張 偉

(1.福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350025)

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)[1-2]因其持續(xù)、在線、實(shí)時(shí)、可預(yù)警、智能化等監(jiān)測(cè)特性，日益成為學(xué)界及工程應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，除了相關(guān)的理論基礎(chǔ)研究外，亦不斷有相關(guān)的工程應(yīng)用研究見(jiàn)諸報(bào)導(dǎo)，但多數(shù)對(duì)于運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究多集中于橋隧結(jié)構(gòu)[3-5]，大跨空間結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究尚屬少見(jiàn)?；?，本文以布置于海峽國(guó)際會(huì)展中心屋蓋結(jié)構(gòu)上的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]為例，分析在運(yùn)營(yíng)環(huán)境下系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

1 海峽國(guó)際會(huì)展中心結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

海峽國(guó)際會(huì)展中心結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是一個(gè)以福州海峽國(guó)際會(huì)展中心鋼結(jié)構(gòu)屋蓋為平臺(tái)，應(yīng)用現(xiàn)代傳感、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、綜合報(bào)警和信息網(wǎng)絡(luò)分析處理子系統(tǒng)為一體的綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)福州海峽國(guó)際會(huì)展中心鋼結(jié)構(gòu)屋蓋在各種環(huán)境、荷載等因素作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，在特殊氣候或運(yùn)營(yíng)條件下以及結(jié)構(gòu)狀況異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，并能有效地提供福州海峽國(guó)際會(huì)展中心結(jié)構(gòu)維護(hù)、維修以及運(yùn)行管理的科學(xué)依據(jù)，顯著提高結(jié)構(gòu)的整體管理水平，從而能夠最大限度地確保結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)、預(yù)診斷結(jié)構(gòu)病害和延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命。其監(jiān)測(cè)對(duì)象的主要結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及系統(tǒng)組成

2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和安全監(jiān)測(cè)的要求，確定的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)響應(yīng)和重點(diǎn)病害兩類：①結(jié)構(gòu)響應(yīng)：整體結(jié)構(gòu)形狀、沉降、桿件應(yīng)力應(yīng)變、大跨度構(gòu)件振動(dòng)等；②重點(diǎn)部位可能病害：柱頂支座滑移監(jiān)測(cè)等。該工程依托“福州海峽國(guó)際會(huì)展中心工程若干關(guān)鍵結(jié)構(gòu)技術(shù)研究”課題對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)實(shí)施了風(fēng)振、溫度效應(yīng)、結(jié)構(gòu)靜力及動(dòng)力穩(wěn)定性分析，其中風(fēng)振分析主要是結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告，并利用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)的基于AR法模擬脈動(dòng)風(fēng)速的程序，給出福州海峽國(guó)際會(huì)展中心結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載時(shí)程曲線。溫度效應(yīng)、結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力穩(wěn)定性分析，均采用空間有限元模擬分析的方式得到該屋蓋結(jié)構(gòu)的主要響應(yīng)特性，詳細(xì)結(jié)果參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。監(jiān)測(cè)部位的確定，建立在上述詳細(xì)的結(jié)構(gòu)易損性的分析結(jié)果基礎(chǔ)上。福州海峽國(guó)際會(huì)展中心的監(jiān)測(cè)部位及內(nèi)容如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)部位及內(nèi)容

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

福州海峽國(guó)際會(huì)展中心結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理與分析兩大子系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)有機(jī)組成，數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理和控制子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)健康評(píng)估子系統(tǒng)。

該健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：具有同步、實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期、連續(xù)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的功能；具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示、存檔和遠(yuǎn)程共享能力；具有自檢、校準(zhǔn)、控制功能；具有正常狀態(tài)評(píng)估和突發(fā)事件況評(píng)估的能力；具有良好的可更換性和升級(jí)能力。

其中，傳感器的布設(shè)原則，主要是在文獻(xiàn)[7]對(duì)會(huì)展中心理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)振動(dòng)和應(yīng)變等測(cè)點(diǎn)的布置進(jìn)行了優(yōu)化布設(shè)理論分析，然后依照提出的傳感器布設(shè)依據(jù)，綜合考慮有限元分析結(jié)果、傳感器優(yōu)化布設(shè)理論分析結(jié)果以及構(gòu)件重要性、易損性分析之后，對(duì)會(huì)展中心結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行了布設(shè)。共布設(shè)振動(dòng)傳感器16支，應(yīng)變計(jì)140個(gè)，溫度計(jì)7個(gè)，詳細(xì)測(cè)點(diǎn)如圖1～圖2所示。根據(jù)光纖光柵在同一光纖上可實(shí)施不同波長(zhǎng)調(diào)制的特點(diǎn)，應(yīng)變計(jì)均通過(guò)串聯(lián)方式將3～6個(gè)傳感器布置于同一采集通道中，從而節(jié)省了該系統(tǒng)的采集器成本。此外，在屋頂中央處另布設(shè)一風(fēng)速儀對(duì)風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量。

圖1 屋蓋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及加速度計(jì)布置示意圖

圖2 屋蓋應(yīng)變計(jì)、溫度傳感器布置示意圖

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

3.1 振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，選取其中的4個(gè)通道，基于AR法，根據(jù)系統(tǒng)測(cè)得風(fēng)速數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的風(fēng)速時(shí)程，得到會(huì)展中心的響應(yīng)，并和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。如圖3～圖6所示，分析結(jié)果表明，兩者之間雖有差異，但吻合程度較好，峰值也比較接近。

3.2 實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)分析

溫度變化是大跨度鋼桁架的重要荷載源之一，常引起大的變形和桁架線形的改變，是監(jiān)測(cè)重要內(nèi)容。同時(shí)也可以作為光纖光柵應(yīng)變計(jì)溫度補(bǔ)償。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)會(huì)展址處的環(huán)境溫度，屋頂各主要構(gòu)件的溫度及溫度梯度等數(shù)據(jù)，為分析結(jié)構(gòu)的受力和變形、分析結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)的相關(guān)性提供依據(jù)。然而，本次較為遺憾的是，所布設(shè)的7個(gè)溫度傳感器中其中一個(gè)所對(duì)應(yīng)采集的通道故障，另有一通道數(shù)據(jù)雖可反映溫度變化趨勢(shì)，但數(shù)值上出現(xiàn)了明顯的零點(diǎn)漂移。因此，對(duì)該通道實(shí)施數(shù)據(jù)分析前，應(yīng)對(duì)其零點(diǎn)漂移實(shí)施修正，但因其反映的溫度變化趨勢(shì)，在實(shí)施與應(yīng)變的相關(guān)性分析時(shí)，仍可得到需要的分析結(jié)論。圖7～圖9所示為2011年9月份中連續(xù)3d結(jié)構(gòu)溫差變化較大的典型數(shù)據(jù)曲線。

圖3 通道1的加速度時(shí)程曲線對(duì)比

圖4 通道2的加速度時(shí)程曲線對(duì)比

圖5 通道3的加速度時(shí)程曲線對(duì)比

圖6 通道4的加速度時(shí)程曲線對(duì)比

圖7 典型溫度數(shù)據(jù)1

圖8 典型溫度數(shù)據(jù)2

圖9 典型溫度數(shù)據(jù)3

根據(jù)福州氣象資料，2011年9月份最低氣溫是19°C，最高氣溫是34°C。以上監(jiān)測(cè)通道15的溫度數(shù)據(jù)，均出現(xiàn)在零攝氏度以下，表現(xiàn)為明顯的零點(diǎn)漂移，屬于不正常數(shù)據(jù)。

3.3 應(yīng)變實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

應(yīng)變監(jiān)測(cè)是以結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算分析為依據(jù)，監(jiān)測(cè)主要支承構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，校驗(yàn)、評(píng)估結(jié)構(gòu)的應(yīng)力安全狀態(tài)。由于本系統(tǒng)所安裝的應(yīng)變傳感器數(shù)量較多，測(cè)得的數(shù)據(jù)量龐大，本文僅選取其中1個(gè)通道、6支應(yīng)變計(jì)在與圖7～圖9所對(duì)應(yīng)的日期內(nèi)所測(cè)得的應(yīng)變時(shí)程曲線進(jìn)行分析，所記錄的數(shù)據(jù)如圖10～圖12所示。根據(jù)溫度和應(yīng)變時(shí)程曲線可知，構(gòu)件的應(yīng)變變化和溫度變化基本呈正負(fù)相關(guān)形態(tài)，表明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本可靠。

3.4 構(gòu)件應(yīng)變和溫度的相關(guān)性分析

從時(shí)程曲線分析中可看出溫度對(duì)會(huì)展中心結(jié)構(gòu)應(yīng)變的影響很大，隨著溫度的變化，會(huì)展中心結(jié)構(gòu)中的部分構(gòu)件和溫度是正相關(guān)，部分構(gòu)件是負(fù)相關(guān)。為進(jìn)一步明確溫度和應(yīng)變的相關(guān)性，研究溫度對(duì)會(huì)展中心結(jié)構(gòu)應(yīng)變的影響，利用溫度應(yīng)變的測(cè)試結(jié)果，得到溫度和結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化關(guān)系，進(jìn)行回歸分析。選取通道7和傳感器4及傳感器6的數(shù)據(jù)實(shí)施詳細(xì)分析，得到的回歸分析圖以及統(tǒng)計(jì)分析表如圖13～圖14,表2～表7所示。

圖10 典型應(yīng)變時(shí)程數(shù)據(jù)1

圖11 典型應(yīng)變時(shí)程數(shù)據(jù)2

圖12 典型應(yīng)變時(shí)程數(shù)據(jù)3

圖13通道7和傳感器4回歸分析圖

圖14通道7和傳感器6回歸分析圖

表2傳感器4監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和溫度回歸統(tǒng)計(jì)分析表一

回歸統(tǒng)計(jì)相關(guān)系數(shù) RR平方修正R平方標(biāo)準(zhǔn)誤差觀測(cè)值傳感器40.942 8180.888 9060.88 8880.092 8234364

表3 傳感器4監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和溫度回歸統(tǒng)計(jì)分析表二

表4 傳感器4監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和溫度回歸統(tǒng)計(jì)分析表三

表5 傳感器6監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和溫度回歸統(tǒng)計(jì)分析表一

表6 傳感器6監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和溫度回歸統(tǒng)計(jì)分析表二

表7 傳感器6監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和溫度回歸統(tǒng)計(jì)分析表三

從上述兩組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和溫度回歸統(tǒng)計(jì)分析中可以看出：海峽國(guó)際會(huì)展中心結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)變和溫度之間的相關(guān)性非常強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)最大達(dá)到0.943。從分析中可看出，溫度對(duì)會(huì)展中心應(yīng)變的影響很大，并且其影響呈線性關(guān)系。

4 結(jié)論

本文以福州海峽國(guó)際會(huì)展中心為背景，簡(jiǎn)要介紹了海峽國(guó)際會(huì)展中心結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的正確性和規(guī)律性進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)部分的分析，可以反映以下3點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)的大部分溫度數(shù)據(jù)整體上與福州本地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)吻合，說(shuō)明數(shù)據(jù)正確可靠。有個(gè)別通道數(shù)據(jù)明顯出現(xiàn)零點(diǎn)漂移，需對(duì)傳感器參數(shù)進(jìn)行剔除零點(diǎn)漂移修正。

(2)系統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)較多，因此數(shù)據(jù)量極大。本文選取其中較有代表性的部分通道進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從分析結(jié)果可以看出，絕大多數(shù)應(yīng)變數(shù)據(jù)正確，變化規(guī)律與計(jì)算分析結(jié)果一致。通過(guò)對(duì)溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析可知，通常狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變主要為溫度產(chǎn)生的應(yīng)變，二者具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

(3)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)分析可知，實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)基本可反映結(jié)構(gòu)屋蓋對(duì)風(fēng)速時(shí)程的動(dòng)力響應(yīng)。

綜上，海峽國(guó)際會(huì)展中心結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(yíng)基本正?？煽?。