雄安站屋蓋鋼結(jié)構(gòu)無線健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)*

羅堯治， 趙靖宇， 范 重， 宋志文， 沈雁彬， 蔡朋程， 張 宇， 朱 丹

(1 浙江大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心，杭州 310058；2 中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044；3 中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

0 引言

大跨空間鋼結(jié)構(gòu)是一種在外部荷載作用下，具有三維多向受力特性的結(jié)構(gòu)[1]。由于其空間傳力路徑比較復(fù)雜，施工建造難度相對較大，并且該類結(jié)構(gòu)通常是人員聚集、大型活動(dòng)的場所，其安全性至關(guān)重要。因此，建立針對大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)營階段長期實(shí)時(shí)健康監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的預(yù)警評估，其重要性不言而喻[2]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的概念自20世紀(jì)八九十年代提出以來，隨著數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、傳感硬件設(shè)備和系統(tǒng)采集軟件的進(jìn)步，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究發(fā)展迅速，并已經(jīng)逐步在工程結(jié)構(gòu)的施工及運(yùn)營得到廣泛應(yīng)用[3]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式，主要分為有線監(jiān)測和無線監(jiān)測。由于大跨空間鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測具有覆蓋面積大和測點(diǎn)數(shù)量多的特點(diǎn)，導(dǎo)致有線監(jiān)測設(shè)備存在安裝難度高和安裝成本大等局限性。浙江大學(xué)羅堯治等自主研發(fā)了全套基于無線監(jiān)測技術(shù)的溫度、應(yīng)變、位移、加速度、風(fēng)速以及風(fēng)壓多物理量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)有線監(jiān)測系統(tǒng)的弊端，并實(shí)現(xiàn)了在大跨空間鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用，如國家體育場“鳥巢”[4]、上海世博會英國館[5]、杭州東站[6]、亞運(yùn)會杭州奧體網(wǎng)球中心[7-8]、國家速滑館[9]、北京大興機(jī)場。

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了針對雄安站屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的無線監(jiān)測系統(tǒng)。針對該結(jié)構(gòu)的建筑特點(diǎn)提出了相應(yīng)的測點(diǎn)布置方案，結(jié)合監(jiān)測方案設(shè)計(jì)了多物理量實(shí)時(shí)采集的無線采集網(wǎng)絡(luò)以及多功能數(shù)據(jù)分析的智慧平臺。分析了運(yùn)營階段的屋蓋鋼結(jié)構(gòu)環(huán)境在荷載作用下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了無線監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。隨著該無線監(jiān)測系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)量大幅增加，結(jié)構(gòu)實(shí)際受力與變形狀態(tài)更加明確。

1 工程概況

雄安站綜合交通樞紐作為目前亞洲已建成建筑規(guī)模最大車站，總建筑面積為47.52萬m2，建筑總高度為47.20m。屋蓋平面呈橢圓形，長軸長度為450m，短軸長度為355.5m，為復(fù)雜超長結(jié)構(gòu)[10]。鋼結(jié)構(gòu)部分基于屋蓋建筑效果以及防水功能的需要，沿軌道和垂直軌道方向分別設(shè)1,2道變形縫，劃分為6個(gè)結(jié)構(gòu)單元，跨越下部2個(gè)或以上混凝土分區(qū)結(jié)構(gòu)單元，由于上、下結(jié)構(gòu)分縫位置不一致，形成了多塔連體結(jié)構(gòu)，屋蓋分區(qū)如圖1所示。結(jié)構(gòu)分區(qū)三維模型如圖2所示，其中Ⅰ2與Ⅱ2分區(qū)為候車廳；Ⅰ 1，Ⅰ 3與Ⅱ 1，Ⅱ 3分區(qū)為雨棚，其中Ⅰ 1與Ⅰ 3，Ⅱ 1與Ⅱ3均是鏡面對稱。

圖1 雄安站屋蓋分區(qū)

圖2 結(jié)構(gòu)分區(qū)三維模型

候車廳采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，其跨度為78m，結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。候車廳框架柱為矩形鋼管混凝土柱，框架梁為變截面箱形鋼梁，梁端支承在V形支撐頂部；次梁截面采用箱形鋼梁，同時(shí)屋面也設(shè)置平面支撐以保證屋蓋的整體性。雨棚跨度為15～24m，其結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。雨棚框架梁采用箱形鋼梁，主梁貫通連接后與柱鉸接；次梁為H型鋼梁；屋面局部區(qū)域設(shè)置平面支撐，保證雨棚屋蓋整體性。

圖3 站房屋蓋結(jié)構(gòu)體系

2 監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 測點(diǎn)布置方案

雄安站屋蓋鋼結(jié)構(gòu)分區(qū)單元跨越多個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)單元，受力復(fù)雜。鋼結(jié)構(gòu)體量巨大，溫度改變引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形相對明顯，可能對結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生顯著的影響?；诮Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，結(jié)合環(huán)境荷載的多源性，將針對以下內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測：1)結(jié)構(gòu)溫度場；2)大跨度變截面框架箱形曲梁應(yīng)變；3)鋼混框架柱應(yīng)變；4)柱頂V形支撐應(yīng)變；5)斜撐應(yīng)變；6)滑動(dòng)支座位移；7)框架梁豎向位移。

應(yīng)變是反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件工作狀態(tài)最直接的指標(biāo)，通過對結(jié)構(gòu)的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，掌握結(jié)構(gòu)的構(gòu)件狀態(tài)。本工程采用無線振弦式應(yīng)變傳感器，用于測量結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面應(yīng)變，此傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、零點(diǎn)飄移小、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。該儀器內(nèi)置溫度傳感器，在監(jiān)測溫度的同時(shí)，可自動(dòng)修正測量溫度影響。在結(jié)構(gòu)受力較大的構(gòu)件布置測點(diǎn)，監(jiān)測敏感性構(gòu)件的工作性能，應(yīng)變(溫度)監(jiān)測區(qū)域覆蓋所有屋蓋層，安裝區(qū)域如圖4所示，無線振弦式應(yīng)變傳感器的信息與監(jiān)測項(xiàng)目匯總見表1。雨棚梁、現(xiàn)場框架柱及V形支撐無線應(yīng)變(溫度)傳感器實(shí)際安裝的效果如圖5所示。

圖4 傳感器測點(diǎn)布置圖

圖5 無線應(yīng)變(溫度)傳感器現(xiàn)場安裝照片

位移是大跨結(jié)構(gòu)整體工作狀態(tài)最直接的體現(xiàn)，通過跟蹤位移變化，可知結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下的空間位置變化，掌握結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)。本工程采用無線激光位移傳感器，此傳感器能以極低的噪聲實(shí)現(xiàn)無接觸式的距離測量，具有對自然光抗干擾能力強(qiáng)、測量穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)變形較大處布置測點(diǎn)，特別是雄安站Ⅰ2，Ⅱ2分區(qū)屋蓋采用雙向滑動(dòng)支座，以實(shí)現(xiàn)大跨度結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的釋放，因此支座位移是結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)最直接的體現(xiàn)，對掌握結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)具有非常重要的意義。根據(jù)監(jiān)測位置的不同，分別選用水平無線激光位移傳感器對支座位移進(jìn)行監(jiān)測，豎向無線激光位移傳感器對框架梁跨中豎向位移進(jìn)行監(jiān)測。位移監(jiān)測區(qū)域覆蓋所有屋蓋層，安裝區(qū)域如圖4所示，無線激光位移傳感器的數(shù)量匯總見表1。滑動(dòng)支座位移傳感器實(shí)際安裝的效果如圖6所示。

圖6 無線激光位移傳感器現(xiàn)場安裝照片

監(jiān)測項(xiàng)目與傳感器信息統(tǒng)計(jì)匯總 表1

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

基于2.1節(jié)應(yīng)變(溫度)、位移傳感子系統(tǒng)的布置情況，設(shè)計(jì)適用于雄安站屋蓋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话阌善鹗脊?jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)組成，包括星形網(wǎng)絡(luò)、鏈形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)3種基本形式，如圖7所示。其中星形網(wǎng)絡(luò)只包含起始節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)，由于局域網(wǎng)通信距離的限制，起始節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)的空間布置具有一定限制。而鏈形網(wǎng)絡(luò)通過添加中繼節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)增加了其通信距離，一定程度上突破了距離的限制，但考慮到網(wǎng)絡(luò)整體的魯棒性，中繼節(jié)點(diǎn)多重串聯(lián)增加了網(wǎng)絡(luò)整體的故障概率，且前端中繼節(jié)點(diǎn)的損壞對網(wǎng)絡(luò)整體的影響是非常巨大的，因此中繼節(jié)點(diǎn)的串聯(lián)數(shù)量具有一定限制。樹形網(wǎng)絡(luò)則繼承了鏈形網(wǎng)絡(luò)通信距離的優(yōu)勢，通過減少中繼節(jié)點(diǎn)串聯(lián)和增加中繼節(jié)點(diǎn)并聯(lián)，使得網(wǎng)絡(luò)整體的魯棒性大大提升。結(jié)合雄安站傳感子系統(tǒng)的布置情況，確定了以基站作為起始節(jié)點(diǎn)、路由接力作為中繼節(jié)點(diǎn)以及傳感器作為終端節(jié)點(diǎn)的樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄11]，如圖8所示。路由接力節(jié)點(diǎn)可以靈活地穿插在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中間層，增加了樹形網(wǎng)絡(luò)的可拓展性與靈活性。無線樹形網(wǎng)絡(luò)初始化完成之后，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備僅通過路由接力節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)，即可實(shí)現(xiàn)將命令發(fā)送到指定節(jié)點(diǎn)，或者將監(jiān)測的數(shù)據(jù)逐步發(fā)送回基站，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測命令和數(shù)據(jù)在傳感子系統(tǒng)的流動(dòng)。

圖7 無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?/p>

圖8 本工程傳感子系統(tǒng)無線樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2.3 智慧平臺設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)營期間雄安站屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的全面監(jiān)控，基于模塊化設(shè)計(jì)理念，監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、結(jié)構(gòu)健康評估4個(gè)子系統(tǒng)模塊。傳感子系統(tǒng)由3種不同類型的258個(gè)無線傳感器組成，通過樹形網(wǎng)絡(luò)將多種監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?。通過現(xiàn)場基站向傳感子系統(tǒng)發(fā)送采集指令，實(shí)現(xiàn)多種監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。經(jīng)內(nèi)部局域網(wǎng)，基站將原始數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳到本地?cái)?shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲管理。監(jiān)控中心則以智慧平臺等形式實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)庫的可視化展示以及系統(tǒng)與用戶的交互。圖9為整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸框架，顯示了監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程。圖10為雄安站智慧平臺，此平臺實(shí)現(xiàn)了實(shí)測數(shù)據(jù)查詢、監(jiān)測設(shè)備管理、報(bào)警信息管理、報(bào)告和維護(hù)日志管理等功能。

圖9 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸框架

圖10 雄安站智慧平臺

3 監(jiān)測結(jié)果

雄安站結(jié)構(gòu)無線健康監(jiān)測系統(tǒng)于2020年底搭建完成并正式投入運(yùn)行。通過對2021年第一季度結(jié)構(gòu)在環(huán)境因素作用下構(gòu)件應(yīng)變、支座位移時(shí)程監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，獲得了結(jié)構(gòu)狀態(tài)的信息，驗(yàn)證了此監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。由于測點(diǎn)數(shù)目較多，下文僅列舉測點(diǎn)布置典型區(qū)域的部分測點(diǎn)的結(jié)果進(jìn)行討論。

3.1 主要典型構(gòu)件應(yīng)變

結(jié)構(gòu)運(yùn)營期間，引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)變變化最主要的因素是環(huán)境溫度，通過跟蹤大跨度變截面框架箱形曲梁、鋼管混凝土框架柱、柱頂V形支撐等主要構(gòu)件的應(yīng)變變化，分析其應(yīng)變與環(huán)境溫度的關(guān)系。圖11為箱形曲梁測點(diǎn)S14、框架柱測點(diǎn)S04、V形支撐測點(diǎn)S05應(yīng)變與溫度關(guān)系。由圖11可以看出，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)變與環(huán)境溫度呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系；采用最小二乘線性回歸擬合結(jié)果顯示，構(gòu)件應(yīng)變與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)R2均在0.9左右，這表明構(gòu)件應(yīng)變與環(huán)境溫度線性相關(guān)程度很高。雄安站結(jié)構(gòu)無線健康監(jiān)測系統(tǒng)成功捕捉了環(huán)境溫度對結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的影響，驗(yàn)證了應(yīng)變監(jiān)測的有效性。并且根據(jù)線性擬合的回歸系數(shù)可以看出，箱形曲梁以及V形支撐相較于框架柱，對環(huán)境溫度的變化更加敏感。

圖11 典型結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)變與溫度關(guān)系

3.2 支座位移與框架梁跨中豎向位移

結(jié)構(gòu)運(yùn)營期間，環(huán)境溫度不僅會引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)變變化，同樣對結(jié)構(gòu)變形的影響也不能忽略，通過跟蹤結(jié)構(gòu)變形縫處滑動(dòng)支座水平、縱向位移以及框架梁跨中豎向位移的變化，分析其與環(huán)境溫度的關(guān)系。圖12為滑動(dòng)支座測點(diǎn)D02、測點(diǎn)D04水平位移與溫度關(guān)系。由圖12可以看出，滑動(dòng)支座水平位移與環(huán)境溫度呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系；最小二乘線性回歸擬合結(jié)果顯示，水平位移與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)R2均在0.7左右，這表明水平位移與環(huán)境溫度線性相關(guān)程度較高。此外，由于結(jié)構(gòu)以及測點(diǎn)布置存在對稱性，因此測點(diǎn)D02的滑動(dòng)支座與測點(diǎn)D04的滑動(dòng)支座的水平位移實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致。圖13為Ⅱ1分區(qū)框架梁測點(diǎn)D05豎向位移與環(huán)境溫度關(guān)系。由圖13可以看出，豎向位移與環(huán)境溫度呈現(xiàn)一定的正相關(guān)關(guān)系；最小二乘線性回歸擬合結(jié)果顯示，豎向位移與環(huán)境溫度的相關(guān)系數(shù)R2在0.5以上，表明梁跨中豎向位移與環(huán)境溫度具有一定程度的線性相關(guān)。雄安站結(jié)構(gòu)無線健康監(jiān)測系統(tǒng)成功捕捉了環(huán)境溫度對結(jié)構(gòu)支座位移以及框架梁跨中豎向位移的影響，驗(yàn)證了位移監(jiān)測的有效性。

圖12 滑動(dòng)支座水平位移與溫度關(guān)系

圖13 框架梁跨中D05測點(diǎn)豎向位移與溫度關(guān)系

4 結(jié)語

為了實(shí)時(shí)掌握雄安站運(yùn)營期間的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，針對其屋蓋鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套完整的無線健康監(jiān)測系統(tǒng)，具體如下：

(1)提出了測點(diǎn)布設(shè)方案，建立了一個(gè)以應(yīng)變、位移和溫度3類共258個(gè)傳感器的全方位結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測感知層。

(2)對比了星形網(wǎng)絡(luò)、鏈形網(wǎng)絡(luò)及樹形網(wǎng)絡(luò)特征，確立了無線樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问剑瑯?gòu)建了以傳感器節(jié)點(diǎn)、通信路由節(jié)點(diǎn)與基站進(jìn)行信息交互的數(shù)據(jù)傳輸層。

(3)基于模塊化設(shè)計(jì)理念，開發(fā)了集成數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備管理、報(bào)警維護(hù)等多種功能的結(jié)構(gòu)監(jiān)測智慧平臺分析層。

(4)分析了2021年第一季度在環(huán)境溫度作用下的典型結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)變和位移及支座位移，得到其與環(huán)境溫度的關(guān)系，驗(yàn)證了雄安站屋蓋結(jié)構(gòu)無線健康監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。