太原植物園主入口結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方案分析★

張 杰，郝 冬，許宸嘉，焦晉峰，雷宏剛

(1.太原植物園，山西 太原 030025； 2.太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一種實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測技術(shù)，指運(yùn)用現(xiàn)場的無損傳感技術(shù)，通過分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)以達(dá)到監(jiān)測結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷或老化的目的，是保障復(fù)雜的大型土建結(jié)構(gòu)安全和實(shí)時(shí)維護(hù)的有效方法。通常測點(diǎn)數(shù)量越多，對結(jié)構(gòu)整體狀況的把控也會(huì)更全面，然而實(shí)際工程應(yīng)用中需要考慮監(jiān)測的經(jīng)濟(jì)性與效率，故在滿足經(jīng)濟(jì)性與可靠性的前提下合理布置傳感器成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題。文獻(xiàn)[1-3]對測點(diǎn)的優(yōu)化布置進(jìn)行了研究討論，提出傳感器的優(yōu)化布置原則；針對復(fù)雜大跨空間結(jié)構(gòu)的測點(diǎn)優(yōu)化，很多學(xué)者提出了不同的優(yōu)化方案[4-5]，主要為有效獨(dú)立法、模態(tài)動(dòng)能法、模型縮聚法、QR分解法、遺傳算法以及敏感性分析法等；文獻(xiàn)[6-7]在傳統(tǒng)測點(diǎn)優(yōu)化布置方法的基礎(chǔ)上展開研究，豐富了傳感器測點(diǎn)布置的理論。

本文依托太原植物園主入口大跨懸挑空間鋼結(jié)構(gòu)為工程背景，從應(yīng)變監(jiān)測、風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測、溫度監(jiān)測與振動(dòng)監(jiān)測四個(gè)方面實(shí)時(shí)監(jiān)測植物園主入口，基于對結(jié)構(gòu)的有限元分析研究主入口各類傳感器的優(yōu)化布置方案，旨在為結(jié)構(gòu)的后續(xù)健康評估與可能存在的加固鑒定需求提供數(shù)據(jù)支持。

1 工程概況

太原植物園位于山西省晉源區(qū)太山腳下，總面積約1.82×106m2。該工程是太原市鞏固國家園林城市成果，創(chuàng)建國家生態(tài)園林城市的重要條件之一。園區(qū)內(nèi)主要有5大建筑，分別為主入口建筑、展覽溫室、盆栽博物館、濱水餐廳、科研中心。本次健康監(jiān)測的主入口建筑為雙向桁架組成的懸挑鋼結(jié)構(gòu)，縱向跨度71 m，橫向跨度40 m～58 m，最大高度13.4 m，最大懸挑長度40.5 m。主入口上部結(jié)構(gòu)采用鋼管桁架體系，縱向?yàn)閼姨糁麒旒?，橫向?yàn)榇舞旒?。結(jié)構(gòu)中部由于自動(dòng)扶梯通道開直徑約30 m的大洞口，洞口穿過絕大部分的橫向次桁架。其結(jié)構(gòu)體系示意圖如圖1所示。

太原植物園主入口作為植物園的重要建筑區(qū)域之一，是一個(gè)大跨度、大懸挑的鋼結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)形式新穎、構(gòu)造復(fù)雜、受力敏感。與此同時(shí)，建成運(yùn)營之后，主入口作為植物園最主要的觀光區(qū)域之一，其巨大的人流量決定了它應(yīng)具備很高的安全級別，否則一旦發(fā)生災(zāi)害事故，將會(huì)造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。因此，針對可能出現(xiàn)的不同形式的損傷，對主體結(jié)構(gòu)在服役期進(jìn)行健康監(jiān)測、診斷以及對各種災(zāi)害影響下的損傷預(yù)測、識別與預(yù)警，不僅具有重要的科學(xué)價(jià)值，更具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 有限元模型及分析結(jié)果

本文采用Midas/Gen(2021版)有限元計(jì)算軟件對太原市植物園鋼結(jié)構(gòu)主入口建立結(jié)構(gòu)的三維力學(xué)模型，主要由框架柱、主桁架以及次桁架構(gòu)成，對結(jié)構(gòu)在不同荷載組合作用下進(jìn)行靜力性能分析，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)荷載參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)國內(nèi)相關(guān)規(guī)范選定。所有桿件均采用梁單元建立，柱子底部設(shè)置為固接。計(jì)算時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有u,v,w,θx,θy,θz六個(gè)位移分量，能夠準(zhǔn)確的反映三維框架單元的軸向、彎曲、扭轉(zhuǎn)及剪切變形。結(jié)構(gòu)的整體模型如圖2所示，荷載組合工況列于表1。

表1 荷載工況組合

計(jì)算結(jié)果表明：從結(jié)構(gòu)應(yīng)力角度分析，框架柱和四個(gè)主桁架中的構(gòu)件應(yīng)力和變形是整個(gè)結(jié)構(gòu)受力最為顯著的部分。在各荷載工況作用下,4榀主桁架結(jié)構(gòu)上的桿件應(yīng)力呈現(xiàn)出基本一致的規(guī)律,即主桁架懸挑部分中的桿件應(yīng)力普遍高于框架柱區(qū)域中桿件的應(yīng)力。主桁架懸挑結(jié)構(gòu)中,下弦桿受壓,應(yīng)力較大,上弦桿受拉,應(yīng)力相比下弦桿而言偏小。結(jié)構(gòu)中框架柱應(yīng)力比在0.5以下有較大的安全儲(chǔ)備,僅有靠近懸挑端最前排的框架柱與主桁架下弦桿交匯處局部應(yīng)力偏高,應(yīng)力比為0.7左右，最不利荷載工況為組合14；從結(jié)構(gòu)位移角度分析，各組合工況效應(yīng)作用下，總體而言豎向位移最大，縱向位移最小。距離框架柱越遠(yuǎn)的懸挑端位移值越大；同一豎桿上下兩端位移值相差不大；洞口處上側(cè)位移值大于下側(cè)。各組合工況對比下，所有測點(diǎn)在組合9的作用下位移值最大，其中最大位移達(dá)到258.59 mm。限于篇幅，本文提取出應(yīng)力最不利荷載工況(組合14)與位移最不利荷載工況(組合9)下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖與位移云圖見圖3,圖4。

2.2 荷載敏感性分析

建筑結(jié)構(gòu)服役期會(huì)受各種外部荷載的作用，而復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)對外部荷載作用的響應(yīng)更為明顯，其結(jié)構(gòu)受不同荷載的作用影響下，構(gòu)件響應(yīng)也會(huì)發(fā)生變化。為研究結(jié)構(gòu)受單一荷載作用的影響，本文在有限元軟件Midas/Gen中對太原市植物園鋼結(jié)構(gòu)主入口進(jìn)行建模分析，尋找結(jié)構(gòu)的敏感性桿件(結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力改變較大的桿件)，為傳感器測點(diǎn)布置提供可靠依據(jù)。結(jié)構(gòu)敏感性桿件包括荷載敏感性桿件，由于結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力變化能夠反映結(jié)構(gòu)受外界荷載作用的影響，故本文中受線性加載的單一荷載作用影響變化較大的桿件即為荷載敏感性桿件。為使桿件受荷載作用的影響量化，將由荷載敏感性系數(shù)SSi來判定是否為荷載敏感性桿件，具體計(jì)算如下：

SSi=|γ風(fēng)Si風(fēng)+γ雪Si雪+γ溫度Si溫度……|

(1)

其中，γ風(fēng)，γ雪，γ溫度均為荷載影響權(quán)重系數(shù)(0<γ<1)；S風(fēng)，S雪，S溫度分別為桿件對風(fēng)荷載、雪荷載、溫度荷載的敏感度。

荷載規(guī)范考慮不同單一外部荷載對結(jié)構(gòu)桿件的影響不同，規(guī)定了各單一荷載的設(shè)計(jì)值以確保結(jié)果可靠有效。為更加便捷地比較不同桿件的敏感性差別，本文將在100年一遇的荷載設(shè)計(jì)值作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力與50年一遇的荷載設(shè)計(jì)值作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力差值定義為桿件的荷載敏感度，其中單一荷載分別為風(fēng)、雪、溫度荷載，具體計(jì)算如下：

Si=Δσi=σi100+σi50

(2)

其中，σi100為桿件在某類荷載100年一遇的設(shè)計(jì)值下的應(yīng)力；σi50為桿件在某類荷載50年一遇的設(shè)計(jì)值下的應(yīng)力。綜合考慮結(jié)構(gòu)桿件在不同單工況組合作用下有限元分析結(jié)果，對各桿件敏感度進(jìn)行總結(jié)排序，找出荷載敏感度較大桿件，為后期傳感器布置提供依據(jù)。

通過前文有限元分析結(jié)果可知鋼結(jié)構(gòu)主入口中四榀主桁架懸挑部分受力較為關(guān)鍵，現(xiàn)選取四榀主桁架中ZHJ-2的懸挑區(qū)域?yàn)榇?，通過前文所述方法確認(rèn)在溫度荷載、雪荷載、風(fēng)荷載這三種環(huán)境因素的作用下，ZHJ-2懸挑部分對環(huán)境荷載敏感性較大的主要桿件，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器布置進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)算結(jié)果見圖5，對敏感度大于0.6的桿件進(jìn)行匯總，ZHJ-2有限元模型單元編號以及確定敏感構(gòu)件位置如圖6中粗線段所示。

3 健康監(jiān)測系統(tǒng)研究

3.1 傳感器布置優(yōu)化原則

以往工作人員依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)對一些較為簡單的建筑進(jìn)行傳感器布置，但隨著建筑技術(shù)的進(jìn)步，結(jié)構(gòu)形式變得復(fù)雜多變，顯然如今對于大跨度復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)而言僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)判斷傳感器測點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，故為了更加合理地布置傳感器，應(yīng)盡量結(jié)合以下幾方面進(jìn)行綜合評定：

1)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合相關(guān)理論：依靠以往經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)圖紙以及現(xiàn)場實(shí)際情況對結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)進(jìn)行大致判斷，找出復(fù)雜關(guān)鍵部位；對結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行相關(guān)有限元軟件建模理論分析，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果得出其他危險(xiǎn)部位，對所有的關(guān)鍵部位實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2)有效性結(jié)合經(jīng)濟(jì)性：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測成本主要包含傳感器購置費(fèi)、線纜、數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、安裝費(fèi)等幾個(gè)方面，傳感器數(shù)量增加，相關(guān)成本也會(huì)隨之上漲，故傳感器應(yīng)盡量少而精的布置，最有效地對結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

3)對稱性結(jié)合全面性：將傳感器布置于整體結(jié)構(gòu)相似區(qū)域中同樣位置的代表性桿件上，代表?xiàng)U件選取需合理、全面，對于特殊受力復(fù)雜部位則另行布置，綜合考慮代表?xiàng)U件與局部復(fù)雜桿件對結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測，提供合理監(jiān)測數(shù)據(jù)。

隨著科技不斷發(fā)展升級，市面上適用于健康監(jiān)測的傳感器種類越來越多，不同種類的傳感器主要功能與不足都有較大差別，監(jiān)測數(shù)據(jù)是否能安全有效地反映結(jié)構(gòu)響應(yīng)與傳感器的選型直接相關(guān)，故而結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中傳感器的選型非常重要。不同型號與價(jià)位的傳感器都可能滿足同樣的監(jiān)測要求，為了選擇最優(yōu)型號的傳感器以滿足監(jiān)測需求并盡可能滿足經(jīng)濟(jì)性等其他要求，通?？紤]傳感器如下特性[8-10]：

1)性能參數(shù)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中傳感器的相關(guān)常規(guī)參數(shù)需符合國家標(biāo)準(zhǔn)，且滿足測量要求，如表2所示。

表2 傳感器參數(shù)說明

2)兼容性。傳感器信號輸出的機(jī)理為：信號解調(diào)器先對信號進(jìn)行處理分析，而后被處理過的信號在系統(tǒng)中顯示。一般信號解調(diào)器與傳感器是相互對應(yīng)的，傳感器不同，其所需信號解調(diào)器也不同，繼而信號輸出途徑也不同，故傳感器的選型需匹配相應(yīng)的信號解調(diào)器，同時(shí)考慮通訊設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等與信號輸出方式是否一致(兼容)，且應(yīng)促進(jìn)系統(tǒng)擴(kuò)展升級。

3)耐久性與可靠性。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與建筑使用同步進(jìn)行，建筑設(shè)計(jì)使用時(shí)間較長，多為幾十年，故傳感器工作年限較長且多為室外環(huán)境，因此對傳感器的要求較高。傳感器不僅由于其精度高需提高可靠性，而且因自然溫度、濕度、風(fēng)等環(huán)境條件不斷變化，其耐久性也需符合一定的要求，增加服役時(shí)間。

3.2 應(yīng)變傳感器布置方案

對荷載敏感桿件主要分布在主桁架懸挑區(qū)靠近框架柱的位置以及上下弦桿變截面處，越靠近框架柱，桿件荷載敏感度越高。結(jié)合結(jié)構(gòu)整體分析各組合工況下桿件應(yīng)力狀況，考慮到每榀桁架的受力特點(diǎn)，每榀桁架選定6個(gè)位置作為重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域。鑒于本工程鋼桁架結(jié)構(gòu)桿件均采用圓形截面，節(jié)點(diǎn)連接均為相貫焊接，應(yīng)變傳感器均采用單向應(yīng)變傳感器，豎桿上傳感器安裝位置在桿件幾何長度中間處，按0°和180°沿桿件兩側(cè)分別布置，弦桿和腹桿安裝位置節(jié)點(diǎn)處，盡可能靠近節(jié)點(diǎn)根部。應(yīng)變傳感器選用光纖光柵應(yīng)變傳感器，自帶溫度補(bǔ)償，可根據(jù)被測物的不同材質(zhì)定制相應(yīng)的傳感器，如圖7所示。

3.3 加速度傳感器

考慮到本工程鋼結(jié)構(gòu)大懸挑、大開洞和重荷載等特點(diǎn)，結(jié)合結(jié)構(gòu)在各工況下的位移變化，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和舒適度成為監(jiān)測的關(guān)鍵內(nèi)容，選定6個(gè)測點(diǎn)(測點(diǎn)位置如圖8所示)進(jìn)行速度傳感器優(yōu)化布置，收集各個(gè)測點(diǎn)的速度-時(shí)程曲線，據(jù)此判定其頻率、加速度、扭轉(zhuǎn)特性和構(gòu)件損傷位置。振動(dòng)監(jiān)測采用磁電式速度傳感器，該傳感器采用無源閉環(huán)伺服技術(shù)，以獲得良好的超低頻特性。傳感器設(shè)有加速度、小速度、中速度和大速度四檔，它主要用于地面和結(jié)構(gòu)物的脈動(dòng)測量，高柔結(jié)構(gòu)物的超低頻大幅度測量和微弱振動(dòng)測量。

3.4 風(fēng)速與溫度傳感器

太原地區(qū)以東南和西北季風(fēng)為主，考慮結(jié)構(gòu)的對稱性，在鋼結(jié)構(gòu)屋面的東南角和西北角各布置一個(gè)風(fēng)速風(fēng)向測點(diǎn)，位于對角線頂端(如圖9所示)，各個(gè)測點(diǎn)分別設(shè)置1臺(tái)，共計(jì)2臺(tái)，主要測試場地風(fēng)速、風(fēng)向。風(fēng)速風(fēng)向傳感器采用超聲風(fēng)速風(fēng)向儀，其工作原理是利用超聲波時(shí)差法來實(shí)現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)向的測量。時(shí)差法是利用超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)路徑上傳播的速度差來確定風(fēng)速和風(fēng)向大小，可以完全消除由于安裝高度、溫度、濕度和壓差等對測量帶來的影響。

綜合考慮結(jié)構(gòu)模型在溫度荷載作用下的應(yīng)力水平、結(jié)構(gòu)對溫度的敏感度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖和現(xiàn)場查看結(jié)果，選定懸挑鋼桁架固定端(懸挑區(qū)域根部框架柱)弦桿對應(yīng)桿件進(jìn)行溫度傳感器優(yōu)化布置，每榀鋼桁架上下弦桿各1個(gè)，共計(jì)8個(gè)，選用主要應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測中的HG-T03型溫度傳感器，詳細(xì)布置如圖10所示。

4 結(jié)語

本文以太原植物園主入口大跨懸挑空間鋼結(jié)構(gòu)為工程背景，通過對該結(jié)構(gòu)的荷載敏感性分析，確定了結(jié)構(gòu)受力關(guān)鍵桿件，并基于分析結(jié)果確定了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。通過后期對該健康監(jiān)測系統(tǒng)上線后在結(jié)構(gòu)運(yùn)營期間各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析可知，太原植物園主入口健康監(jiān)測系統(tǒng)具備較高的精確性與穩(wěn)定性，在長期監(jiān)測過程中所記錄的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與國家氣象部門公布的數(shù)據(jù)高度吻合，實(shí)現(xiàn)了采集結(jié)構(gòu)環(huán)境荷載信息和結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)功能，系統(tǒng)運(yùn)營正?？煽?。該監(jiān)測系統(tǒng)可以推廣應(yīng)用于其他類似結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測當(dāng)中，為結(jié)構(gòu)后期加固維護(hù)與損傷識別提供數(shù)據(jù)支持。