楊付增，賈子光，任 亮，鞠 曉，辛承祖

(1.河南省建筑工程質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心站有限公司，河南 鄭州 450053； 2.大連理工大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124221； 3.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116023；4.河南省建筑科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450053； 5.大連理工大學(xué)運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部，遼寧 大連 116024)

0 引言

大型空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)承載力強(qiáng)，外形美觀，通用性強(qiáng)[1]，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大，多用于大型體育場、會展中心、車站、機(jī)場等公共設(shè)施[2]。這些設(shè)施使用周期長、人流密集，有必要對其施工及運(yùn)營過程中的結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行監(jiān)測[3]。

近年來，國內(nèi)外越來越多研究人員從事大型場館結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[4-5]。李宏男等[6]對大連市體育場穹頂結(jié)構(gòu)徑向索、環(huán)向索和撐桿應(yīng)力及結(jié)構(gòu)整體振動和支座位移進(jìn)行監(jiān)測，為結(jié)構(gòu)安全評估提供可靠數(shù)據(jù)。陳峰[7]針對福州海峽國際會展中心擴(kuò)建工程，對鋼桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力、振動等參數(shù)進(jìn)行評估計算，保障了結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全。李平等[8]通過自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對深圳市會展中心施工運(yùn)營階段應(yīng)力、位移、溫度等進(jìn)行監(jiān)測，保障結(jié)構(gòu)安全。針對索力監(jiān)測傳感器布設(shè)困難問題，張宇鑫等[9]提出利用磁通量法和光纖光柵傳感器相結(jié)合的辦法。針對不同大跨結(jié)構(gòu)，研究人員還進(jìn)行相應(yīng)算法研究[10-11]。徐菁等[12]針對凱威特型單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場監(jiān)測中遇到的困難，提出用粒子群算法來優(yōu)化傳感器布置，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行損傷識別，提高了損傷識別精度，降低了監(jiān)測成本。盧偉[13]利用主成分分析法和系統(tǒng)聚類法優(yōu)化傳感器布置，并應(yīng)用于深圳市福田交通樞紐鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

本文以鄭州奧體中心體育場屋蓋施工過程為例，開發(fā)新型多用途數(shù)據(jù)采集設(shè)備及監(jiān)測系統(tǒng)，對施工期間應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。對巨型三角桁架和車輻式索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在提升、焊接、卸載等階段的應(yīng)力變化進(jìn)行研究。對施工過程中吊點(diǎn)、牛腿等關(guān)鍵部位單獨(dú)進(jìn)行分析。在屋蓋主體結(jié)構(gòu)施工完成后，為研究后續(xù)屋面施工對結(jié)構(gòu)的影響，對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了長達(dá)1年的應(yīng)力監(jiān)測。

1 工程概況

鄭州奧體中心體育場屋蓋平面近似圓形(見圖1)，東西向長331.6m，南北向長291.5m；看臺罩棚東西向懸挑長54.1m，南北向懸挑長30.8m。賽場內(nèi)罩棚采用新式雜交空間結(jié)構(gòu)，即上弦為剛性網(wǎng)架，下弦為張拉索桿體系，整體呈車輻式形狀(見圖2)。賽場外區(qū)域罩棚為正放四角錐雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，寬20～32m，呈環(huán)狀，位于屋面外圍。此外，南北向空中連廊跨度82m，采用三角形巨型桁架結(jié)構(gòu)。體育場立面為平面桁架結(jié)構(gòu)，作為網(wǎng)格支撐。

圖1 體育場結(jié)構(gòu)示意

圖2 車輻式索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測起源于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，其應(yīng)用范圍和功能也越來越多樣化[14]。不僅實(shí)現(xiàn)了長期在線監(jiān)測，而且能對結(jié)構(gòu)物老化、損傷累積做出定量分析[15]。一套完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)包含傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)(見圖3)。傳感器子系統(tǒng)包括多種類型傳感器測量待測結(jié)構(gòu)相應(yīng)物理量。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集傳感器信號，并將信號傳輸至數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理分析采集到的信號，評估結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其軟件部分可與數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相互融合，有效提高工作效率，簡化流程。因此，開發(fā)對應(yīng)于相應(yīng)工程需要的數(shù)據(jù)采集設(shè)備至關(guān)重要。

圖3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 多類型同步數(shù)據(jù)采集設(shè)備

對于超大型工程結(jié)構(gòu)，需應(yīng)變、位移、加速度、傾角等傳感器共同滿足監(jiān)測需要。而且，為保證所有監(jiān)測數(shù)據(jù)同步，需保證不同種類傳感器能同時刻、同頻率地進(jìn)行采集。

本文開發(fā)的多類型同步數(shù)據(jù)采集儀如圖4所示，該采集儀具有15個光纖信號通道，32個電類信號通道。光纖光柵傳感器通過FC/APC接口連接，電類傳感器則通過全橋或半橋進(jìn)行傳輸。在設(shè)備內(nèi)部內(nèi)置5個基本解調(diào)模塊，分別為光纖解調(diào)模塊、數(shù)字I/O模塊、電壓模塊、電流模塊及GPS同步模塊，用以解調(diào)不同信號。該多類型同步采集儀基本參數(shù)如表1所示。

圖4 多類型同步數(shù)據(jù)采集儀

表1 多類型同步采集儀基本參數(shù)

采集儀控制軟件流程如圖5所示，主要由3個模塊組成：現(xiàn)場可編輯門陣列(FPGA)，實(shí)時控制器(realtime controller)和上位機(jī)程序(calculation terminal)。

圖5 采集系統(tǒng)軟件流程

通過以上硬件設(shè)施和控制軟件相互結(jié)合，該多類型同步采集儀實(shí)現(xiàn)了以下功能。

1)多類型傳感器信號的實(shí)時同步采集。FPGA內(nèi)置40MHz全局基準(zhǔn)時鐘對光學(xué)和電學(xué)類傳感器局域時鐘進(jìn)行定時校準(zhǔn)。

2)智能化數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)能根據(jù)日期將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分段分類保存，避免大量數(shù)據(jù)無效堆積給服務(wù)器存儲空間帶來壓力。

3)全方位數(shù)據(jù)顯示界面。該系統(tǒng)用戶界面有兩種數(shù)據(jù)顯示形式：①可顯示各監(jiān)測點(diǎn)傳感器時程曲線，掌握具體數(shù)據(jù)；②可直觀顯示三維空間結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，并根據(jù)用戶要求進(jìn)行旋轉(zhuǎn)縮放。這兩種顯示界面相結(jié)合的方法幫助相關(guān)人員及時了解結(jié)構(gòu)動態(tài)，保障施工安全。

2.2 應(yīng)力監(jiān)測方案

建立體育場屋蓋有限元模型，通過計算得出傳感器安裝測點(diǎn)。根據(jù)體育場桁架有限元模型結(jié)構(gòu)分析結(jié)果(見圖6)及相應(yīng)施工順序，參照同類型結(jié)構(gòu)監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)，制訂相應(yīng)監(jiān)測方案。以巨型三角桁架和車輻式索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)果為例，對其在施工過程中的應(yīng)力變化進(jìn)行分析。因施工階段周期較長，溫差變化較大，選用本項目組開發(fā)的低溫敏光纖光柵應(yīng)變傳感器降低溫度對監(jiān)測結(jié)果的影響。

圖6 體育場桁架豎向位移計算結(jié)果(單位：mm)

2.2.1巨型三角桁架傳感器布置

巨型三角桁架由上層三角形桁架和兩側(cè)鋼制筒柱組成。在每根筒柱內(nèi)灌注混凝土以加強(qiáng)強(qiáng)度。三角形桁架在地面組裝完成后，通過液壓裝置利用鋼纜吊裝至預(yù)定位置，然后與兩側(cè)部分進(jìn)行焊接。

根據(jù)有限元計算結(jié)果，在三角形桁架上布置76個應(yīng)變傳感器，在桁架內(nèi)側(cè)、外側(cè)和底側(cè)分別布置28，24，24個。在三角形桁架提升、焊接和卸載階段監(jiān)測其應(yīng)變變化。根據(jù)桿件受力特點(diǎn)，在不同桿件外側(cè)布置2個或4個應(yīng)變傳感器，分別標(biāo)注為三角形和正方形測點(diǎn)(見圖7)。正方形測點(diǎn)主要針對管徑較大且受力復(fù)雜的三角桁架弦桿；三角形測點(diǎn)則針對起輔助作用且受力較小的桁架腹桿。為獲取較大的應(yīng)變響應(yīng)，所有測點(diǎn)均位于對應(yīng)桿件中部位置。

圖7 測點(diǎn)布置

2.2.2索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)傳感器布置

車輻式索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)由徑向索、環(huán)向索和撐桿組成。徑向索呈折線布置共42榀；環(huán)向索為橢圓形空間曲線，長軸處標(biāo)高高于短軸處。在施工過程中，通過分批次分階段張拉徑向索，為整個索網(wǎng)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，因此，針對徑向索應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測。同時根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性，只選取1/4橢圓徑向索安裝傳感器。索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)測點(diǎn)布置如圖8所示，布置56個正方形測點(diǎn)，共計224個傳感器。傳感器均布置于索桿端頭向內(nèi)1倍管徑處。

圖8 索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)測點(diǎn)布置

2.3 光纖光柵傳感器安裝

光纖光柵傳感器夾持支座安裝方法主要有焊接和膠粘兩種。膠粘法操作簡單，適用于短期監(jiān)測，但穩(wěn)定性易受溫度、濕度和酸堿性等因素影響，因此，一般選擇焊接形式進(jìn)行安裝。

為保證安裝在表面的兩端夾持器與傳感器弧面保持一定同軸度，準(zhǔn)備若干同軸度保持棒，控制兩端夾持支座間距為6mm并夾緊，將帶棒夾持裝置與待測表面焊接。焊接完成后取下同軸保持棒，安裝光纖光柵傳感器。手動預(yù)拉伸光纖光柵傳感器，預(yù)拉伸產(chǎn)生的波長變化量為0.5～1nm，然后將光纖光柵傳感器安裝在支座正中間。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 三角桁架提升與卸載結(jié)果分析

三角桁架在地面完成拼裝后，在牛腿上安裝液壓千斤頂對桁架進(jìn)行預(yù)提升。預(yù)提升高度為1m，持續(xù)時間約30min。臨時在牛腿處與三角桁架吊點(diǎn)相應(yīng)位置設(shè)置傳感器，監(jiān)測應(yīng)力變化。

提升吊點(diǎn)設(shè)置在三角桁架兩端自由端，共4個吊點(diǎn)，在每個吊點(diǎn)位置設(shè)置上下對稱的2個傳感器，共8個傳感器，測點(diǎn)及吊點(diǎn)布置如圖9所示。吊點(diǎn)1-1，1-2應(yīng)力時程曲線如圖10所示，吊點(diǎn)1-1處應(yīng)力為正，1-2處應(yīng)力為負(fù)；說明該桿件下側(cè)受拉，上側(cè)受壓，符合實(shí)際情況。所有吊點(diǎn)處最大應(yīng)力如表2所示，同側(cè)應(yīng)力均處于同一水平，且小于桿件屈服強(qiáng)度，說明吊點(diǎn)安全。

圖9 三角桁架底部測點(diǎn)及吊點(diǎn)布置

圖10 吊點(diǎn)1-1,1-2應(yīng)力時程曲線

表2 吊點(diǎn)處最大應(yīng)力 MPa

在預(yù)提升期間，對比各測點(diǎn)處應(yīng)力響應(yīng)得出,三角桁架底部跨中3，4號測點(diǎn)有較大響應(yīng)值，且能代表桁架整體受力情況，提取分析監(jiān)測數(shù)據(jù)。3號測點(diǎn)1～4號傳感器應(yīng)力時程曲線如圖11a所示。4個傳感器在施工過程中，應(yīng)力均為正值且數(shù)值較為接近，表明該處桿件只受到軸向拉力，無彎矩作用。4個傳感器最大應(yīng)力值分別為51.8，48.9，44.7，49.5MPa，均小于材料屈服極限，說明結(jié)構(gòu)安全。4號測點(diǎn)處各傳感器應(yīng)力時程曲線如圖11b所示。其中2，3號傳感器應(yīng)力為正值，最大拉應(yīng)力分別為40.8，38.4MPa；4號傳感器應(yīng)力接近于0，最大值僅為0.9MPa；1號傳感器應(yīng)力為負(fù)值，最大壓應(yīng)力為-9.6MPa。綜合各傳感器數(shù)據(jù)可知，該構(gòu)件同時受到軸向力和彎矩作用。根據(jù)應(yīng)力變化范圍可以看出，該結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

圖11 預(yù)提升階段3，4號測點(diǎn)應(yīng)力時程曲線

三角桁架預(yù)提升結(jié)束且應(yīng)力穩(wěn)定后，對其進(jìn)行分段提升。即每提升一段距離調(diào)整1次千斤頂液壓，直至預(yù)定位置。分段提升階段共用時12h，提升速度較緩慢。提升階段3，4號測點(diǎn)應(yīng)力時程曲線如圖12所示。由圖12可知，在提升過程中最大應(yīng)力值來自4-2傳感器，應(yīng)力變化幅度為3.1MPa。綜合3，4號測點(diǎn)各傳感器，應(yīng)力均在4MPa以內(nèi)。此外，其他測點(diǎn)應(yīng)力處于較低水平，不作單獨(dú)討論。證明提升階段對桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響不大，結(jié)合預(yù)提升階段應(yīng)力分布，結(jié)構(gòu)在提升階段均處于安全范圍。

圖12 提升階段3，4號測點(diǎn)應(yīng)力時程曲線

2017年10月2日將三角桁架與兩側(cè)筒柱焊接完成，11月9日對牛腿處液壓千斤頂逐級卸載直至外力為0。牛腿處結(jié)構(gòu)較小但作為整體結(jié)構(gòu)在施工過程中的主要支撐點(diǎn)，有必要對其進(jìn)行監(jiān)測。在牛腿上距初始點(diǎn)0.5m處安裝1個光纖光柵傳感器(FBG)；同時安裝1條長度為1.15m的分布式光纖傳感器(見圖13)，監(jiān)測牛腿在長度范圍內(nèi)的應(yīng)力隨卸載時間的變化。應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如圖14所示，在同一時刻，光纖光柵傳感器(FBG)與分布式光纖傳感器0.5m處監(jiān)測結(jié)果基本吻合。隨著卸載進(jìn)行，牛腿處壓應(yīng)力逐漸增大，最大值仍在安全范圍內(nèi)。與光纖光柵傳感器相比，分布式光纖傳感器監(jiān)測結(jié)果顯示牛腿處應(yīng)力沿長度并非均勻分布而有微小波動。

圖13 牛腿處傳感器布置

圖14 卸載過程中牛腿應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

仍以底部桁架3，4號測點(diǎn)處應(yīng)力變化為依據(jù)，分析桁架結(jié)構(gòu)在焊接、卸載過程中的應(yīng)力變化。3，4號測點(diǎn)在41d內(nèi)應(yīng)力變化如圖15所示。各傳感器應(yīng)力相對變化與預(yù)提升階段大致相同，焊接后3號測點(diǎn)應(yīng)力值明顯增大，4號測點(diǎn)4-2,4-3傳感器應(yīng)力值增大而4-1,4-4應(yīng)力值減小。這是由于焊接完成后桁架結(jié)構(gòu)與支撐筒柱形成了一個新的整體，應(yīng)力重分布。在卸載后各傳感器應(yīng)力值緩慢減小，最大應(yīng)力變化約為20MPa，表明應(yīng)力釋放和內(nèi)力在結(jié)構(gòu)內(nèi)重新分布等存在一定時變性，因此，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測十分必要。

圖15 底部桁架3，4號測點(diǎn)在施工各階段的應(yīng)力時程曲線

3.2 索承網(wǎng)格徑向預(yù)張拉施工結(jié)果分析

根據(jù)索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過拉伸徑向索施加預(yù)應(yīng)力。然后根據(jù)1/4對稱性原則，對徑向索分批次分級張拉直到安裝完成。張拉施工共分為6個階段，每階段分2批，第1，2批分別有22，20榀徑向索(見圖16)。施工方案如下：①GK1(預(yù)緊)，預(yù)緊全部徑向索；②GK2(張拉至30%)，先張拉第1批，后張拉第2批，③GK3(張拉至50%)，先張拉第2批，后張拉第1批，④GK4(張拉至70%)，先張拉第1批，后張拉第2批，⑤GK5(張拉至90%)，先張拉第2批，后張拉第1批，⑥GK6(張拉至100%)，先張拉第1批，后張拉第2批。

圖16 徑向索張拉示意

張拉施工從2018年3月29日開始，GK1用時1d，GK2～GK6各批次用時1d，共11d。

將各測點(diǎn)實(shí)測最大應(yīng)力與有限元計算結(jié)果進(jìn)行對比，如表3所示。由表3可知，在GK1～GK3階段，有限元計算結(jié)果與實(shí)測值差距較大，且有限元計算值無明顯增大；隨著張拉強(qiáng)度的提升，實(shí)測應(yīng)力值逐級升高。造成這種差異的原因主要有：實(shí)測位置與有限元計算中最大應(yīng)力位置不完全一致；施工過程中施工順序及外界環(huán)境均會對實(shí)測值造成影響；有限元計算結(jié)果為等效應(yīng)力，而實(shí)測值只考慮軸向應(yīng)力。因此，有限元模擬并不能給出分批次張拉對結(jié)構(gòu)后續(xù)施工的影響，表明現(xiàn)場監(jiān)測對保證施工安全有重要意義。

表3 最大應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果與有限元分析結(jié)果對比

3.3 長期監(jiān)測結(jié)果分析

索承網(wǎng)格徑向索安裝完成后，桁架整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，只進(jìn)行后續(xù)金屬屋面安裝等裝飾工作，不會產(chǎn)生較大應(yīng)力。因此，對部分區(qū)域應(yīng)力在較長一段時間內(nèi)的變化進(jìn)行分析。選取應(yīng)力響應(yīng)最大的傳感器數(shù)據(jù)代表整個區(qū)域。

部分索承網(wǎng)格傳感器在2018年4月至2019年4月發(fā)生的應(yīng)力波動情況如圖17所示。由圖17可知，結(jié)構(gòu)應(yīng)力整體保持穩(wěn)定，只有在少數(shù)情況下有波動。如S20-2桿件在2018年6—7月金屬屋面安裝時，應(yīng)力值降低了22.9MPa。S16-2桿件在2018年10—12月與2019年2—3月分別產(chǎn)生了2次較大波動。第1次由相鄰區(qū)域施工造成，而第2次由該區(qū)域金屬屋面安裝造成。因此，除了相應(yīng)的施工造成應(yīng)力變化外，應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果均無太大變化，說明該系統(tǒng)在長期監(jiān)測下具有較好的穩(wěn)定性。

圖17 長期應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)語

1)本文開發(fā)的多類型同步采集儀和數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)同步采集、自動分類存儲，具有良好的人機(jī)交互界面。

2)巨型三角桁架底部桁架測點(diǎn)和吊點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果顯示，提升過程中應(yīng)力變化均在安全范圍內(nèi)。牛腿處分布式應(yīng)變傳感器能反映出應(yīng)力在長度和時間上的變化。焊接和卸載后，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)重分布，表明應(yīng)力變化存在一定時效性。

3)索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在分批次分階段張拉過程中，應(yīng)力與張拉強(qiáng)度呈線性關(guān)系。此外，當(dāng)?shù)貧鉁乇O(jiān)測結(jié)果也表明低溫敏光纖傳感器能避免溫度對應(yīng)力結(jié)果的影響。

4)底部桁架3，4號測點(diǎn)長期監(jiān)測結(jié)果表明，應(yīng)力整體保持穩(wěn)定，但在相關(guān)施工區(qū)域應(yīng)力出現(xiàn)相應(yīng)波動。