自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大型鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

【摘要】大型鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，荷載較大，為確保結(jié)構(gòu)安全，必須在施工及運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，詳細(xì)了解的結(jié)構(gòu)形變與受力情況。利用傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)的手段方法進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)不僅效率低、測(cè)量誤差大，同時(shí)無(wú)法保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性與監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。針對(duì)上述問(wèn)題，以某美術(shù)館施工與運(yùn)營(yíng)期間的健康監(jiān)測(cè)為例，對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用于大型鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明分析，為同類(lèi)型項(xiàng)目提供一定的技術(shù)支撐。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)； 健康監(jiān)測(cè)； 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU196+.1A

0 引言

當(dāng)大型鋼結(jié)構(gòu)建筑在施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受地質(zhì)條件、地震、荷載及外力作用變化等影響時(shí)，極有可能會(huì)引起內(nèi)部應(yīng)力的變化，當(dāng)應(yīng)力變化超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，建筑物可能就會(huì)遭到破壞。因此，必須及時(shí)地對(duì)其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全天候的健康監(jiān)測(cè)，隨時(shí)監(jiān)視變形與應(yīng)變的發(fā)展，在未造成損失以前，及時(shí)采取補(bǔ)救措施，保證整體結(jié)構(gòu)的安全性。同時(shí)通過(guò)健康監(jiān)測(cè)的結(jié)果，也可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，為提高設(shè)計(jì)質(zhì)量提供科學(xué)的依據(jù)［1-3］。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)手段方法不僅需要耗費(fèi)大量的人力物力，而且不能保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的全天候?qū)崟r(shí)獲取。同時(shí)對(duì)于一些特殊造型的鋼結(jié)構(gòu)建筑，可能由于監(jiān)測(cè)人員進(jìn)入困難導(dǎo)致不能準(zhǔn)確獲取需監(jiān)測(cè)部位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的需求。

隨著時(shí)代的進(jìn)展，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始在軌道交通、水電大壩中應(yīng)用。高精度、全天候、自動(dòng)化程度高的監(jiān)測(cè)手段較大程度地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)手段方法的不足。本文利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)，對(duì)某大型鋼結(jié)構(gòu)美術(shù)館進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，并通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，說(shuō)明自動(dòng)化監(jiān)測(cè)能夠滿足大型鋼結(jié)構(gòu)建筑健康監(jiān)測(cè)的需求，保證結(jié)構(gòu)安全。

1 項(xiàng)目背景

該美術(shù)館由地下兩層大底盤(pán)地下室，地上三層結(jié)構(gòu)單體組成。地上結(jié)構(gòu)最大標(biāo)高30.30 m，最大跨度50.4 m，主桁架跨度為118.8 m。主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土簡(jiǎn)體+鋼桁架組合結(jié)構(gòu)，采用兩個(gè)核心簡(jiǎn)支撐鋼桁架承載方式，美術(shù)館立面如圖1所示。

對(duì)于該美術(shù)館，對(duì)其進(jìn)行健康體系監(jiān)測(cè)非常必要，主要體現(xiàn)在幾點(diǎn)：

（1）美術(shù)館桁架跨較大，桿件眾多，施工工藝較為復(fù)雜，使得結(jié)構(gòu)實(shí)際受力與設(shè)計(jì)計(jì)算會(huì)有一定偏差。

（2）現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量也無(wú)法保證全無(wú)瑕疵，可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)初始缺陷，危及結(jié)整體構(gòu)的安全。

（3）同時(shí)在施工與運(yùn)營(yíng)期間由于存在材料、地震、溫度、地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變形等不確定因素的影響，結(jié)構(gòu)的整體荷載也不可知。

通過(guò)上述分析，美術(shù)館整體結(jié)構(gòu)在施工與運(yùn)營(yíng)期間須進(jìn)行科學(xué)、完善的健康監(jiān)測(cè)，通過(guò)健康監(jiān)測(cè)結(jié)果確定實(shí)際施工與設(shè)計(jì)模型間的偏差影響、施工初始缺陷影響以及設(shè)計(jì)階段不可預(yù)知的外部荷載影響，保證整體結(jié)構(gòu)的安全。

2 監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)GB 50982-2014《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范與設(shè)計(jì)文件中的相關(guān)技術(shù)要求，本次美術(shù)館健康監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)對(duì)象及內(nèi)容分為三部分［4-5］，見(jiàn)表1。

2.1 沉降監(jiān)測(cè)

靜力水準(zhǔn)儀利用連通液的原理，多支通過(guò)連通管連接在一起的儲(chǔ)液罐的液面總是在同一水平面，通過(guò)測(cè)量不通儲(chǔ)液罐的液面高度，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出各個(gè)靜力水準(zhǔn)儀的相對(duì)差異沉降［6-7］（圖2）。

對(duì)鋼桁架盒子以及核心筒部分進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，將靜力水準(zhǔn)儀安裝在核心筒四角、鋼桁架大懸挑鋼梁懸挑端、大跨度鋼格架中部以及盒子部分兩端懸挑墻，鋼桁架盒子四角及中間柱基上，共計(jì)14個(gè)，具體見(jiàn)圖3。

2.2 傾斜監(jiān)測(cè)

傾斜儀是測(cè)量物體隨時(shí)間的傾斜變化及鉛垂線隨時(shí)間變化的儀器。儀器中感應(yīng)傾變量的檢測(cè)器是擺，有鉛垂擺、水平擺、交叉擺及水準(zhǔn)器、連通管等多種形式?？煞譃閿[基座和擺體兩部分，一旦擺基座出現(xiàn)傾斜，或鉛垂線發(fā)生變化，就會(huì)引起擺體的角位移通過(guò)式（1）、式（2）即可獲取待測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)的傾角變化與傾斜率［8］：

Δθ=arcsin（G×B×（R₁-R₀））（1）

D=L×sinθ（2）

式中：G為儀器系數(shù)，由率定表給出；B為改正系數(shù)；R1為當(dāng)前讀數(shù)；R0為初始讀數(shù)；L為測(cè)斜儀的安裝長(zhǎng)度。

對(duì)鋼桁架盒子以及核心筒部分進(jìn)行傾斜監(jiān)測(cè)，將雙軸傾角計(jì)安裝在美術(shù)館二層對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)體上，鋼桁架盒子四角及部分柱基上各布設(shè)一個(gè)，每個(gè)核心筒四角各布設(shè)一個(gè)，共計(jì)16個(gè)平面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。具體安裝位置如圖4所示。

2.3 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)

當(dāng)結(jié)構(gòu)物受力或因溫度變化發(fā)生線性伸縮變形時(shí)，與結(jié)構(gòu)物剛性固連的應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生同步變形，通過(guò)前、后段座傳遞給振弦使其產(chǎn)生應(yīng)力變化，從而改變振弦固有振動(dòng)頻率。通過(guò)式（3）、式（4）即可將頻率變化轉(zhuǎn)換為應(yīng)力變化值（圖5）。

ε=k×（f²₁-f²₀）（3）

式中：ε為被測(cè)結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變改變量（10-6）；k為出廠率定（校準(zhǔn)）系數(shù)；f為應(yīng)變計(jì)的實(shí)時(shí)測(cè)量頻率（Hz）。

σ=ε×E（4）

式中：σ為被測(cè)結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力（MPa）；E為被測(cè)結(jié)構(gòu)物的彈性模量（MPa）。

對(duì)美術(shù)館鋼桁架盒子部分進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)時(shí)，將表貼式應(yīng)變計(jì)分別安裝于主桁架水平桿中段、兩個(gè)核心筒大懸挑梁懸挑端及盒子四角主桁架懸挑端部，共計(jì)14個(gè)應(yīng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)。具體安裝位置如圖6所示。

2.4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)

自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)綜合測(cè)量系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)、客戶終端等系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)各類(lèi)工程安全監(jiān)測(cè)儀器的自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、圖表顯示、數(shù)據(jù)預(yù)警等工作。系統(tǒng)軟件基于B/S構(gòu)架的WINDOWS工作平臺(tái)，集用戶管理、測(cè)量管理、數(shù)據(jù)管理、通信管理與一身，為工程安全的自動(dòng)化測(cè)量及數(shù)據(jù)處理提供極大的方便和有力的支持。

3 監(jiān)測(cè)成果分析

本次美術(shù)館健康監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量較大，選取建筑主體結(jié)構(gòu)荷載情況變化較為明顯的時(shí)間段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，9月28日至12月27日的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線如圖7～圖9所示。

（1）根據(jù)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)變化曲線可知，前期美術(shù)館整體結(jié)構(gòu)處于較穩(wěn)定狀態(tài)，從10月22日起開(kāi)始出現(xiàn)明顯的變化趨勢(shì)。鋼桁架上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量與傾斜率要大于核心筒處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量，四角主桁架懸挑端部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化量要大于主核心筒大懸挑梁懸挑端監(jiān)測(cè)點(diǎn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況信息，施工單位于10月15日起開(kāi)始對(duì)美術(shù)館兩端展廳進(jìn)行內(nèi)裝施工，隨著內(nèi)裝施工進(jìn)行，美術(shù)館結(jié)構(gòu)荷載處于持續(xù)增大狀態(tài)，同時(shí)兩端展廳主桁架懸挑端部荷載要高于主桁架水平桿中段與核心筒大懸挑梁懸挑端，因此各項(xiàng)監(jiān)測(cè)變化情況呈現(xiàn)明顯區(qū)別。

（2）至11月15日展廳內(nèi)裝施工完成進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期間，美術(shù)館結(jié)構(gòu)荷載增加停止，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)變化開(kāi)始趨于穩(wěn)定，且在后期運(yùn)營(yíng)期間整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯位移與應(yīng)力變化。

（3）結(jié)合整體監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)工況信息可知，本次美術(shù)館健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容具有較高的一致性，能較準(zhǔn)確地反映荷載變化引起的結(jié)構(gòu)形變與應(yīng)力變化。美術(shù)館整體結(jié)構(gòu)的變形與受力狀態(tài)在施工與運(yùn)營(yíng)期間均未超過(guò)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)關(guān)鍵構(gòu)件均處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)例簡(jiǎn)單介紹了由靜力水準(zhǔn)儀、傾斜儀以及表貼式計(jì)組成的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作方法。通過(guò)對(duì)美術(shù)館施工與運(yùn)營(yíng)階段持續(xù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，獲取了不同荷載影響下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)掌握了結(jié)構(gòu)形變與應(yīng)力變化，為不同階段的美術(shù)館結(jié)構(gòu)安全提供了有效保障。同時(shí)也驗(yàn)證了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑健康監(jiān)測(cè)方面的適用性，為同類(lèi)型工程提供了一定的技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)

［1］ 徐明春.大跨度鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究［J］.建材世界，2023，44（3）：93-96.

［2］ 廖小平.某大型體育館預(yù)應(yīng)力拱形桁架屋蓋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［J］.住宅產(chǎn)業(yè)，2023（3）：86-89.

［3］ 王曉倩.某優(yōu)秀歷史戲院二層看臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與分析［J］.綠色建筑，2023，15（3）：58-61.

［4］ 賈化平，欒帥，王文超，等.自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在某鐵路橋擴(kuò)能改造中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2023，49（14）：163-166.

［5］ 潘小波.全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2021，44（3）：210-212+216.

［6］ 劉新宇，王勇，唐超.靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于地鐵隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)［J］.測(cè)繪通報(bào)，2021（8）：69-73.

［7］ 劉星雨.橋梁健康監(jiān)測(cè)工作中靜力水準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐分析［J］.價(jià)值工程，2023，42（15）：159-161.

［8］ 陳建峰，劉哲寧.沉降傾角綜合測(cè)量?jī)x在邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2021，38（9）：149-153.