馬騰遠(yuǎn),楊彬*,張其林,李強(qiáng)

1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海200092 2.濱州學(xué)院建筑工程系,山東濱州256600

寧波火車南站鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析

馬騰遠(yuǎn)1,楊彬1*,張其林1,李強(qiáng)2

1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海200092 2.濱州學(xué)院建筑工程系,山東濱州256600

以寧波火車南站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測為工程案例，采用有限元方法模擬計(jì)算了站房整體結(jié)構(gòu)，研究確定了監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)和傳感器布設(shè)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(jìn)行了對比分析。

大跨度鋼結(jié)構(gòu);有限元模擬;內(nèi)力監(jiān)測;結(jié)構(gòu)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(gè)主要層面組成：地下一層（主要負(fù)擔(dān)進(jìn)出站功能）、站臺(tái)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(tái)層）的土建工程大部分位于鐵路站房下。主站房及屋蓋結(jié)構(gòu)見圖1。

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

結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的意義在于實(shí)時(shí)了解和分析其結(jié)構(gòu)在各種工況下的結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力變化過程及發(fā)展趨勢，為結(jié)構(gòu)的健康運(yùn)行和安全預(yù)警作出判斷。該站房結(jié)構(gòu)在使用期內(nèi)因構(gòu)件材質(zhì)退化、內(nèi)在缺陷或外來不利因素等，都會(huì)引起應(yīng)變加大承載能力的衰減導(dǎo)致安全問題。

采用的監(jiān)測是實(shí)時(shí)的無損監(jiān)測方法，即對結(jié)構(gòu)在不同工況下明顯反映結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或變形的位置布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測其應(yīng)變進(jìn)而得知其應(yīng)力，再與結(jié)構(gòu)分析模型模擬計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析實(shí)測值與模擬值的一致性和吻合度，從而對結(jié)構(gòu)各工況下的運(yùn)行和安全作出評判。

1 有限元模擬分析

1.1 確定結(jié)構(gòu)模擬和監(jiān)測工況

經(jīng)研究分析該結(jié)構(gòu)從施工開始到結(jié)束，應(yīng)重點(diǎn)模擬和監(jiān)測的四個(gè)工況為：

第一工況：鋼拱梁尚未安裝就位時(shí)，模擬及監(jiān)測鋼拱梁應(yīng)力值；

第二工況：鋼拱梁安裝就位由胎架支撐時(shí)，模擬及監(jiān)測鋼拱梁應(yīng)力值；

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

第四工況：屋面結(jié)構(gòu)和構(gòu)件等全部荷載就位時(shí)，模擬及監(jiān)測鋼拱梁、斜撐及框架柱應(yīng)力值。

1.2 有限元模擬簡介

采用通用有限元軟件SAP2000（v14)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析以及各工況模擬。整體結(jié)構(gòu)采用空間框架模型，根據(jù)工程實(shí)際定義框架截面，屋面板采用薄Shell單元。

對于四個(gè)工況分別采用以下荷載工況進(jìn)行模擬：第一工況認(rèn)為鋼拱梁內(nèi)力及應(yīng)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(jìn)行模擬；第三工況由整體模型在自重DEADself作用下進(jìn)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(jìn)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(jié)構(gòu)監(jiān)測方案確定

2.1 監(jiān)測點(diǎn)布置

經(jīng)分析研究，站房屋蓋結(jié)構(gòu)典型鋼拱梁應(yīng)力關(guān)鍵部位有3個(gè)，故布置3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，下圖為監(jiān)測點(diǎn)布置，即跨中下表面1個(gè)、梁兩端上表面各1個(gè)，共18榀剛架，總計(jì)54個(gè)測點(diǎn)。其它監(jiān)測點(diǎn)不詳述。

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

2.2 監(jiān)測傳感器

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力采用振弦式應(yīng)變傳感器進(jìn)行監(jiān)測。它是利用弦振頻率與弦的張力變化關(guān)系來測量結(jié)構(gòu)在某一監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變，從而得知結(jié)構(gòu)在該點(diǎn)應(yīng)力。安裝時(shí)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(gòu)件表面的變形（如應(yīng)變變化）導(dǎo)致兩個(gè)安裝塊相對運(yùn)動(dòng)，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(gòu)造如圖4所示。

2.3 數(shù)據(jù)采集儀、485總線及系統(tǒng)拓?fù)鋱D

各傳感器監(jiān)測的應(yīng)變信號為4～20 mA電流模擬信號，通過接入數(shù)據(jù)采集儀后可轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字采集儀具有多路輸入接口和1個(gè)485輸出接口，可接入數(shù)個(gè)到數(shù)十個(gè)傳感器的模擬信號。本工程應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)裝置了7個(gè)數(shù)字采集儀，各數(shù)據(jù)采集儀的輸出接口并接到485總線后，其數(shù)據(jù)可順暢地傳送到上位機(jī)進(jìn)行貯存分析。應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D5所示。

圖5 應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.5 Topological graph of strain monitoring system

3 模擬及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

取典型鋼拱梁GGL4的實(shí)測值與模擬值進(jìn)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(diǎn)位置，圖6為其監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)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(diǎn)的實(shí)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(jù)分析表明：（1）各測點(diǎn)的實(shí)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(nèi)且監(jiān)測值小于模擬值，擬合程度較好；（2）各測點(diǎn)在第一工況下監(jiān)測的初始應(yīng)力不為零，其原因在于應(yīng)變計(jì)安裝產(chǎn)生的拉壓力、溫度變化引起的溫度應(yīng)力、以及鋼構(gòu)架擺放方式導(dǎo)致的自重等因素影響；（3）各測點(diǎn)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(yīng)力影響外，還在于模型假設(shè)梁與柱的連接為剛接、梁與胎架的連接為鉸接等。而實(shí)際工程中并不存在此種連接假設(shè)，因而使得監(jiān)測值較模擬值偏小。

圖6 測點(diǎn)S-W-GGL4-1～3實(shí)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(jié)語

大跨度多層次鋼結(jié)構(gòu)交通樞紐車流物流人流量大密度大，對結(jié)構(gòu)安全要求越來越高。采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)模擬分析和新興的傳感技術(shù)、信息技術(shù)對其進(jìn)行模擬計(jì)算與實(shí)時(shí)監(jiān)測對比分析是一種新方法，特點(diǎn)是把建設(shè)前的結(jié)構(gòu)模型理論分析與建設(shè)后的實(shí)物實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)合起來，以便模擬值與監(jiān)測值對比分析和互為驗(yàn)證?？梢灶A(yù)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(shù)的發(fā)展，可促進(jìn)結(jié)構(gòu)分析理論及計(jì)算的發(fā)展，也為建筑物在使用年限內(nèi)的結(jié)構(gòu)健康運(yùn)行安裝了日常安全監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄結(jié)構(gòu)應(yīng)變應(yīng)力和安全預(yù)警，其意義是巨大的。

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

[2]張其林.大型建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和基于監(jiān)測的性態(tài)研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2011,41(12):68-75,38

[3]張其林,陳魯,朱丙虎.大跨度空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用研究[J].施工技術(shù),2011,(04):3-8

[4]張慎偉,樓昕,張其林.鋼結(jié)構(gòu)施工過程跟蹤監(jiān)測技術(shù)與工程實(shí)例分析[J].施工技術(shù),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(yuǎn)(1989-),男,在讀碩士研究生,主要從事結(jié)構(gòu)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