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浅谈大跨度钢屋盖健康监测的应用及方案优化 摘要：现代建筑为追求空间效果，大跨、异形空间结构多被采用，钢结构是实现建筑效果绝佳的选择，从而成为当今建筑工程的重要结构型式。然而由于其结构形式复杂，施工质量和变形的监测和控制难度大，国家规范要求对大跨度钢结构进行健康监测以保证其安全性。本文以厦门高铁站房大跨度钢屋盖为工程背景，对其健康监测进行研究。在建设单位的管理协调下通过方案优化，并按照相关规范要求，在保证工程安全合理的前提下，严格控制监测费用，节省监测费用40%以上。由此可得，在钢结构健康监测时要检验其方案是否合理，在工程安全可靠的前提下保障经济性。 下载 关键词：大跨度钢结构；健康监测；方案优化 中图分类号：TU393.3 文献标识码：A 文章编号：1001-828X（2015）001-000-02 引言 我国自上世纪末起，大型建筑的建设进入了高速发展阶段，这一态势在将来相当长的一段时间内还将继续维持。与此同时钢结构由于其独特的优势，越来越多的被应用到工程领域。然而，由于钢结构工程很多具有跨度大、形态复杂等特点，在其施工或使用过程中易受众多因素影响而出现工程事故，需要对其进行健康监测。 现有建筑结构工程的理论体系是建立在足尺模型的理论研究或数值模拟和缩尺模型的试验基础上的，这一理论体系缺少实践（结构原型在实际外部作用下实际效应的观察结果）的检验和佐证。结构尺度和规模越大，实践检验和佐证越显重要和必要。因而，现代大型建筑结构的工程理论已经落后于大规模工程建设的需求，建立在上述结构工程理论基础上的现有工程设计规范体系已不能完全确保结构在整个生命周期中的安全性。 正是在这一背景下，结构健康监测的概念一经提出就获得了快速的发展和应用。一方面，结构健康监测可以成为确保结构安全建造和健康运营的一个重要保障手段，可以对极端条件下结构可能出现的失效进行预警，从而最大程度地减少人员和财产损失。另一方面，结构健康监测结果可以检验、修正、完善和发展现有结构工程理论体系。 与此同时，健康监测也带来了工程造价增加的问题，因此如何进行合理的方案优化设计是该领域一大研究重点，也是目前研究所欠缺之处。本文以厦门高铁站房大跨度钢屋盖为背景，对监测方案进行优化，取得了较好的效果。研究所得的经验可为同类工程提供借鉴，完善相应理论。 一、工程背景 1.项目概况 厦门高铁站房地处厦门岛城区核心地段，为厦门市地方标志性重点工程，站房效果图参见图1。 站房钢屋盖整体采用正交正方四角锥焊接空心球曲面大跨度空间钢网架结构体系，钢屋盖在南北两侧有钢拱支撑，在中间有V形柱支撑，结构形式十分复杂。 图1 站房整体鸟瞰效果图 2.结构状况及特点 站房钢结构屋盖的水平投影面宽为116.9米，长约181米。中间V形柱有6榀，其在进深方向的间距在17.7米和32米之间。屋盖整体呈拱形，拱顶最高点标高约31.0米，檐口标高约为18.5米。拱脚和柱底的标高为8.4米，它们横向轴向距离为67米（图2）。 图2 钢屋盖横向剖面图 二、健康监测意义及测点布置原则 1.健康监测意义 建设单位通过研究认为有必要对钢结构屋盖进行全过程的健康监测基于以下4方面： （1）项目地处市区核心地段；（2）大跨空间钢网架结构体系；（3）施工难度大；（4）重点项目的安全性意义。 结构构件的加工及施工不可避免存在误差，不能确保结构在使用阶段的性能符合设计预期。所以，只有进行结构的全过程健康监测才能及时发现结构的安全隐患，并将其消除于萌芽状态，确保结构体系顺利完成其历史使命。同时，实行全过程的健康监测也能检验、修正、完善和发展现有结构工程理论体系。 为此建设单位聘请原建筑设计单位作为技术顾问。通过SAP2000程序对结构整体进行计算分析（图3），并结合ANSYS软件的局部计算分析，确定结构的关键构件，从而为选择监测对象提供指导。 图3 三维计算模型 2.测点布置原则 根据计算分析确定关键构件，据此提出结构健康监测的主要目标如下：（1）在强风作用下的结构反应；（2）温度变化产生的应力；（3）行驶火车、地震造成的结构振动；（4）材性差异、制作误差导致的结构静、动力特性的变化；（5）施工过程和工序带来的附加应力；（6）混凝土基础变形产生的附加应力；（7）结构变形及杆件损伤情况； 根据上述监测目标，明确测点布置原则：（1）关键部位的应变监测；（2）关键部位的倾角监测；（3）结构振动加速度监测；（4）结构风环境监测；（5）结构温度场监测。 图4 给出了健康监测内容、实现目标及监测设备框图。在此前提下技术顾问制定了监测方案。 图4 健康监测内容、实现目标及监测设备框图 三、健康监测方案优化 1.原有方案 （1）结构应变监测测点布置。屋盖结构测点。V形柱上方几根屋盖杆件内力较大，是监控和检测的重点，因此在受力最大的轴线D、F、G和J处的屋盖上选择12根关键受力杆进行监测，每根杆件上下表面各布置1个应变传感器，总计24个应变传感器。屋盖支座测点。监测支座的工作状态是健康监控的一个极其重要的部分，因此在节点D、F、G和J支座附近的下弦杆顶面和底面各设一个应变传感器，总计16个应变传感器。V形柱测点。无论在横向还是纵向，D和J轴线处V形柱均为重要受力构件，因此在V形柱的两条腿底部4个构件表面方向各布置1个应变传感器，总共布置32个应变传感器。钢拱测点。钢拱底部内力较大，因此在A和M轴线拱脚处，每个监测部位各设置2个应变传感器。总共16个应变传感器。 （2）温度监测。监测结构建造过程中和使用过程中的表面温度对于确保结构安装精度及结构使用过程中的安全性具有十分重要的意义。由于厦门地处我国南方沿海，夏季室外温度较高，且屋盖属于大跨度钢结构，受温度的影响较大。根据结构特点，利用布置的振弦式传感器对温度场进行监测。 （3）振动加速度监测。在屋盖顶部，沿着车站纵深方向，布置15个加速度传感器可以测量结构整体的频率和振型，其结果可用来校核结构整体的刚度和质量。 （4）倾角监测。V形柱是站房的重要承重构件，在风荷载、地震作用下，V柱的变形往往是空间的，是监控和检测的重点。因此在轴线D、F、G和J处V型柱柱顶和边跨的拱顶设置倾角传感器，共设置10个倾角传感器。 （5）地震动监测。通过在站房基础大地板中央设置一台强震仪来自动记录地震在结构底部三个分量上的数据，通过地震作用监测与结构地震响应监测相结合，建立有效的荷载-响应关系，实现地震灾害的预警，以及地震作用下结构的损伤识别及性态评估。 2.优化设计方案 该方案监测测点布置较多，监测频率较密、监测周期较长，致使整体工程造价较高，监测费用总计270万，远远超出原有预算。 为此，建设单位专门成立负责健康监测的管理小组，实现与方案设计单位的无缝连接，制定专项工作流程，明确工作职责，强调工作重点，制定工作目标，有效做好方案优化及成本控制。 在技术方面： 经建设单位牵头，组织参建多方，与方案设计单位反复沟通，并借鉴同类工程健康监测经验，对本工程从以下几点进行优化设计。 （1）通过合理的计算并结合工程具体实际，对各类监测测点数量进行优化，适当减少，具体情况如表1所示。 （2）充分运用技术条件，参照监测数据对工程进行阶段性总结，评定其各个阶段的安全状态，以此来决定工程具体监测周期。 （3）依照规范要求，结合工程具体实际，灵活调整工程的监测频率，以期节省工程造价。 表1 测点优化汇总表 监测项目 测点数量 减少数量 原有方案 优化后方案 屋盖结构测点 24 20 4 屋盖支座测点 16 14 2 V形柱测点 32 24 8 钢拱测点 16 12 4 振动加速度测点 15 12 3 倾角测点 10 8 2 在管理方面的工作：（1）选派经验丰富的人员为管理小组组长，管理小组组长统筹负责整个健康监测工作；（2）管理小组确定健康监测的两个控制目标：质量和成本；（3）选派专业人员与方案设计单位进行技术对接，通过安全、合理的技术手段降低造价；（4）组织专门人员展开招投标；（5）设立专家库来评定各投标单位，对投标单位进行技术、管理打分，在技术方案可行的前提下，合理低价者为中标单位；（6）对中标单位所报施工方案进行专家评价，判断是否到达控制目标要求；（7）在健康监测施工过程中，做好监督指导工作，定期考核监测单位水平，做好奖罚制度。 通过建设单位合理的组织管理，附加技术措施，使本工程监测费用降为150万元，控制在原有预算范围之内，节省工程成本40%以上。最后通过工程招投标方式引入专项设计施工总包单位，使项目在合理控制造价的前提下达到保障结构安全性的目的，且本方案通过了专家论证，合理可行。 四、结论 本文通过对厦门高铁站房大跨度钢结构屋盖健康监测的引入和方案优化得到以下结论： 1.健康监测是保证大跨度钢结构施工和使用安全的重要手段，在该类工程施工过程中要依据规范要求做好健康监测； 2.对工程进行健康监测时还需严格控制造价，可通过合理的技术手段，在保障工程安全要求的前提下使监测工作经济而有效； 3.本文从测点数量、监测频率以及监测周期三方面入手进行监测方案的优化设计，取得了较好的工程应用效果，在日后同类工程健康监测过程中可参考借鉴。 4.建设单位在工程健康监测时要发挥其管理协调作用，从管理层面做好优化，进行合理的成本控制。 5.通过对工程实施阶段的健康监测，数据稳定，与现场情况一致，达到了对钢结构施工阶段的监测控制目的。 参考文献： 刘钝.铁路站房钢结构施工过程监测与分析D.浙江大学，2013. 梁宝祥.大跨空间钢结构健康监测与施工模拟分析D.兰州理工大学，