寧波火車南站鋼結構內力監(jiān)測系統(tǒng)及數(shù)據分析

馬騰遠,楊彬*,張其林,李強

1.同濟大學土木工程學院,上海200092 2.濱州學院建筑工程系,山東濱州256600

寧波火車南站鋼結構內力監(jiān)測系統(tǒng)及數(shù)據分析

馬騰遠1,楊彬1*,張其林1,李強2

1.同濟大學土木工程學院,上海200092 2.濱州學院建筑工程系,山東濱州256600

以寧波火車南站結構健康監(jiān)測為工程案例，采用有限元方法模擬計算了站房整體結構，研究確定了監(jiān)測系統(tǒng)架構和傳感器布設方案。對典型大跨鋼拱梁不同工況下的模擬值和監(jiān)測值進行了對比分析。

大跨度鋼結構;有限元模擬;內力監(jiān)測;結構安全

寧波火車南站為寧波站改造工程（簡稱寧波站），屬大跨度多層次交通樞紐，建筑建筑面積：119634 m2。主站房由三個主要層面組成：地下一層（主要負擔進出站功能）、站臺層（地面層）和高架層（含商業(yè)夾層）。地下二層（地鐵2號線站廳層）和地下三層（地鐵2的站臺層）的土建工程大部分位于鐵路站房下。主站房及屋蓋結構見圖1。

圖1 主站房橫剖面圖Fig.1 Body plan of the station building

結構安全監(jiān)測的意義在于實時了解和分析其結構在各種工況下的結構變形、內力變化過程及發(fā)展趨勢，為結構的健康運行和安全預警作出判斷。該站房結構在使用期內因構件材質退化、內在缺陷或外來不利因素等，都會引起應變加大承載能力的衰減導致安全問題。

采用的監(jiān)測是實時的無損監(jiān)測方法，即對結構在不同工況下明顯反映結構強度或變形的位置布置監(jiān)測點，監(jiān)測其應變進而得知其應力，再與結構分析模型模擬計算數(shù)據進行對比，分析實測值與模擬值的一致性和吻合度，從而對結構各工況下的運行和安全作出評判。

1 有限元模擬分析

1.1 確定結構模擬和監(jiān)測工況

經研究分析該結構從施工開始到結束，應重點模擬和監(jiān)測的四個工況為：

第一工況：鋼拱梁尚未安裝就位時，模擬及監(jiān)測鋼拱梁應力值；

第二工況：鋼拱梁安裝就位由胎架支撐時，模擬及監(jiān)測鋼拱梁應力值；

第三工況：胎架拆除鋼拱梁自重由柱承受荷載時，模擬及監(jiān)測鋼拱梁、斜撐及框架柱應力值；

第四工況：屋面結構和構件等全部荷載就位時，模擬及監(jiān)測鋼拱梁、斜撐及框架柱應力值。

1.2 有限元模擬簡介

采用通用有限元軟件SAP2000（v14)對結構進行受力分析以及各工況模擬。整體結構采用空間框架模型，根據工程實際定義框架截面，屋面板采用薄Shell單元。

對于四個工況分別采用以下荷載工況進行模擬：第一工況認為鋼拱梁內力及應變均為零；第二工況由鋼拱梁跨中添加鉸支座，在鋼拱梁自重作用下進行模擬；第三工況由整體模型在自重DEADself作用下進行模擬；第四工況由整體模型在自重及屋面板荷載DEADself+DEAD0作用下進行模擬；第二、三、四工況模擬示意如圖2中a、b、c圖所示。

圖2 第二、三、四工況模擬示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of the No.2、No.3 and No.4 simulated condition

2 站房屋蓋結構監(jiān)測方案確定

2.1 監(jiān)測點布置

經分析研究，站房屋蓋結構典型鋼拱梁應力關鍵部位有3個，故布置3個監(jiān)測點，下圖為監(jiān)測點布置，即跨中下表面1個、梁兩端上表面各1個，共18榀剛架，總計54個測點。其它監(jiān)測點不詳述。

圖3 屋蓋典型鋼拱梁測點布置Fig.3 Measuring point arrangement of typical steel arch-beam

2.2 監(jiān)測傳感器

鋼結構構件應力采用振弦式應變傳感器進行監(jiān)測。它是利用弦振頻率與弦的張力變化關系來測量結構在某一監(jiān)測點的應變，從而得知結構在該點應力。安裝時是把一根鋼弦張拉在兩塊安裝塊之間，再將安裝塊焊接在待測鋼件表面。構件表面的變形（如應變變化）導致兩個安裝塊相對運動，從而引起鋼弦張力改變。用緊靠鋼弦的電磁線圈激振鋼弦并測出其自振頻率然后測出張力。該傳感器構造如圖4所示。

2.3 數(shù)據采集儀、485總線及系統(tǒng)拓撲圖

各傳感器監(jiān)測的應變信號為4～20 mA電流模擬信號，通過接入數(shù)據采集儀后可轉換為數(shù)字信號。數(shù)字采集儀具有多路輸入接口和1個485輸出接口，可接入數(shù)個到數(shù)十個傳感器的模擬信號。本工程應變監(jiān)測系統(tǒng)裝置了7個數(shù)字采集儀，各數(shù)據采集儀的輸出接口并接到485總線后，其數(shù)據可順暢地傳送到上位機進行貯存分析。應變監(jiān)測系統(tǒng)拓撲如圖5所示。

圖5 應變監(jiān)測系統(tǒng)拓撲圖Fig.5 Topological graph of strain monitoring system

3 模擬及監(jiān)測數(shù)據分析

取典型鋼拱梁GGL4的實測值與模擬值進行對比。S-W-GGL4-1、S-W-GGL4-2和S-W-GGL4-3分別代表鋼拱梁GGL4左端上表面、跨中下表面和右端上表面測點位置，圖6為其監(jiān)測點的實測值與模擬值的對比圖，具體數(shù)值如表1所示。

表1 GGL4上各測點的實測值與模擬值（MPa）Table 1 Monitoring and simulating data of each measuring point on the GGL4(MPa)

以上數(shù)據分析表明：（1）各測點的實測值與模擬值在不同工況下變化趨勢一致，偏差值在允許范圍之內且監(jiān)測值小于模擬值，擬合程度較好；（2）各測點在第一工況下監(jiān)測的初始應力不為零，其原因在于應變計安裝產生的拉壓力、溫度變化引起的溫度應力、以及鋼構架擺放方式導致的自重等因素影響；（3）各測點在第二、三和四工況下監(jiān)測值與模擬值存在一定偏差，其原因除初始應力影響外，還在于模型假設梁與柱的連接為剛接、梁與胎架的連接為鉸接等。而實際工程中并不存在此種連接假設，因而使得監(jiān)測值較模擬值偏小。

圖6 測點S-W-GGL4-1～3實測值與模擬值對比Fig.6 Comparison of monitoring and simulating data from S-W-GGL4-1 to 3 measuring points

4 結語

大跨度多層次鋼結構交通樞紐車流物流人流量大密度大，對結構安全要求越來越高。采用先進的結構模擬分析和新興的傳感技術、信息技術對其進行模擬計算與實時監(jiān)測對比分析是一種新方法，特點是把建設前的結構模型理論分析與建設后的實物實時監(jiān)測結合起來，以便模擬值與監(jiān)測值對比分析和互為驗證?？梢灶A見該方法隨著傳感器穩(wěn)定性和監(jiān)測精度的提高以及信息技術的發(fā)展，可促進結構分析理論及計算的發(fā)展，也為建筑物在使用年限內的結構健康運行安裝了日常安全監(jiān)測系統(tǒng)，實時記錄結構應變應力和安全預警，其意義是巨大的。

[1]F K Chang.Structural health monitoring[M].Stanford:Stanford University,2000

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[4]張慎偉,樓昕,張其林.鋼結構施工過程跟蹤監(jiān)測技術與工程實例分析[J].施工技術,2008(03):62-64

Inner Force Monitoring System of the Steel Structure of Ningbo Railway South Station and Its DataAnalysis

MATeng-yuan1,YANG Bin1*,ZHANG Qi-lin1,LI Qiang2
1.College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China 2.Department of Architecture Engineering of Binzhou University,Binzhou 256600,China

This paper took an example of the structural health monitoring system of Ningbo railway south station as the project case,used the finite element method to simulate and calculate the structure of its station building,and studied and determined the framework of the monitoring system and the route of the sensors.And it took a typical large-span steel arch-beam as an example to compare and analyze the simulating data and the monitoring data under different conditions.

Large-span steel structure;finite element simulation;inner force monitoring;structure safety

TU391

A

1000-2324(2014)03-0414-04

2012-11-25

2012-12-03

馬騰遠(1989-),男,在讀碩士研究生,主要從事結構健康監(jiān)測方面的研究.E-mail:124999971@qq.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:yangbin@#edu.cn