太原植物園主入口結構健康監測方案分析★

張 杰，郝 冬，許宸嘉，焦晉峰，雷宏剛

(1.太原植物園，山西 太原 030025； 2.太原理工大學土木工程學院，山西 太原 030024)

0 引言

結構健康監測是一種實時的在線監測技術，指運用現場的無損傳感技術，通過分析結構響應以達到監測結構是否發生損傷或老化的目的，是保障復雜的大型土建結構安全和實時維護的有效方法。通常測點數量越多，對結構整體狀況的把控也會更全面，然而實際工程應用中需要考慮監測的經濟性與效率，故在滿足經濟性與可靠性的前提下合理布置傳感器成為國內外學者研究的熱點問題。文獻[1-3]對測點的優化布置進行了研究討論，提出傳感器的優化布置原則；針對復雜大跨空間結構的測點優化，很多學者提出了不同的優化方案[4-5]，主要為有效獨立法、模態動能法、模型縮聚法、QR分解法、遺傳算法以及敏感性分析法等；文獻[6-7]在傳統測點優化布置方法的基礎上展開研究，豐富了傳感器測點布置的理論。

本文依托太原植物園主入口大跨懸挑空間鋼結構為工程背景，從應變監測、風速風向監測、溫度監測與振動監測四個方面實時監測植物園主入口，基于對結構的有限元分析研究主入口各類傳感器的優化布置方案，旨在為結構的后續健康評估與可能存在的加固鑒定需求提供數據支持。

1 工程概況

太原植物園位于山西省晉源區太山腳下，總面積約1.82×106m2。該工程是太原市鞏固國家園林城市成果，創建國家生態園林城市的重要條件之一。園區內主要有5大建筑，分別為主入口建筑、展覽溫室、盆栽博物館、濱水餐廳、科研中心。本次健康監測的主入口建筑為雙向桁架組成的懸挑鋼結構，縱向跨度71 m，橫向跨度40 m～58 m，最大高度13.4 m，最大懸挑長度40.5 m。主入口上部結構采用鋼管桁架體系，縱向為懸挑主桁架，橫向為次桁架。結構中部由于自動扶梯通道開直徑約30 m的大洞口，洞口穿過絕大部分的橫向次桁架。其結構體系示意圖如圖1所示。

太原植物園主入口作為植物園的重要建筑區域之一，是一個大跨度、大懸挑的鋼結構。其結構形式新穎、構造復雜、受力敏感。與此同時，建成運營之后，主入口作為植物園最主要的觀光區域之一，其巨大的人流量決定了它應具備很高的安全級別，否則一旦發生災害事故，將會造成巨大的生命和財產損失。因此，針對可能出現的不同形式的損傷，對主體結構在服役期進行健康監測、診斷以及對各種災害影響下的損傷預測、識別與預警，不僅具有重要的科學價值，更具有重要的現實意義。

2 結構有限元分析

2.1 有限元模型及分析結果

本文采用Midas/Gen(2021版)有限元計算軟件對太原市植物園鋼結構主入口建立結構的三維力學模型，主要由框架柱、主桁架以及次桁架構成，對結構在不同荷載組合作用下進行靜力性能分析，結構各項荷載參數與設計參數根據國內相關規范選定。所有桿件均采用梁單元建立，柱子底部設置為固接。計算時，每個節點均有u,v,w,θx,θy,θz六個位移分量，能夠準確的反映三維框架單元的軸向、彎曲、扭轉及剪切變形。結構的整體模型如圖2所示，荷載組合工況列于表1。

表1 荷載工況組合

計算結果表明：從結構應力角度分析，框架柱和四個主桁架中的構件應力和變形是整個結構受力最為顯著的部分。在各荷載工況作用下,4榀主桁架結構上的桿件應力呈現出基本一致的規律,即主桁架懸挑部分中的桿件應力普遍高于框架柱區域中桿件的應力。主桁架懸挑結構中,下弦桿受壓,應力較大,上弦桿受拉,應力相比下弦桿而言偏小。結構中框架柱應力比在0.5以下有較大的安全儲備,僅有靠近懸挑端最前排的框架柱與主桁架下弦桿交匯處局部應力偏高,應力比為0.7左右，最不利荷載工況為組合14；從結構位移角度分析，各組合工況效應作用下，總體而言豎向位移最大，縱向位移最小。距離框架柱越遠的懸挑端位移值越大；同一豎桿上下兩端位移值相差不大；洞口處上側位移值大于下側。各組合工況對比下，所有測點在組合9的作用下位移值最大，其中最大位移達到258.59 mm。限于篇幅，本文提取出應力最不利荷載工況(組合14)與位移最不利荷載工況(組合9)下結構的應力云圖與位移云圖見圖3,圖4。

2.2 荷載敏感性分析

建筑結構服役期會受各種外部荷載的作用，而復雜空間結構對外部荷載作用的響應更為明顯，其結構受不同荷載的作用影響下，構件響應也會發生變化。為研究結構受單一荷載作用的影響，本文在有限元軟件Midas/Gen中對太原市植物園鋼結構主入口進行建模分析，尋找結構的敏感性桿件(結構桿件應力改變較大的桿件)，為傳感器測點布置提供可靠依據。結構敏感性桿件包括荷載敏感性桿件，由于結構桿件應力變化能夠反映結構受外界荷載作用的影響，故本文中受線性加載的單一荷載作用影響變化較大的桿件即為荷載敏感性桿件。為使桿件受荷載作用的影響量化，將由荷載敏感性系數SSi來判定是否為荷載敏感性桿件，具體計算如下：

SSi=|γ風Si風+γ雪Si雪+γ溫度Si溫度……|

(1)

其中，γ風，γ雪，γ溫度均為荷載影響權重系數(0<γ<1)；S風，S雪，S溫度分別為桿件對風荷載、雪荷載、溫度荷載的敏感度。

荷載規范考慮不同單一外部荷載對結構桿件的影響不同，規定了各單一荷載的設計值以確保結果可靠有效。為更加便捷地比較不同桿件的敏感性差別，本文將在100年一遇的荷載設計值作用下結構應力與50年一遇的荷載設計值作用下結構應力差值定義為桿件的荷載敏感度，其中單一荷載分別為風、雪、溫度荷載，具體計算如下：

Si=Δσi=σi100+σi50

(2)

其中，σi100為桿件在某類荷載100年一遇的設計值下的應力；σi50為桿件在某類荷載50年一遇的設計值下的應力。綜合考慮結構桿件在不同單工況組合作用下有限元分析結果，對各桿件敏感度進行總結排序，找出荷載敏感度較大桿件，為后期傳感器布置提供依據。

通過前文有限元分析結果可知鋼結構主入口中四榀主桁架懸挑部分受力較為關鍵，現選取四榀主桁架中ZHJ-2的懸挑區域為代表，通過前文所述方法確認在溫度荷載、雪荷載、風荷載這三種環境因素的作用下，ZHJ-2懸挑部分對環境荷載敏感性較大的主要桿件，進而對結構應變傳感器布置進行優化。計算結果見圖5，對敏感度大于0.6的桿件進行匯總，ZHJ-2有限元模型單元編號以及確定敏感構件位置如圖6中粗線段所示。

3 健康監測系統研究

3.1 傳感器布置優化原則

以往工作人員依靠傳統經驗對一些較為簡單的建筑進行傳感器布置，但隨著建筑技術的進步，結構形式變得復雜多變，顯然如今對于大跨度復雜空間結構而言僅僅依靠經驗判斷傳感器測點遠遠不夠，故為了更加合理地布置傳感器，應盡量結合以下幾方面進行綜合評定：

1)傳統經驗結合相關理論：依靠以往經驗、設計圖紙以及現場實際情況對結構受力特點進行大致判斷，找出復雜關鍵部位；對結構整體進行相關有限元軟件建模理論分析，根據計算分析結果得出其他危險部位，對所有的關鍵部位實時監測。

2)有效性結合經濟性：結構健康監測成本主要包含傳感器購置費、線纜、數據監測系統、安裝費等幾個方面，傳感器數量增加，相關成本也會隨之上漲，故傳感器應盡量少而精的布置，最有效地對結構實時監測。

3)對稱性結合全面性：將傳感器布置于整體結構相似區域中同樣位置的代表性桿件上，代表桿件選取需合理、全面，對于特殊受力復雜部位則另行布置，綜合考慮代表桿件與局部復雜桿件對結構實時監測，提供合理監測數據。

隨著科技不斷發展升級，市面上適用于健康監測的傳感器種類越來越多，不同種類的傳感器主要功能與不足都有較大差別，監測數據是否能安全有效地反映結構響應與傳感器的選型直接相關，故而結構健康監測中傳感器的選型非常重要。不同型號與價位的傳感器都可能滿足同樣的監測要求，為了選擇最優型號的傳感器以滿足監測需求并盡可能滿足經濟性等其他要求，通?？紤]傳感器如下特性[8-10]：

1)性能參數。結構健康監測中傳感器的相關常規參數需符合國家標準，且滿足測量要求，如表2所示。

表2 傳感器參數說明

2)兼容性。傳感器信號輸出的機理為：信號解調器先對信號進行處理分析，而后被處理過的信號在系統中顯示。一般信號解調器與傳感器是相互對應的，傳感器不同，其所需信號解調器也不同，繼而信號輸出途徑也不同，故傳感器的選型需匹配相應的信號解調器，同時考慮通訊設備、數據采集設備等與信號輸出方式是否一致(兼容)，且應促進系統擴展升級。

3)耐久性與可靠性。結構健康監測與建筑使用同步進行，建筑設計使用時間較長，多為幾十年，故傳感器工作年限較長且多為室外環境，因此對傳感器的要求較高。傳感器不僅由于其精度高需提高可靠性，而且因自然溫度、濕度、風等環境條件不斷變化，其耐久性也需符合一定的要求，增加服役時間。

3.2 應變傳感器布置方案

對荷載敏感桿件主要分布在主桁架懸挑區靠近框架柱的位置以及上下弦桿變截面處，越靠近框架柱，桿件荷載敏感度越高。結合結構整體分析各組合工況下桿件應力狀況，考慮到每榀桁架的受力特點，每榀桁架選定6個位置作為重點監控區域。鑒于本工程鋼桁架結構桿件均采用圓形截面，節點連接均為相貫焊接，應變傳感器均采用單向應變傳感器，豎桿上傳感器安裝位置在桿件幾何長度中間處，按0°和180°沿桿件兩側分別布置，弦桿和腹桿安裝位置節點處，盡可能靠近節點根部。應變傳感器選用光纖光柵應變傳感器，自帶溫度補償，可根據被測物的不同材質定制相應的傳感器，如圖7所示。

3.3 加速度傳感器

考慮到本工程鋼結構大懸挑、大開洞和重荷載等特點，結合結構在各工況下的位移變化，結構的振動和舒適度成為監測的關鍵內容，選定6個測點(測點位置如圖8所示)進行速度傳感器優化布置，收集各個測點的速度-時程曲線，據此判定其頻率、加速度、扭轉特性和構件損傷位置。振動監測采用磁電式速度傳感器，該傳感器采用無源閉環伺服技術，以獲得良好的超低頻特性。傳感器設有加速度、小速度、中速度和大速度四檔，它主要用于地面和結構物的脈動測量，高柔結構物的超低頻大幅度測量和微弱振動測量。

3.4 風速與溫度傳感器

太原地區以東南和西北季風為主，考慮結構的對稱性，在鋼結構屋面的東南角和西北角各布置一個風速風向測點，位于對角線頂端(如圖9所示)，各個測點分別設置1臺，共計2臺，主要測試場地風速、風向。風速風向傳感器采用超聲風速風向儀，其工作原理是利用超聲波時差法來實現風速和風向的測量。時差法是利用超聲波在順風和逆風路徑上傳播的速度差來確定風速和風向大小，可以完全消除由于安裝高度、溫度、濕度和壓差等對測量帶來的影響。

綜合考慮結構模型在溫度荷載作用下的應力水平、結構對溫度的敏感度、結構設計圖和現場查看結果，選定懸挑鋼桁架固定端(懸挑區域根部框架柱)弦桿對應桿件進行溫度傳感器優化布置，每榀鋼桁架上下弦桿各1個，共計8個，選用主要應用于大型結構溫度監測中的HG-T03型溫度傳感器，詳細布置如圖10所示。

4 結語

本文以太原植物園主入口大跨懸挑空間鋼結構為工程背景，通過對該結構的荷載敏感性分析，確定了結構受力關鍵桿件，并基于分析結果確定了結構健康監測系統。通過后期對該健康監測系統上線后在結構運營期間各項監測數據的分析可知，太原植物園主入口健康監測系統具備較高的精確性與穩定性，在長期監測過程中所記錄的實時數據與國家氣象部門公布的數據高度吻合，實現了采集結構環境荷載信息和結構響應數據功能，系統運營正?？煽?。該監測系統可以推廣應用于其他類似結構的健康監測當中，為結構后期加固維護與損傷識別提供數據支持。