劉 輝

(中國鐵建股份有限公司 北京 100855)

1 前言

隨著中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國的建筑技術(shù)也取得了長足進步，近年來已營建了許多大型復(fù)雜建筑，其設(shè)計使用年限一般長達百年。大跨復(fù)雜結(jié)構(gòu)在服役過程中，遭受外部環(huán)境侵蝕后產(chǎn)生的材料老化與長期反復(fù)載荷影響下，極易導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生損傷，甚至破壞[1]，引發(fā)突發(fā)性災(zāi)害。因此，確保建筑結(jié)構(gòu)安全可靠，是目前大跨復(fù)雜結(jié)構(gòu)亟需解決的重要問題。健康監(jiān)測是以設(shè)置于結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)上的荷載響應(yīng)采集設(shè)備為基礎(chǔ)，通過實時分析，評價建筑物局部工作狀況，從而判斷結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定狀態(tài)，針對超限區(qū)域，及時采取應(yīng)對措施，以確保結(jié)構(gòu)整體安全穩(wěn)定。由此可見，為確保大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的安全穩(wěn)定，健康監(jiān)測技術(shù)是一種非常有效的保障手段[2]。

本文在傳統(tǒng)健康監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，集成信息、通訊、電子、材料及力學(xué)等領(lǐng)域相關(guān)研究[3]，以實際工程為背景，構(gòu)建針對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測及損傷評判系統(tǒng)，以期為大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的深化拓展以及功能升級提供理論基礎(chǔ)和工程驗證。

2 工程概況

柳州高鐵站為大型既有鐵路客運站，主站房平面尺寸為276 m×174 m，擴建站房建筑面積為79 694 m2。主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋面采用管桁架和網(wǎng)架結(jié)合體系的涂層鋁鎂錳合金壓型板。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，主體結(jié)構(gòu)耐久性構(gòu)造滿足100年要求。站房鳥瞰圖見圖1。

柳州高鐵站結(jié)構(gòu)主要分三層:鋼結(jié)構(gòu)屋蓋、高架候車層及站臺層(承軌層)。屋蓋采用鋼桁架結(jié)構(gòu)。屋架跨度大，受力情況復(fù)雜，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋及其支撐柱在環(huán)境影響下安全狀況至關(guān)重要。

圖1 高鐵柳州站

3 監(jiān)測內(nèi)容確定

對于大型高鐵站房結(jié)構(gòu)而言，其服役過程中除了承受主要荷載包括風(fēng)載、雨雪荷載、地震荷載以及結(jié)構(gòu)自重等常規(guī)荷載外，還承受列車進出站和旅客激勵作用下的振動荷載。以上荷載均可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變形位移，且長期荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)損傷的出現(xiàn)與發(fā)展，在荷載水平基本不變情況下逐漸顯現(xiàn)。針對高鐵柳州站承受載荷特點，主要監(jiān)測內(nèi)容見表1。

表1 柳州站主要監(jiān)測內(nèi)容

主要監(jiān)測方法:

(1)采用振弦式應(yīng)變傳感器采集關(guān)鍵構(gòu)件的最大實時應(yīng)變數(shù)據(jù)[4]。

(2)采用加速度傳感器采集損傷區(qū)關(guān)鍵構(gòu)件的實時振動數(shù)據(jù)[5]。

(3)采用風(fēng)力風(fēng)速傳感器實時采集風(fēng)載敏感區(qū)的瞬時風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)[6]。

(4)采用靜力水準儀監(jiān)測桁架的豎向變形。根據(jù)對高鐵柳州站站房結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件預(yù)警值要求，針對不同荷載條件下高鐵柳州站站房結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果以及針對其關(guān)鍵構(gòu)件監(jiān)測預(yù)警值分析結(jié)果，按照響應(yīng)量程范圍的60%等價結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大值。進行傳感器選型，選型結(jié)果見表2。

表2 高鐵柳州站站房結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器選型

4 建立模型進行有限元分析

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測基本是依據(jù)實際工程經(jīng)驗，選擇較為重要的結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件進行監(jiān)控。此方法對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言，需設(shè)置較多監(jiān)控點位，以確保足夠安全儲備，造成監(jiān)控成本的很大浪費。針對該問題，利用數(shù)值模擬方法進行有限元分析，結(jié)合項目實際服役荷載，評判出其易損區(qū)，針對易損區(qū)域特征，設(shè)置監(jiān)測點位和內(nèi)容，以實現(xiàn)合理控制成本的目的[7]。

根據(jù)高鐵柳州站工程項目基本服役環(huán)境下的典型工況和極端天氣條件下的特殊工況，建立高鐵柳州站的三維有限元模型[8]。模型共包括88 013個節(jié)點，桿件采用B31梁單元，共計65 162個單元(為方便計算，每個桿件作為一個單元)；殼采用S3R殼單元，共計149 926個。各構(gòu)件連接區(qū)按照剛度折減原則進行適當處理。

站房結(jié)構(gòu)采用整體損傷估計法，將結(jié)構(gòu)損傷與頻率變化之間建立以下關(guān)系[9]:

式中，ωi為結(jié)構(gòu)第i階的固有頻率；φi為第i階的振型。將模態(tài)質(zhì)量M?和K?取一階變分并代入上式，然后進行泰勒級數(shù)展開，最終得到矩陣形式:

損傷矩陣A通過計算得出。通過對結(jié)構(gòu)損傷和自身頻率的相關(guān)度，在上述方法求解損傷矩陣的基本方法上，依據(jù)頻率變化方差的獨立性，建立了基于結(jié)構(gòu)固有頻率變化平方比的損傷定位方法。

通過對高鐵柳州站三維有限元模型在不同荷載條件下的服役過程動態(tài)響應(yīng)分析[10]，建立了整個結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的施工過程以及服役階段的響應(yīng)數(shù)據(jù)庫，采用結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的模態(tài)參數(shù)損傷識別方法，通過計算，對高鐵柳州站結(jié)構(gòu)損傷構(gòu)件定位，共識別關(guān)鍵敏感性構(gòu)件575個，初步確定該建筑結(jié)構(gòu)的高危損傷區(qū)域。

在主體結(jié)構(gòu)安裝傳感器采集數(shù)據(jù)、整理分析，進一步驗證有限元分析結(jié)果的合理性[11]。

5 監(jiān)測點布置方案

(1)高架層樓蓋振動監(jiān)測

高架層候車人員較多，在列車經(jīng)過時大梁的加速度過大，會影響到舒適度，將加速度傳感器布置在大梁上監(jiān)測加速度大小。位置為H軸～J軸交9軸～10軸的梁和板，共計4個加速度傳感器，其中2個布置在梁上、2個布置在板上。

在J軸～H軸交5軸、9軸、10軸、14軸的四個點設(shè)置靜力水準儀，同時在J軸交5軸和14軸的位置設(shè)置基準點。通過6個靜力水準儀綜合測定板(梁)的豎向撓度變形。

(2)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋監(jiān)測

主站房屋蓋為鋼結(jié)構(gòu)，服役時在風(fēng)荷載、地震作用以及偶然振動的影響下，各個振型、加速度等動力響應(yīng)直接影響到使用安全，故利用加速度傳感器監(jiān)測X、Y、Z三個方向的動力參數(shù)。加速度傳感器布置12處，每處布置3個加速度計(X、Y、X三個方向)，共計36個加速度計。

主站房鋼結(jié)構(gòu)屋蓋桁架跨度較大，候車人員較為密集，過大的變形會成為安全隱患。利用靜力水準儀監(jiān)測桁架的豎向變形，共計17個靜力水準儀。

利用振弦式應(yīng)變傳感器量測鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變，從而計算其應(yīng)力值，實時監(jiān)測重要桿件的安全狀態(tài)。具體將屋蓋分為Y1～Y21共計21個測區(qū)，每個區(qū)域的2個上弦桿、2個腹桿、2個下弦桿處分別安裝2個振弦式應(yīng)變傳感器，每個區(qū)域的上弦桿、腹桿、下弦桿各安裝1個溫度傳感器。

(3)風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測

柳州高鐵站鋼結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)屬于大跨度空間結(jié)構(gòu)，除了承受風(fēng)荷載側(cè)向作用外，對較高層建筑而言，風(fēng)荷載對屋面風(fēng)吸力作用明顯。利用風(fēng)速傳感器統(tǒng)計風(fēng)速數(shù)據(jù)，準確掌握結(jié)構(gòu)承受的實際荷載，對后期診斷風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的影響有重要作用。

6 案例分析

(1)監(jiān)測對象

本文基于可靠度權(quán)系數(shù)法，評判構(gòu)件外部激勵增幅對結(jié)構(gòu)體系的可靠性影響，篩選出關(guān)鍵構(gòu)件作為監(jiān)測點位，實現(xiàn)健康監(jiān)測點位布置方案優(yōu)化。采用有限元手段，建立工程結(jié)構(gòu)在不同服役環(huán)境工況下的全模型數(shù)據(jù)庫，基于結(jié)構(gòu)可靠度分析理論，對易損區(qū)重要構(gòu)件的響應(yīng)數(shù)據(jù)組進行綜合分析，開展其包絡(luò)建構(gòu)研究，以包絡(luò)建構(gòu)最大響應(yīng)特征值作為同類工況的預(yù)警指標。根據(jù)以上分析建立監(jiān)測系統(tǒng)，健康監(jiān)測及評損系統(tǒng)三維模型見圖2。

圖2 健康監(jiān)測及評損系統(tǒng)三維模型

本系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容主要為結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)應(yīng)變、速度、加速度以及風(fēng)速。為保障監(jiān)測結(jié)果的有效性，監(jiān)測數(shù)據(jù)采集頻率分別設(shè)置為3 min/次、10 min/次以及2 hours/次。

(2)監(jiān)測結(jié)果與分析

高鐵柳州站監(jiān)測內(nèi)容較多，本文選擇具有代表性的部分監(jiān)測項目和點位進行分析[12]。2019年3月至2019年5月，系統(tǒng)對高鐵柳州站站房結(jié)構(gòu)開展健康監(jiān)測。外挑、屋蓋中部以及頂部部分監(jiān)測點位相關(guān)數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 健康監(jiān)測數(shù)據(jù)散點圖

由圖3可知，監(jiān)測數(shù)據(jù)未出現(xiàn)明顯滯后現(xiàn)象，且監(jiān)測值未達到預(yù)警值，柳州高鐵站結(jié)構(gòu)運營安全。由此可見，本監(jiān)測系統(tǒng)可有效記錄柳州站項目施工及運營過程中的結(jié)構(gòu)荷載響應(yīng)，可大大提升大型工程結(jié)構(gòu)的管維效率。

7 結(jié)束語

通過以上研究，采用基于可靠度理論的關(guān)鍵構(gòu)件判斷法，甄別出整個損傷區(qū)內(nèi)關(guān)鍵構(gòu)件的位置，利用有限的測試傳感器監(jiān)測點來監(jiān)測、預(yù)警關(guān)鍵構(gòu)件，從而定量評估整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本文結(jié)合實際工程，通過構(gòu)建針對大型工程復(fù)雜響應(yīng)條件下的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和損傷評判系統(tǒng)，驗證了該綜合智能健康監(jiān)測系統(tǒng)的先進性和高效性。