大型建筑结构长期安全健康监测系统设计

祝小龙，向泽君，谢征海，周成涛，周忠发，张 晋

大型建筑结构长期安全健康监测系统设计

祝小龙1，向泽君1，谢征海1，周成涛1，周忠发2，张 晋1

( 1．重庆市勘测院，重庆400020; 2．北京建筑设计研究院有限公司，北京100010)

一、引言

大型建筑结构多为关系国计民生的公共性建筑，同时也是一个地方的标志性建筑。由于大型建筑结构大量采用钢材、膜材、高强钢索、铝合金等新型材料，在其服役期限内除了材料自身性能会不断退化、老化外，还不可避免地会受到风、地震、疲劳、超载等自然损害和人为因素的影响，从而导致结构受损、承载能力降低，甚至会使其受破坏而影响人民的生命财产安全。如2007年1月雨雪、大风及材料老化导致温哥华体育场屋顶坍塌，2010年12月鄂尔多斯那达慕大会主会场坍塌等。这类场馆使用时人流集中，密度大，安全问题至关重要［1］。

为了保障重大工程结构的安全性，急需对该类重大工程结构进行有效的安全监测，而目前国内对此通用的常规变形监测因间隔期长、及时性差已逐渐不能满足安全控制的需要。建立大型建筑结构实时安全健康监测系统成为发展的必然趋势，但由于目前国内健康监测尚处于探索阶段，尤其在大型建筑结构工程的研究及应用方面较少，因此应在总结以往经验和教训，以及借鉴国外先进经验的基础上，对大型建筑结构设计健康监测系统，并为研究结构服役期间的损伤演化规律提供有效的、直接的分析数据和依据，以科学、主动地预报工程结构的安全状况。

二、工程概况

重庆国际博览中心是西部第一、全国第二的国际大型会议展览中心，东西宽约0．8 km，南北长约1．3 km，总占地约1．32 km2。它主要由展馆区、酒店、多功能厅、会议中心和沿江商业5部分组成，建筑外形似一只翩翩起舞的蝴蝶，效果如图1所示。

图1 重庆国际博览中心

重庆国际博览中心为钢桁架和铝格栅结构组成的大型建筑结构，树状支承柱直接支承铝合金格栅结构，主体屋顶结构采用立体馆桁架、支承于下部砼结构，其中跨度最大的多功能厅单榀钢桁架跨度为117 m。其钢桁架结构和铝结构具有跨度较大、结构复杂的特点，服役环境较为恶劣(高温、潮湿)，其上的作用荷载复杂，结构又属于柔性结构体系，各种荷载和异常状况一旦超过结构承载能力，必将对结构产生一定的损伤，甚至引起坍塌，因此建立长期安全健康监测系统十分必要。

三、长期安全健康监测内容

对于健康监测系统而言，如何有效地监测结构的相关监测项目和参数，把握对结构安全有重大影响的安全因素是至关重要的。重庆国际博览中心地处坡地临江，地形条件复杂，结构体量大，若对全部建筑进行监测，则监测系统极为庞大，工程造价也极其昂贵，因此在监测场馆的选择上根据结构的重要性、对称性、经济最优化、场地地质特性等要素综合考虑，从16个场馆中选取了Se04、Sw02、Ne01、Ne03、会议中心和多功能厅6个场馆作为监测对象，各场馆结构形式和地理位置如图2所示［2］。

图2 各场馆结构形式和地理位置分布图

根据重庆国际博览中心项目的结构特点，建立了3套监测子系统，分别为光纤光栅应变及温度监测系统、静力水准挠度监测子系统、风速风压监测子系统，主要监测内容有:①钢桁架应力(应变) ;②钢桁架挠度;③树状柱树干应力;④铝格栅应力;⑤风速、风压;⑥温度监测。

四、传感器布置方案设计

大型建筑结构体系极为复杂，单纯依靠经验在关键截面布置测点的方法已经不能满足需要，必须借助于结构有限元仿真分析系统和大型结构试验来进行计算识别，通过计算结构的应力、挠度等参数，选取重点监测点位。

1．有限元仿真分析

重庆国际博览中心结构有限元仿真分析是获取结构在荷载作用下结构杆件内力、挠度等参数的有效方法。通过有限元分析能够得到结构在自重荷载和标准荷载组合及结构在极限承载能力下应力及挠度值，从而获得结构的安全指标控制范围。有限元分析模型如图3所示。

图3 场馆模型仿真分析图(局部)

2．风洞试验

重庆国际博览中心造型新颖，屋面跨度大，结构复杂，无法直接利用规范或借鉴类似结构的研究成果评价其风荷载特性。为确保结构的抗风安全，按照几何相似原则，建立了1∶300的风洞试验模型，研究作用于建筑物上的风荷载及风致振动特性。安装在风洞试验中的模型如图4所示［3］。

图4 风洞试验中的屋面测压模型

五、长期安全健康监测系统设计

1．监测系统组成

结构健康监测系统涉及多门学科领域，系统的设计与实现比较复杂，主要包括传感器系统、数据采集系统、信号传输系统、数据管理系统、安全预警系统，如图5所示。上述各个系统分别涉及不同的硬件和软件，需要通过系统集成技术将它们集成为一个协调共同工作的健康监测系统，以达到对监测结构的实时动态监测［4］。因此，必须通过一个相应的系统转换平台来实现，这就需要进行系统集成，通过建立的系统管理平台来对各监测子系统进行管理和运行，并实现数据交互，最终形成易于识别和理解的人机交互平台。

图5 监测系统项目组成

2．监测数据采集、预处理及传输

重庆国际博览中心健康监测系统在设计时需要考虑应变、挠度、风速、风压和温度等多种关键参数，数据采集必须基于多传感器系统的融合来设计，这个过程就是要处理自动识别、连结、相关、估计，以综合多源数据和信息，其关键技术是数据转换、数据相关、数据库、融合推理。考虑国际博览中心健康监测系统硬件的性能和软件，动态数据的采集主要采用实时采集的方式，以及时掌握重大结构异常发生的情况，并采取积极的应对措施。

采集后形成的数据，在将监测数据用于分析评估前，必须对数据进行预处理，主要包含动态数据实时统计、伪信号的干扰识别等。对于实时采集数据，伪信号的干扰识别是根据预定的识别模式，对各数据采集子系统采集到的原始数据进行计算，剔除数据采集和传输过程中因干扰引起的异常值，并将能反映监测项的数据传给数据库。

同时，在健康监测系统中，为满足数据采集系统到数据库管理系统之间的数据传输要求，利用系统构造内部数据局域网，基于TCP/IP技术来实现数据传输，以保证系统的可靠性和可扩展性。

3．数据库管理

重庆国际博览中心安全健康监测系统设计的传感器有将近1000个，每个传感器采集的数据最终都要提供给系统作为监测评价的依据，因此，必须构造最优的数据库模式。本系统主要基于PB语言进行系统开发，建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储数据，满足各种应用需求(信息要求和处理要求)，完成对数据采集系统采集的数据进行存储、查询、备份，实现对数据的处理、远程控制、用户管理分类、数据备份、设备维护、系统安全等任务。

六、结构安全监测评价系统关键技术

1．基于结构安全的阀值界限

基于结构安全阀值的评定是结构安全评定中最一般的、最简单的评定模式，直接以结构的功能指标进行评定，如应力、挠度、风速、风压和温度。它把这些有关因素作为基本变量X1、X2、…、Xn来考虑，由基本变量组成的描述结构功能的函数Z=g( X1，X2，…，Xn)被称为结构功能函数;同时也可以将若干基本变量组合成综合变量，如将作用方面的基本变量组合成综合作用效应S，抗力方面的基本变量组合成综合抗力R，从而结构的功能函数为Z=R－S［7-8］。

对于Z=R－S，存在以下3种情况:

1) Z=R－S＞0，表明结构处于安全状态;

2) Z=R－S＜0，表明结构已失效或破坏;

3) Z=R－S=0，表明结构处于极限状态。

阀值的确定主要基于结构分析软件进行仿真分析，取得在标准荷载组合下的监测点的最大参数值，并根据其材料的屈服应变和相应时刻结构的最大变形经过一系列计算来确定控制阀值。

2．基于系统统计预测的结构安全监测评价

采用系统统计预测的方法，针对结构安全监测系统中的主要监测参数(应变、挠度等)，设计相应的系统预测数学模型系统统计预测，通过对历史数据的回归分析和曲线拟合预测未来，从而判定结构参数在阈值界限内的使用度，对系统的未来发展作出预测，如采用使用度评价指标进行评定［6］。式中，ν为结构参数监测信号值; h为结构参数设计极大值(扣除恒载效应的包络图上限) ; l为结构参数设计极小值(扣除恒载效应的包络图下限) ; w为结构参数设计工作值(取零荷载效应值) ; syd为设计能力使用度。

将实测的结构参数值与控制阈值进行比较，判别当前监测的结构参数(应变、挠度等)的设计能力使用程度。如当K线周期中的最大值使用度或最小值使用度达到或超过+75%或－75%，也就是说该测点的信号在某个周期内设计允许范围内的使用程度已经达到75%，以此标准判定结构的安全状态［11］。

七、结构安全监测预警系统

1．预警系统组成

重庆国际博览中心结构安全预警系统的主要作用在于通过传感器采集的数据对建筑结构安全状态进行监测评估，整个系统涵盖监测系统的数据采集、数据分析及数据反馈3部分。

2．数据采集功能模块

数据采集模块主要具备以下功能:①存储仪器自动采集的数据;②存储人工输入的基本数据库，在结构进行相应荷载识别时进行调用。

3．数据处理功能模块

数据处理功能模块将主要实现如下的功能:①结构状态记录功能;②安全报警功能;③突发事件的监测数据保存功能;④数据统计处理功能。

4．数据反馈功能模块

数据反馈模块主要是在数据分析之后提供可供用户操纵的数据平台，其实现的功能为:根据数据分析的结果，进行相应的数据展示，并针对不同的预警控制，发出预警信号。安全预警系统的人机交互界面由系统设置和历史数据组成，系统设置包括操作员设置、测点设置、系统参数设置、报警短信接收人设置、操作员查询、测点查询、报警短信接收人查询和系统升级程序上载共8个功能，以实现人机交互展示，如图6所示为第Ne01-H5-s-7号应力监测点的应力—时间变化曲线。

图6 Ne01-H5-s-7号应力监测点应力—时间变化曲线

八、结束语

由于国内外大型建筑结构进行健康监测的案例少之又少，只有极少部分国家特别重大的场馆设施进行了施工阶段的智能化监测，可谓凤毛麟角。随着建筑结构越来越向新颖、高大、智能化方向发展，其安全问题也越来越突出，从而越来越得到各方的重视，这也为大型建筑结构健康监测的研究和应用提供了良好的平台和发展空间。

本文以重庆国际博览中心为例，介绍了大型建筑结构长期安全健康监测系统如何设计、组建，如何融合建筑、结构、电子、信息及统计等多个学科，如何进行硬件设计和软件开发等。诚然，这只是保证系统正常运行的基本条件，而大型建筑结构的安全监测评估系统这个主要用于评估结构体系，解决人们最为关心的结构安全问题的系统才是安全监测的重中之重。

［1］ 周雨斌．网架结构健康监测中传感器优化布置研究［D］．杭州:浙江大学，2008: 6-10．

［2］ 祝小龙．基于远程监测的大型建筑结构安全监测关键技术研究报告［R］．重庆:重庆市勘测院，2012: 34-37．

［3］ 廖黎海．重庆西部国际会议展览中心风洞试验研究报告［R］．成都:西南交通大学风工程试验研究中心，2011: 1-4．

［4］ 李慧，欧进萍．斜拉桥结构健康监测系统的设计与实现( I)系统设计［J］．土木工程学报，2006( 4) : 39-44．

［5］ 周建庭．实时监测桥梁寿命预测理论及应用［M］．北京:科学出版社，2010: 70-89．

［6］ 周建庭．基于可靠性理论的桥梁远程监测系统安全评价研究［D］．重庆:重庆大学，2005: 55-59．

［7］ 梁宗保．基于监测信息统计分析的桥梁结构安全评价研究［D］．重庆:重庆大学，2006: 99-101．

The Design of Large Scale Structure of Long-term Safety Health Monitoring System

ZHU Xiaolong，XIANG Zejun，XIE Zhenghai，ZHOU Chengtao，ZHOU Zhongfa，ZHANG Jin

依托重庆国际博览中心，综合考虑建筑结构的设计特性、周边地质环境、经济等因素，建立了有限元结构模型进行结构力学性能分析。在此基础上通过FBG光纤光栅应力(应变)、温度、静力水准挠度、风速风压等传感器的布置优化设计，构建了长期安全健康监测系统的架构、传输机制、数据处理机制及预警预报系统，为进行大型建筑结构的结构状态识别、结构的承载能力评估等工作奠定了基础。

大型建筑结构;长期安全健康监测;系统设计;预警预报

祝小龙( 1983—)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为结构工程变形测量、健康监测。E-mail: 42156990@ qq．com

P258

B

0494-0911( 2015) 11-0076-04

祝小龙，向泽君，谢征海，等．大型建筑结构长期安全健康监测系统设计［J］．测绘通报，2015( 11) : 76-79．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0351

2014-10-12

重庆市建设委员会(城科字( 2012)第2-01号)