大跨空間結構健康監(jiān)測系統(tǒng)運營期實測數(shù)據(jù)分析
——以海峽國際會展中心為例

張 偉

(1.福建省建筑科學研究院 福建福州 350025；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350025)

0 引言

自20世紀90年代以來，土木工程結構的健康監(jiān)測[1-2]因其持續(xù)、在線、實時、可預警、智能化等監(jiān)測特性，日益成為學界及工程應用領域的研究熱點，除了相關的理論基礎研究外，亦不斷有相關的工程應用研究見諸報導，但多數(shù)對于運營期結構的健康監(jiān)測實測數(shù)據(jù)分析研究多集中于橋隧結構[3-5]，大跨空間結構的實測數(shù)據(jù)分析研究尚屬少見。基此，本文以布置于海峽國際會展中心屋蓋結構上的健康監(jiān)測系統(tǒng)[6]為例，分析在運營環(huán)境下系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)的可靠性。

1 海峽國際會展中心結構健康監(jiān)測系統(tǒng)簡介

海峽國際會展中心結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，是一個以福州海峽國際會展中心鋼結構屋蓋為平臺，應用現(xiàn)代傳感、通信和網(wǎng)絡技術，優(yōu)化組合結構監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、綜合報警和信息網(wǎng)絡分析處理子系統(tǒng)為一體的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。它實時監(jiān)測福州海峽國際會展中心鋼結構屋蓋在各種環(huán)境、荷載等因素作用下的結構響應，在特殊氣候或運營條件下以及結構狀況異常時觸發(fā)預警信號，并能有效地提供福州海峽國際會展中心結構維護、維修以及運行管理的科學依據(jù)，顯著提高結構的整體管理水平，從而能夠最大限度地確保結構安全運營、預診斷結構病害和延長結構使用壽命。其監(jiān)測對象的主要結構示意如圖1所示。

2 監(jiān)測內容及系統(tǒng)組成

2.1 監(jiān)測內容

根據(jù)結構的受力特點和安全監(jiān)測的要求，確定的主要監(jiān)測內容包括環(huán)境荷載、結構響應和重點病害兩類：①結構響應：整體結構形狀、沉降、桿件應力應變、大跨度構件振動等；②重點部位可能病害：柱頂支座滑移監(jiān)測等。該工程依托“福州海峽國際會展中心工程若干關鍵結構技術研究”課題對屋蓋結構實施了風振、溫度效應、結構靜力及動力穩(wěn)定性分析，其中風振分析主要是結合風洞試驗報告，并利用MATLAB語言編寫的基于AR法模擬脈動風速的程序，給出福州海峽國際會展中心結構的風荷載時程曲線。溫度效應、結構靜動力穩(wěn)定性分析，均采用空間有限元模擬分析的方式得到該屋蓋結構的主要響應特性，詳細結果參見文獻[7]。監(jiān)測部位的確定，建立在上述詳細的結構易損性的分析結果基礎上。福州海峽國際會展中心的監(jiān)測部位及內容如表1所示。

表1 監(jiān)測部位及內容

2.2 系統(tǒng)構成

福州海峽國際會展中心結構健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理與分析兩大子系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)有機組成，數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理和控制子系統(tǒng)和結構健康評估子系統(tǒng)。

該健康監(jiān)測系統(tǒng)具有以下特點：具有同步、實時、長期、連續(xù)地對數(shù)據(jù)進行采集的功能；具有強大的數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示、存檔和遠程共享能力；具有自檢、校準、控制功能；具有正常狀態(tài)評估和突發(fā)事件況評估的能力；具有良好的可更換性和升級能力。

其中，傳感器的布設原則，主要是在文獻[7]對會展中心理論分析的基礎上，對振動和應變等測點的布置進行了優(yōu)化布設理論分析，然后依照提出的傳感器布設依據(jù)，綜合考慮有限元分析結果、傳感器優(yōu)化布設理論分析結果以及構件重要性、易損性分析之后，對會展中心結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器進行了布設。共布設振動傳感器16支，應變計140個，溫度計7個，詳細測點如圖1～圖2所示。根據(jù)光纖光柵在同一光纖上可實施不同波長調制的特點，應變計均通過串聯(lián)方式將3～6個傳感器布置于同一采集通道中，從而節(jié)省了該系統(tǒng)的采集器成本。此外，在屋頂中央處另布設一風速儀對風速進行測量。

圖1 屋蓋結構簡圖及加速度計布置示意圖

圖2 屋蓋應變計、溫度傳感器布置示意圖

3 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

3.1 振動響應監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為了驗證監(jiān)測系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)的可靠性，選取其中的4個通道，基于AR法，根據(jù)系統(tǒng)測得風速數(shù)據(jù)，生成相應的風速時程，得到會展中心的響應，并和監(jiān)測系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)進行對比分析。如圖3～圖6所示，分析結果表明，兩者之間雖有差異，但吻合程度較好，峰值也比較接近。

3.2 實測溫度數(shù)據(jù)分析

溫度變化是大跨度鋼桁架的重要荷載源之一，常引起大的變形和桁架線形的改變，是監(jiān)測重要內容。同時也可以作為光纖光柵應變計溫度補償。通過實時監(jiān)測會展址處的環(huán)境溫度，屋頂各主要構件的溫度及溫度梯度等數(shù)據(jù)，為分析結構的受力和變形、分析結構狀態(tài)參數(shù)的相關性提供依據(jù)。然而，本次較為遺憾的是，所布設的7個溫度傳感器中其中一個所對應采集的通道故障，另有一通道數(shù)據(jù)雖可反映溫度變化趨勢，但數(shù)值上出現(xiàn)了明顯的零點漂移。因此，對該通道實施數(shù)據(jù)分析前，應對其零點漂移實施修正，但因其反映的溫度變化趨勢，在實施與應變的相關性分析時，仍可得到需要的分析結論。圖7～圖9所示為2011年9月份中連續(xù)3d結構溫差變化較大的典型數(shù)據(jù)曲線。

圖3 通道1的加速度時程曲線對比

圖4 通道2的加速度時程曲線對比

圖5 通道3的加速度時程曲線對比

圖6 通道4的加速度時程曲線對比

圖7 典型溫度數(shù)據(jù)1

圖8 典型溫度數(shù)據(jù)2

圖9 典型溫度數(shù)據(jù)3

根據(jù)福州氣象資料，2011年9月份最低氣溫是19°C，最高氣溫是34°C。以上監(jiān)測通道15的溫度數(shù)據(jù)，均出現(xiàn)在零攝氏度以下，表現(xiàn)為明顯的零點漂移，屬于不正常數(shù)據(jù)。

3.3 應變實測數(shù)據(jù)分析

應變監(jiān)測是以結構應力計算分析為依據(jù)，監(jiān)測主要支承構件的應力應變狀態(tài)，校驗、評估結構的應力安全狀態(tài)。由于本系統(tǒng)所安裝的應變傳感器數(shù)量較多，測得的數(shù)據(jù)量龐大，本文僅選取其中1個通道、6支應變計在與圖7～圖9所對應的日期內所測得的應變時程曲線進行分析，所記錄的數(shù)據(jù)如圖10～圖12所示。根據(jù)溫度和應變時程曲線可知，構件的應變變化和溫度變化基本呈正負相關形態(tài)，表明監(jiān)測數(shù)據(jù)基本可靠。

3.4 構件應變和溫度的相關性分析

從時程曲線分析中可看出溫度對會展中心結構應變的影響很大，隨著溫度的變化，會展中心結構中的部分構件和溫度是正相關，部分構件是負相關。為進一步明確溫度和應變的相關性，研究溫度對會展中心結構應變的影響，利用溫度應變的測試結果，得到溫度和結構應變變化關系，進行回歸分析。選取通道7和傳感器4及傳感器6的數(shù)據(jù)實施詳細分析，得到的回歸分析圖以及統(tǒng)計分析表如圖13～圖14,表2～表7所示。

圖10 典型應變時程數(shù)據(jù)1

圖11 典型應變時程數(shù)據(jù)2

圖12 典型應變時程數(shù)據(jù)3

圖13通道7和傳感器4回歸分析圖

圖14通道7和傳感器6回歸分析圖

表2傳感器4監(jiān)測數(shù)據(jù)和溫度回歸統(tǒng)計分析表一

回歸統(tǒng)計相關系數(shù) RR平方修正R平方標準誤差觀測值傳感器40.942 8180.888 9060.88 8880.092 8234364

表3 傳感器4監(jiān)測數(shù)據(jù)和溫度回歸統(tǒng)計分析表二

表4 傳感器4監(jiān)測數(shù)據(jù)和溫度回歸統(tǒng)計分析表三

表5 傳感器6監(jiān)測數(shù)據(jù)和溫度回歸統(tǒng)計分析表一

表6 傳感器6監(jiān)測數(shù)據(jù)和溫度回歸統(tǒng)計分析表二

表7 傳感器6監(jiān)測數(shù)據(jù)和溫度回歸統(tǒng)計分析表三

從上述兩組監(jiān)測數(shù)據(jù)和溫度回歸統(tǒng)計分析中可以看出：海峽國際會展中心結構構件的應變和溫度之間的相關性非常強，相關系數(shù)最大達到0.943。從分析中可看出，溫度對會展中心應變的影響很大，并且其影響呈線性關系。

4 結論

本文以福州海峽國際會展中心為背景，簡要介紹了海峽國際會展中心結構健康監(jiān)測系統(tǒng)后，對該系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)的正確性和規(guī)律性進行了分析。通過對系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)的結構響應部分的分析，可以反映以下3點：

(1)系統(tǒng)的大部分溫度數(shù)據(jù)整體上與福州本地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)吻合，說明數(shù)據(jù)正確可靠。有個別通道數(shù)據(jù)明顯出現(xiàn)零點漂移，需對傳感器參數(shù)進行剔除零點漂移修正。

(2)系統(tǒng)的應變測點較多，因此數(shù)據(jù)量極大。本文選取其中較有代表性的部分通道進行數(shù)據(jù)分析，從分析結果可以看出，絕大多數(shù)應變數(shù)據(jù)正確，變化規(guī)律與計算分析結果一致。通過對溫度和應變數(shù)據(jù)做相關性分析可知，通常狀態(tài)下結構的應變主要為溫度產(chǎn)生的應變，二者具有較強的相關性。

(3)通過對系統(tǒng)的振動響應數(shù)據(jù)分析可知，實測結構的振動響應基本可反映結構屋蓋對風速時程的動力響應。

綜上，海峽國際會展中心結構健康監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了采集結構環(huán)境荷載信息和結構響應數(shù)據(jù)功能，系統(tǒng)運營基本正?？煽?。