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1、背景大跨钢结构施工的方法和特点结构健康监测系统简述西宁体育馆健康监测方案及结果分析目录目录背景背景 大跨钢结构由于其跨度大、质量轻、造型丰富优美等优点，已被广泛应用于大众文化交流、体育娱乐等重要设施。并且复杂大跨钢结构分析理论的日趋成熟以及设计理念和构思的更新，致使大跨钢结构的发展越来越快，结构跨度和规模也越来越大。目前，这些新颖别致的大跨钢结构建筑广泛地应用于体育场馆、会展中心、火车站、博物馆、大型停车场、钢结构厂房等各类公共建筑领域。背景背景 这些大跨钢结构受力复杂，所处环境状况多变，发生损伤和破坏的潜在危险性较大。尤其是在施工阶段，其受力和变形与竣工后正常服役状态的受力和变形有很大的不同
2、，受施工方法和施工过程及环境变化的影响很大。若不及时关注和控制，将会带来一定的质量缺陷，严重时甚至会影响到整体结构。这方面的教训国内外都有很多。 若在施工过程中对大跨钢结构进行实时在线健康监测，及时了解结构的受力变形及其它工作状态，就能够做到及时预警、报警，采取相应措施排除各种危险性。同时，监测数据与分析可以进一步提高对大跨度复杂钢结构的认识，为以后的设计与施工提供宝贵的依据。 另外，大跨复杂钢结构由于结构复杂，施工难度大，造价也相应较高，而安装健康监测系统的费用却只占建筑总造价的极小的一部分，比起结构日常维修和养护费用、结构倒塌损失以及重建资金来讲，这样的投入是非常值得的。大跨钢结构施工的方
3、法和特点大跨钢结构施工的方法和特点钢结构施工的方法高空散装法整体吊装法整体提升法折叠展开安装法大跨钢结构施工的方法和特点大跨钢结构施工的方法和特点1 1 高空散装法高空散装法 将结构的全部杆件和节点（或小拼单元）直接在高空设计位置总拼成整体的安装方法称为高空散装法。 高空散装法分为全支架法（即满堂脚手架）和悬挑法两种。全支架法多用于散件拼装，而悬挑法则多用于小拼单元在高空总拼。该施工方法不需大型起重设备，但现场及高空作业量大，同时需要大量的支架材料和设备。 高空散装法适用于非焊接连接的各种类型的网架、网壳或桁架，拼装的关键技术问题之一是各节点的坐标控制。 大跨钢结构施工的方法和特点大跨钢结构施
4、工的方法和特点2 2 整体吊装法整体吊装法 整体吊装法是指将结构在地面总拼成整体，用起重设备将其吊装至设计标高并固定的方法。 用整体吊装法安装空间钢结构时，可以就地与柱错位总拼或在场外总拼，此法一般适用于焊接连接网架，因此地面总拼易于保证焊接质量和几何尺寸的准确性。其缺点是需要大型的起重设备，且对停机点的地耐力要求较高，同时会影响土建的施工作业。秦山二期核电站钢结构穹顶就是采用整体吊装法进行安装。大跨钢结构施工的方法和特点大跨钢结构施工的方法和特点3 3 整体提升法整体提升法 整体提升法是将结构在地面整体拼装后，起重设备设于结构上方，通过吊杆将结构提升至设计位置的施工方法。 这种施工方法利用小
5、机（如升板机、液压滑模千斤顶等）群安装大型钢结构，使吊装成本降低。其次是提升设备能力较大，提升时可将屋面板、防水层、采暖通风及电气设备等全部在地面施工后，然后再提升到设计标高，从而大大节省施工费用。如上海歌剧院屋盖工程采用整体提升的施工方法，提升质量达6000t。大跨钢结构施工的方法和特点大跨钢结构施工的方法和特点4 4 折叠展开安装法折叠展开安装法 该方法把一个穹顶看作由径向的拱绕竖向中轴旋转一周而成。因此穹顶的立体空间作用可以分解为径向拱的作用与环向箍作用的叠加。对于杆件组成的网格状网壳来说，去掉部分的环向作用就是去掉一部分环向杆。这样穹顶结构就可以产生 1 个竖向的、且唯一的自由度。利用
6、穹顶临时具有的自由度，就可以把穹顶折叠起来，在接近地面的高度进行安装。然后利用液压顶升和气压等方式把折叠的穹顶沿其仅有的一维自由度方向顶升到设计高度，完成穹顶的施工过程。 结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述结构健康结构健康监测系统简述监测系统简述u结构健康监测系统的构成u健康监测常用传感元件简介u常用监测仪器简介结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述一一 结构健康监测系统的构成结构健康监测系统的构成1 监测 监测部分主要是结构在外界激励（包括外荷载、重力作用和温度、地震等环境因素）作用下的内力、变形等响应被事先安装在结构构件上的各种传感器所捕获，并将所采集的各类原始数据传输到信号处理系
7、统。经信号处理系统处理的数据再进入诊断系统，为后继的诊断部分和评估部分做充分的准备。结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述2 诊断 诊断部分主要是首先对结构建立模型，通过有限元模拟分析和计算，对模型进行多次修正后获得理论计算数据，再利用特定分析处理技术对所得数据进行进一步地处理。结合监测和计算数据，动用各类手段对结构的损伤位置和损伤程度进行识别。结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述3 评估 评估部分则主要是根据诊断部分的损伤识别结果，结合专家评估系统，对结构进行可靠性分析和评价。评估结构的剩余强度，预测结构的剩余使用年限和寿命，得出结构的评估结论，根据结论，作出对结构的维护或维修决策和措
8、施。结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述 从系统构成看，结构健康监测系统主要包括传感器、数据采集与处理设备、通讯系统、监控中心和报警设备，是一种在线的监测系统，主要包括监测、诊断和评估三部分。结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述二二 健康监测常用传感元件简介健康监测常用传感元件简介1 电阻应变计1.1 电阻应变计结构 电阻应变计主要由敏感栅、基底、覆盖层及引出线所组成，敏感栅用粘合剂粘在基底和覆盖层之间。一种丝绕式应变计的典型结构如图 2.2 所示。图 2.3 为对应变计输出信号进行采集的静态应变采集箱。结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述1.2 电阻应变计的工作原理 电阻应变计是
9、一种用途广泛的高精度力学量传感元件，其基本任务就是把构件表面的变形量转变为电信号，输入相关的仪器仪表进行分析。在自然界中，除超导外的所有物体都有电阻，不同的物体导电能力不同，物体电阻的大小与物体的材料性能和几何形状有关，正是这一特性促使了电阻应变计的诞生。 电阻应变计由基底、敏感删、覆盖层、粘结剂和引出线构成，其中敏感删是核心部分。敏感删可以看成为一根电阻丝，其阻值会随着本身的长度和所用材料属性变化而变化。根据物理学知识，一根圆形金属电阻丝的电阻为 R：其中：结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述 在外荷载或温度作用下，电阻丝将沿轴向伸长或缩短，其横截面直径也会相应缩小或变大，横截面积与直径
10、 D 相关联，产生相应的变化。 式中， 为电阻丝的泊松比，d L/L 为电阻丝长度变化率，若用应变来表示，有：在长度变化后，电阻值也发生了变化，其相对变化为： 结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述 上式中，最后结果有两项，第一项与材料属性有关，即电阻率产生变化所致；第二项与材料几何尺寸有关，即电阻丝长度产生变化所致。在一定温度下，金属丝的电阻变化率与其长度变化率存在正比关系，有： 式中结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述 被称为电阻丝的灵敏度系数。通过上面所述可见：电阻丝的电阻变化率与它的轴向应变存在一定的线性关系。遵循上述规律，寻求合适的金属材料，其电阻变化能够在金属材料性能和尺寸变
11、化中处于稳定变化状态，也即能够将应变信号较好地转换为电信号，那么，便可用这些金属材料来制作性能优良的电阻应变计。电阻应变片常用的敏感栅材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金等。结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述2 光纤 Bragg 光栅传感器(FBG)2.1 光纤 Bragg 光栅传感器(FBG)工作原理 光波作为波的一种，也具有振幅、相位、偏振态、波长等特征参量。在外荷载、温度等环境因素的作用下，光波的这些参量会产生间接或直接变化。而光纤正好可以作为光波的传输载体，因此，可以将光波参量的变化通过光纤探测到，而光波的这些参量和结构构件的受力等情况又有一定的关联性，从而
12、获得结构和构件的内力及变形等变化情况。上述部分即为光纤传感器的基本原理，见图 2.4 所示。结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述3 钢弦应变传感器 钢弦应变传感器也是一种测量建筑物或构件表面应变量的传感器。广泛用于混凝土结构、桥梁结构和钢结构中的桁架和支撑结构中。它以钢弦作为传感元件，与钢弦频率测定仪配合使用，实现其测量功能。3.1 钢弦应变传感器构造及工作原理 其工作原理为：一定长度的钢弦张拉在两个端块之间，端块牢固置于被测物表面，被测物的变形使得两端块相对移动并导致钢弦张拉变化，这种张力的变化使钢弦谐振频率的改变来测量结构的变形。仪器的信号激励与
13、读数通过位于靠近钢弦的电磁线圈来完成。结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述 由于钢弦的自振频率与其长度、所用材料的密度和钢弦的内应力有关。所以，钢弦的自振频率表达式可写为：结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述 从上式可见，对于一根长度 和材料密度 确定的钢弦来说，其自振频率 N只与钢弦的内应力 有关，因此，N 值自然可以表示 。设计时，钢弦周围绕有线圈，钢弦就相当于被置于线圈所形成的磁场当中，当钢弦的长度发生变化时，也会伴随着产生振动，这个振动会由于电磁感应而产生电势。电势的频率由产生它的频率所决定，所以，电势的频率和钢弦振动的频率是相同的。实际
14、测量中，钢弦的频率不易直接测量，当电势的频率则容易被测出，上面已论述过，钢弦的频率可以用来表示钢弦内应力，而钢弦被牢固置于所测构件表面，故而也可用来表示构件表面应力。也即测出电势的频率，便可得知被测构件表面相应的应力。结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述三三 常用监测仪器简介常用监测仪器简介1 静力水准仪 如图 2.6 所示，静力水准仪本质上可看做是一组高精度连通器，利用易流动的液体作为连通管内的工作介质。首先选定一个基准点，也即参考点或不动点，结构各测点的液面在重力作用下形成一个平面，作为测量的基准面或工作面。实际测量时，浮子跟踪液位上升和下降变化，将测点与基准点的微小高差变化通过接杆转
15、化为标志杆的垂直位移信号，此信号再通过传感器采集并传输到采集箱。该仪器特别适合于要求高精度监测垂直位移的场合，可监测到 0.05mm 的高程变化，可以进行连续实时监测。采用这种位移监测系统进行监测，精度比 GPS 更高，耐久性不小于 3 年。结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述结构健康监测系统简述2 全站仪 全站仪是一种集光、机、电为一体的新型测角仪器，与光学经纬仪比较电子经纬仪将光学度盘换为光电扫描度盘，将人工光学测微读数代之以自动记录和显示读数，使测角操作简单化，且可避免读数误差的产生。电子经纬仪的自动记录、储存、计算功能，以及数据通讯功能，进一步提高了测量作业的自
16、动化程度。 全站仪与光学经纬仪区别在于度盘读数及显示系统，电子经纬仪的水平度盘和竖直度盘及其读数装置是分别采用两个相同的光栅度盘(或编码盘)和读数传感器进行角度测量的。根据测角精度可分为 0.5，1，2，3，5，10等几个等级西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆西宁体育馆健康监测方案健康监测方案及结果分析及结果分析结构形式结构形式监测内容监测内容 监测方案监测方案监测结果及分析监测结果及分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析一一 结构形式结构形式 体育馆钢屋盖采用空间平面桁架结构。平面桁架沿径向和环向正交布置，6 榀主桁架通过
17、建筑物中心且由铸钢节点构成一体，分别支承在 12 根大柱上。二二 监测内容监测内容（1）关键部位应力应变监测； （2）结构变形监测； （3）结构振动（加速度）监测； （4）风速监测； （5）结构温度监测。 在上述 5 个监测项目中，关键部位应力应变监测、结构变形监测是体育馆在施工阶段和运营期间的重点监测项目。加速度监测、风速监测和结构温度监测在体育馆运营期间进行。 西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析三三 监测方案监测方案1 应力应变监测方案电阻应变片测点布置 为了解和研究支座节点和铸钢节点在卸载过程中的应力变化情况，在支座和铸钢上、下节点处共设计了 30 个测点。
18、由于支座和铸钢中心上、下节点处空间狭小，光纤光栅和钢弦应变传感器都无法安装，加之此处监测为临时监测，非长期监测，故而同时兼顾可操作性、经济性和实用性。在上述三个部位选用了电阻应变计进行应变的临时监测。 具体布点见图 3.4图 3.6，共有 30 处布置应变片。 西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析 其中球铰支座与球相连的钢板共 8 块，每块上面布置 1 个应变片，钢板上应变片按逆时针横竖向交互布置；与球相接的杆件共 9 个，每个上面布置 1 个应变片。共 17 处测点。 西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析 铸钢节点下弦共 12 根杆件，
19、每隔两个杆件布置 1 个应变片，即在 4 根杆件上布置应变片；斜腹杆共 12 根，和下面腹杆相对应的杆件上布置应变片，即在 4 根腹杆上布置应变片；中间竖向腹杆上布置 1 个应变片。共 9 处测点。西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析 铸钢节点上弦共 12 根杆件，每隔两个杆件布置 1 个应变片，即在 4 根杆件上布置应变片，共 4 处测点。西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析光纤光栅和钢弦应变传感器测点布置 其中，布置光纤光栅应变传感器 15 个（见图 3.10 中红色标记），其中监测钢结构杆件 13 处、支座下砼柱 2 处，钢弦应变传
20、感器 13 个（见图 3.10 中蓝色和方框标记）。其中屋盖中心铸钢节点上下表面（采用钢弦传感器）各 1 处，共 2 处（方框标记），监测钢结构关键杆件 11处。其中钢弦传感器自带温度监测，在监测应力应变的同时监测到温度值。西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析2 结构变形监测方案 大跨钢结构在外荷载、温度等作用下的变形量是钢结构监测的一个重要参数和重要的安全性指标。因此，在体育馆钢屋盖施工过程和运营期间都进行了变形监测的设计。1）钢屋盖施工过程的变形监测 测点布置 施工卸载变形观测点位置如图 3.16
21、所示，共 28 个测点。西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析监测仪器和设备 本项目在施工卸载阶段采用高精度全站仪的测量方法。 结构施工过程中选定测点的变形观测需要得到选定点三个方向的位移数据，重点是竖向位移，进行静态观测。采用全站仪观测，先在卸载之前观测出监测点的三维坐标，然后在卸载之后再测出该点的三维坐标，通过这两次的坐标值计算出该点卸载前后的变形和移动情况。所选用全站仪精度在 1 秒以上（如图 3.17 所示）西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析2）钢屋盖在运营期间的变形监测测点布置 运营阶段变形观测点位置如图 3.18 所示，共 3
22、 个测点。西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析监测仪器和设备 经过认真仔细的调研分析，本项目在运营期间采用湖南湘银河传感器科技有限公司研发的 YH2110A 静力水准仪（如图 3.19 所示）。该仪器特别适合于要求高精度监测垂直位移的场合，可监测到 0.05mm 的高程变化，可以进行连续实时监测。采用这种位移监测系统进行监测，精度比 GPS 更高，耐久性超过 3 年。西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析3 结构振动（加速度）监测方案 1）测点布置 选取 5 个节点加速度振动观测点，测点位置如图 3.20 所示西宁体育馆健康监测方案及结果分
23、析西宁体育馆健康监测方案及结果分析4 结构风速监测方案测点布置 风速监测测点的布置在体育馆屋顶上，测点数量为1个西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析 通过温度监测分析环境温度对结构静力响应及振动特性的影响。 钢弦传感器自带温度监测，在监测应力应变的同时监测到温度值。所以温度监测方案可按应变监测方案进行。5 结构温度监测方案西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析四四 监测结果及分析监测结果及分析1 应力应变监测结果1.1 节点应力监测结果及分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁
24、体育馆健康监测方案及结果分析 从图 3.23 和图 3.24 可看到，支座 8 块加劲板中，有 4 块呈现压应力，4 块呈现拉应力，这与前述设计的监测方案中此 8 处应变片的布置相吻合，因为 1、3、5、7 加劲板处应变片沿竖向粘贴的，而 2、4、6、8 处应变片是沿着水平粘贴的。另外，从压应力和拉应力的绝对值来看，在监测的后半段，拉应力绝对值约占压应力绝对值得 1/41/2，接近 0.3。西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析1.2 关键杆件及关键部位测点应力监测结果及分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析从图 3.31 和图 3.32
25、 可见，屋盖二环相对应的上下弦杆应力变化值，上弦受压，下弦受拉，随着屋面板的安装，数值也逐渐增大，符合力学规律。但上弦杆稳定值在 40MPa压应力，下弦杆稳定值在 20MPa 拉应力。由此可见，上弦杆所承受的压应力绝对值要大于下弦杆所承受的拉应力。设计中此处上下弦杆管径和壁厚相同，则说明上弦杆承受了更大的压力，在抵抗外荷载时所做“贡献”比下弦拉杆大。所以，在大跨钢结构设计中需要充分重视和考虑上弦压杆的稳定性。 西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析2 变形监测结果及分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析西宁体育馆健康监测方案及结果分析从表 3.2 来看，沉降量最大处为
26、1 号测点处，即钢屋盖中心处，为-52mm，最小为27 号测点处，即支座处。分别看卸载前和卸载后高程，卸载前 1 号与 27 号即中心与支座处相差1815.402-1813.099=2.303M，卸载后相差为 1815.350-1813.095-2.255M,两者相差2.303-2.255=0.048mm。设计设计要求容许的挠度值为参考文献参考文献1 王小波，钢结构施工过程健康监测技术研究与应用D.浙江大学硕士学位论文.杭州:浙江大学,2010,1,1.2 李瑛.大跨复杂钢结构施工过程健康监测与分析D.兰州理工大学硕士学位论文.兰州:兰州理工大学,2012,4,17.3 周学军,马晓,路鹤.FBG 传感器应变监测温度效应分析J.山东建筑大学学报.2010,25(4),386-390.
