宁波火车南站钢结构内力监测系统及数据分析

马腾远,杨彬*,张其林,李强

1.同济大学土木工程学院,上海200092 2.滨州学院建筑工程系,山东滨州256600

宁波火车南站钢结构内力监测系统及数据分析

马腾远1,杨彬1*,张其林1,李强2

1.同济大学土木工程学院,上海200092 2.滨州学院建筑工程系,山东滨州256600

以宁波火车南站结构健康监测为工程案例，采用有限元方法模拟计算了站房整体结构，研究确定了监测系统架构和传感器布设方案。对典型大跨钢拱梁不同工况下的模拟值和监测值进行了对比分析。

大跨度钢结构;有限元模拟;内力监测;结构安全

宁波火车南站为宁波站改造工程（简称宁波站），属大跨度多层次交通枢纽，建筑建筑面积：119634 m2。主站房由三个主要层面组成：地下一层（主要负担进出站功能）、站台层（地面层）和高架层（含商业夹层）。地下二层（地铁2号线站厅层）和地下三层（地铁2的站台层）的土建工程大部分位于铁路站房下。主站房及屋盖结构见图1。

图1 主站房横剖面图Fig.1 Body plan of the station building

结构安全监测的意义在于实时了解和分析其结构在各种工况下的结构变形、内力变化过程及发展趋势，为结构的健康运行和安全预警作出判断。该站房结构在使用期内因构件材质退化、内在缺陷或外来不利因素等，都会引起应变加大承载能力的衰减导致安全问题。

采用的监测是实时的无损监测方法，即对结构在不同工况下明显反映结构强度或变形的位置布置监测点，监测其应变进而得知其应力，再与结构分析模型模拟计算数据进行对比，分析实测值与模拟值的一致性和吻合度，从而对结构各工况下的运行和安全作出评判。

1 有限元模拟分析

1.1 确定结构模拟和监测工况

经研究分析该结构从施工开始到结束，应重点模拟和监测的四个工况为：

第一工况：钢拱梁尚未安装就位时，模拟及监测钢拱梁应力值；

第二工况：钢拱梁安装就位由胎架支撑时，模拟及监测钢拱梁应力值；

第三工况：胎架拆除钢拱梁自重由柱承受荷载时，模拟及监测钢拱梁、斜撑及框架柱应力值；

第四工况：屋面结构和构件等全部荷载就位时，模拟及监测钢拱梁、斜撑及框架柱应力值。

1.2 有限元模拟简介

采用通用有限元软件SAP2000（v14)对结构进行受力分析以及各工况模拟。整体结构采用空间框架模型，根据工程实际定义框架截面，屋面板采用薄Shell单元。

对于四个工况分别采用以下荷载工况进行模拟：第一工况认为钢拱梁内力及应变均为零；第二工况由钢拱梁跨中添加铰支座，在钢拱梁自重作用下进行模拟；第三工况由整体模型在自重DEADself作用下进行模拟；第四工况由整体模型在自重及屋面板荷载DEADself+DEAD0作用下进行模拟；第二、三、四工况模拟示意如图2中a、b、c图所示。

图2 第二、三、四工况模拟示意图Fig.2 Diagrammatic sketch of the No.2、No.3 and No.4 simulated condition

2 站房屋盖结构监测方案确定

2.1 监测点布置

经分析研究，站房屋盖结构典型钢拱梁应力关键部位有3个，故布置3个监测点，下图为监测点布置，即跨中下表面1个、梁两端上表面各1个，共18榀刚架，总计54个测点。其它监测点不详述。

图3 屋盖典型钢拱梁测点布置Fig.3 Measuring point arrangement of typical steel arch-beam

2.2 监测传感器

钢结构构件应力采用振弦式应变传感器进行监测。它是利用弦振频率与弦的张力变化关系来测量结构在某一监测点的应变，从而得知结构在该点应力。安装时是把一根钢弦张拉在两块安装块之间，再将安装块焊接在待测钢件表面。构件表面的变形（如应变变化）导致两个安装块相对运动，从而引起钢弦张力改变。用紧靠钢弦的电磁线圈激振钢弦并测出其自振频率然后测出张力。该传感器构造如图4所示。

2.3 数据采集仪、485总线及系统拓扑图

各传感器监测的应变信号为4～20 mA电流模拟信号，通过接入数据采集仪后可转换为数字信号。数字采集仪具有多路输入接口和1个485输出接口，可接入数个到数十个传感器的模拟信号。本工程应变监测系统装置了7个数字采集仪，各数据采集仪的输出接口并接到485总线后，其数据可顺畅地传送到上位机进行贮存分析。应变监测系统拓扑如图5所示。

图5 应变监测系统拓扑图Fig.5 Topological graph of strain monitoring system

3 模拟及监测数据分析

取典型钢拱梁GGL4的实测值与模拟值进行对比。S-W-GGL4-1、S-W-GGL4-2和S-W-GGL4-3分别代表钢拱梁GGL4左端上表面、跨中下表面和右端上表面测点位置，图6为其监测点的实测值与模拟值的对比图，具体数值如表1所示。

表1 GGL4上各测点的实测值与模拟值（MPa）Table 1 Monitoring and simulating data of each measuring point on the GGL4(MPa)

以上数据分析表明：（1）各测点的实测值与模拟值在不同工况下变化趋势一致，偏差值在允许范围之内且监测值小于模拟值，拟合程度较好；（2）各测点在第一工况下监测的初始应力不为零，其原因在于应变计安装产生的拉压力、温度变化引起的温度应力、以及钢构架摆放方式导致的自重等因素影响；（3）各测点在第二、三和四工况下监测值与模拟值存在一定偏差，其原因除初始应力影响外，还在于模型假设梁与柱的连接为刚接、梁与胎架的连接为铰接等。而实际工程中并不存在此种连接假设，因而使得监测值较模拟值偏小。

图6 测点S-W-GGL4-1～3实测值与模拟值对比Fig.6 Comparison of monitoring and simulating data from S-W-GGL4-1 to 3 measuring points

4 结语

大跨度多层次钢结构交通枢纽车流物流人流量大密度大，对结构安全要求越来越高。采用先进的结构模拟分析和新兴的传感技术、信息技术对其进行模拟计算与实时监测对比分析是一种新方法，特点是把建设前的结构模型理论分析与建设后的实物实时监测结合起来，以便模拟值与监测值对比分析和互为验证。可以预见该方法随着传感器稳定性和监测精度的提高以及信息技术的发展，可促进结构分析理论及计算的发展，也为建筑物在使用年限内的结构健康运行安装了日常安全监测系统，实时记录结构应变应力和安全预警，其意义是巨大的。

[1]F K Chang.Structural health monitoring[M].Stanford:Stanford University,2000

[2]张其林.大型建筑结构健康监测和基于监测的性态研究[J].建筑结构,2011,41(12):68-75,38

[3]张其林,陈鲁,朱丙虎.大跨度空间结构健康监测应用研究[J].施工技术,2011,(04):3-8

[4]张慎伟,楼昕,张其林.钢结构施工过程跟踪监测技术与工程实例分析[J].施工技术,2008(03):62-64

Inner Force Monitoring System of the Steel Structure of Ningbo Railway South Station and Its DataAnalysis

MATeng-yuan1,YANG Bin1*,ZHANG Qi-lin1,LI Qiang2
1.College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China 2.Department of Architecture Engineering of Binzhou University,Binzhou 256600,China

This paper took an example of the structural health monitoring system of Ningbo railway south station as the project case,used the finite element method to simulate and calculate the structure of its station building,and studied and determined the framework of the monitoring system and the route of the sensors.And it took a typical large-span steel arch-beam as an example to compare and analyze the simulating data and the monitoring data under different conditions.

Large-span steel structure;finite element simulation;inner force monitoring;structure safety

TU391

A

1000-2324(2014)03-0414-04

2012-11-25

2012-12-03

马腾远(1989-),男,在读硕士研究生,主要从事结构健康监测方面的研究.E-mail:124999971@qq.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:yangbin@tongji.edu.cn