器串联起来，最后集中至SuperDTU模块，一个SuperDTU模块最多可以连接128个485采集器，由SuperDTU

模块将数据送上5G网络。SuperDTU模块是个专用的数据传输模块，可以使用5G网络、光纤网络、有线网络或WIFI网络进行数据传输。

6.3 数据处理和控制模块

数据处理与控制系统由数据处理与控制服务器组成，将采用先进的64位多核服务器。数据处理与控制系统通过双环光纤网络或以太网控制监测现场的数据采集器。

5 结论

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。

其无线传感网络无疑是占有很大优势的，它避免了复杂环境的复杂布线，不但使得布设的成本降低，也让施工人员维修非常方便。

参考文献

[1]GB50982-2014建筑与桥梁结构监测技术规范 北京：中国建筑工业出版社 2014

[1]Technical code for monitoring of building and bridge structures

[2]JGJ/T 302-2013建筑工程施工过程结构分析与监测技术规范 北京：中国建筑工业出版社 2013

[2]Technical code for construction process analyzing and monitoring of building engineering

[2]三星堆古蜀文化遗址博物馆及附属设施工程应力应变监测布置图。

作者简介：曾德涛 男 1989.09 测量员18683889152 763278209@qq.com 四川省广汉市三星堆博物馆新馆