贝壳形穹顶网壳结构在线监测系统及其应用

张凤龙 蒋丰军 陈庆鹏 刘文峰

贝壳形穹顶网壳结构在线监测系统及其应用

张凤龙 蒋丰军 陈庆鹏 刘文峰

文章采用FBG 光纤光栅传感器和草青木秀振动传感器，建立网壳钢结构在线健康监测系统，对京津城际于家堡站贝壳形穹顶网壳结构设计中不可预见的荷载以及结构的受力、振动状态进行健康监测，监测结果表明结构整体安全稳定。

网壳结构；结构荷载；在线监测

0 引言

京津城际延伸线于家堡站站房为贝壳形穹体单层网壳结构，长跨143 m，短跨80 m，高24 m，是目前国内跨度最大的单层网壳结构，网壳由36 组顺时针和逆时针的空间螺旋线交叉编织而成（图1）。该网壳结构属于大跨度空间结构，结构施工和运营过程中，受空间杆件定位和控制、大量散拼杆件焊接和安装误差、外界环境等不确定环境的影响，不可避免地使结构存在一定的质量瑕疵和缺陷，因此，有必要建立在线监测系统对网壳结构关键部位进行在线实时监测。

图1 于家堡站房结构效果图

1 监测系统简介

在线监测系统主要包括传感系统、数据采集传输、数据管理预警系统等（图2）。各类传感器完成监测信号的拾取，并通过采集仪进行数据的采集。采集站接收数据后，首先对数据进行判断和预处理，并存入数据管理中心。

图2 在线监测系统构成

数据采集系统的设计考虑数据采集系统的总体构架、数据采集系统的软硬件、数据采集策略等几个方面。虽然该网壳结构跨度较大，但相对于信号传输来说距离并不是很长，信号衰减不明显，因此，采用1个数据采集站进行数据的集中采集。数据采集策略分为动态数据采集和静态数据采集，数据采集制度采用阈值和定时2种方式（在监测系统运行的初期采取24 h连续采集，运行30天后对数据进行分析，确定触发采集系统的阈值和确定定时采集的具体时间段），采样频率根据结构的计算结果确定，但需保证数据具有间隔实时对应关系。

数据处理与控制子系统完成监测数据的校验、结构化存储、管理、可视化以及对监测采样的控制等工作。数据处理与控制子系统具有监测数据的校验、数据的初步分析、数据的结构化以及存储查询和可视化功能，能够响应后续功能模块对数据的请求、控制传感器子系统的采样。

2 监测系统软件实现

软件设计主要从数据提取层、计算分析层和前端展示层3个方面进行，对相关的监测项进行动态分析。软件实现整体框架图如图3，其中涉及到a、b、c、d 等4 个数据库。

在数据提取层，主要完成的工作是实现原始数据按照指定的格式保存到数据库a和b中，并对原始数据进行初步的处理和分析，将结果保存到数据库c和d中。定时打包和清理数据库a、b和c，数据库中始终保持2 h的有效数据，当第3个小时数据存储结束时，第1个小时的数据表将被删除。数据提取的流程设计为：

（1）原始数据提取。以预先设置的采集时间间隔t（本项目为5 min）为单位提取原始数据(波长、电压)到数据库a 中，以.txt 存档；

（2）提取特征数据。在数据库a中提取特征数据至数据库b中，为动态分析做好数据准备；

（3）对数据库a中的数据做物理变换，转化成应变和加速度值，并对应变进行主应变和主应变方向计算，对加速度做FFT变换，将结果存放到数据库c中。对数据库b中的特征数据进行物理转换，转化成主应力和主应力方向以及振动频率等特征数据，存放在数据库d中。

图3 软件整体框架图

3 测点布设

为全面评价结构的强度安全，对杆件应力测点进行合理布置，用Midas Civil进行结构有限元模拟，模拟出应力集中区，把这些杆件区域作为应力监测的重点区域。通过对网壳结构动力特性的分析，确定结构振动监测重点区域。图4给出了监测杆件应力、振动测点布设情况。

图4 在线监测系统测点布设图

4 监测分析

4.1 杆件应力分析

为分析结构在拆架后、拼装中及加载后等3个不同阶段的应力状况，图5、6、7分别给出了DHL-2、DHL-4、DHL-18、DHL-19a、DHL-27a、DHL-29、DHL-34等杆件2013年11月拆架完毕后杆件应力监测结果，2014 年10 月拼装过程中杆件应力监测结果以及2014年11月加载完毕后杆件应力监测结果。在监测过程中，本监测系统依据GB50017-2003《钢结构设计规范》并考虑一定的安全系数，设置蓝色、橙色、红色3级预警机制，蓝色预警值为177 MPa，橙色警值为236 MPa，红色预警值为280 MPa。由图5、6、7 中可以看出：

（1）DHL-2、DHL-4、DHL-18、DHL-19a、DHL-27a、DHL-29、DHL-34等7根底环梁在拆架后阶段，DHL-4杆件应力最大，DHL-34杆件应力较小；拼装阶段，DHL-4杆件应力最大，DHL-34杆件应力较小；加载后阶段，DHL-4杆件应力最大，DHL-34 杆件应力较小；

（2）拆架后应力曲线如图5，最大应力出现在杆件DHL-4，最大应力为142.29 MPa；最小应力出现在杆件DHL-18，最小应力为6.39 MPa，没有杆件应力超过蓝色预警值；

图5 2013年拆架后应力变化曲线

（3）拼装中应力曲线如图6，最大应力出现在杆件DHL-4，有1个点数据超过蓝色预警值，应力值达到178.29 MPa，最小应力出现在杆件DHL-18，最小应力为16.39 MPa；

图6 2014年拼装阶段应力变化曲线

（4）加载后应力曲线如图7，最大应力出现在杆件DHL-4，共有2个点数据超过蓝色预警值，应力值分别为178.03 MPa 和180.29 MPa，最小应力出现在杆件DHL-18，应力为21.39MPa。

图7 2014年加载后应力变化曲线

通过对应力较大杆件DHL-4进行加强监测，起到了监测预警作用。

4.2 杆件振动分析

选取杆件SG-104、TS-8，从频域数据对结构进行前3阶结构固有频率振动监测分析。表1、2给出了拆架后、拼装中及加载后等3个阶段的结构固有频率监测结果。

表1 杆件SG-104固有频率监测结果Hz

表2 杆件TS-8固有频率监测结果Hz

由表1杆件SG-104监测结果可见，在拆架后阶段，杆件第1阶固有频率为2.75 Hz，拼装中阶段为2.72 Hz，加载后阶段为2.69 Hz。这是由于结构整体质量增加使得结构固有频率减小，与施工过程结构质量变化相一致。杆件第2阶固有频率频率在拆架后、拼装中、加载后等3个阶段分别为3.62 、3.60、3.58 Hz。杆件第3阶固有频率在拆架后、拼装中、加载后等3个阶段分别为4.93、4.91、4.88 Hz，同样符合以上的规律，说明结构动力整体性能稳定。

由表2杆件TS-8监测结果可见，在拆架后阶段，杆件第1阶固有频率为2.75 Hz，拼装中阶段为2.72 Hz，加载后阶段为2.70 Hz。这同样是由于结构整体质量增加使得结构固有频率减小，与施工过程结构质量变化相一致。第2阶固有频率在拆架后、拼装中、加载后等3个阶段分别为3.63、3.61、3.59 Hz，第3阶固有频率在拆架后、拼装中、加载后等3个阶段分别为4.94、4.92、4.89 Hz，同样符合以上的规律，说明结构动力整体性能稳定。

[1] 陈志华，徐浩，王小盾，等. 天津于家堡综合交通枢纽贝壳形超大跨度单层网壳结构设计关键技术[J]. 建筑结构，2014，44 (7).

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责任编辑 朱开明

On-Line Monitoring System and Its Application for Reticulated Steel Structure of Shell Dome

Zhang Fenglong, Jiang Fengjun, Chen Qingpeng, et al.

The paper uses the FBG optical fi ber optical grating sensor and vibration sensor, to establish on-line health monitoring system for reticulated shell steel structure, a health monitoring of unforeseen load and structure stress, vibration state in the Beijing-Tianjin intercity Yujiapu station shell shaped dome structure design. The monitoring results show that whole structure is safe and stable.

reticulated shell structure, structural load, on-line monitoring

U231.4

2015-06-12

张凤龙：津滨城际铁路有限责任公司，高级工程师，天津 300450