港珠澳大桥珠海口岸钢结构健康监测方案许锴等

漫谈

【摘要】本文介绍大跨度空间结构体系是港珠澳大桥珠海口岸钢结构的重要建筑外观特征，与海边环境融洽，令人印象深刻。大跨度空间结构体系形成狭风口，使得结构风效应更加复杂。施工监测为钢结构施工过程提供力学数据支撑，确保整个钢结构施工过程的安全。鉴于本工程的重要性和工程的复杂程度，应进行施工过程的健康监测及运营过程的健康监测。

【关键词】港珠澳大桥;珠海口岸;施工监测;运营监测

近20多年来，钢结构在我国应用越来越广，如高层民用建筑钢结构、大跨度公共建筑钢结构、高耸及塔桅构筑物钢结构、大跨度桥梁钢结构等。但在钢结构应用发展的同时，国内外都发生过许多不同类型、不同原因、不同程度的钢结构工程事故，特别是一些重大钢结构工程事故，造成了严重的人员伤亡和经济损失。在这些事故中，有些是由于自然灾害如地震、大风、火灾、水灾等造成的意外破坏事故，有些是由于施工质量不合格，或设计考虑不周或使用不当，或结构用途改变而未能及时正确评估结构的安全性以及未进行合理可靠的加固等原因造成的。因此，对本项目的钢结构进行施工监测及运营监测及安全性评定是非常必要且紧迫的。

港珠澳大橋珠海口岸工程位于广东省珠海市拱北湾南侧的口岸人工岛上，占地面积107.33万㎡。主要功能包括：旅检区及口岸交通配套区、口岸办公区、入境货检区、市政道路及市政配套区。东接港珠澳大桥主体工程、南与澳门口岸紧密相连，未来将承担起交通枢纽平台的重任。本项目钢结构健康监测主要涉及的区域有：旅检大楼A区、旅检大楼B区、珠海侧交通中心及交通连廊四个区域的钢结构屋面部分，旅检大楼A区主体结构为钢筋混凝土框架，屋盖为大跨度空间钢结构体系。珠海侧交通中心工程为地下一层，地上三层，并设有局部夹层，屋盖为正方四角锥网架+单层梁网壳屋盖结构体系。旅检大楼B区无地下室，主体结构为钢筋混凝土框架，屋盖为钢桁架结构体系。交通连廊局部地下一层，地上三层，主体结构体系为钢筋混凝土框架，顶部装饰挑檐为钢桁架构架。珠海口岸效果图如图1所示。

施工阶段监测的内容主要包括应力应变、温度及位移，运营期间监测包含应力应变、温度及位移、风环境监测、动力特性监测、动力参数分析。

1.应力应变监测

应力应变监测点布置的原则如下：

（1）本项目采用MIDAS及YJK有限元软件模拟计算受力比较大的点作为应力应变监测控制点;

（2）结构重要构件：天窗桁架与钢结构桁架连接处的重要构件以及拉梁，这些构件一旦损毁，将给结构带来灾难性的后果，故将其作为重点监测控制点;

（3）监测控制点要具有代表性和规律性：监测点组合起来要能对结构的整体安全性进行评估，体现整个结构的应力分布。

施工阶段，考虑支撑方式及施工工艺，建立有限元模型，确定结构受力较大的杆件作为监测控制点，从宏观上控制结构的受力规律性并能密切跟踪施工过程中的受力变化，最终确定具体的监测点布置位置，运营期间监测点的位置与施工阶段位置一致。旅检大楼A区监测点数量132个，旅检大楼B区监测点数量8个，交通中心监测点数量68个，交通连廊工程监测点数量8个。旅检A区与交通中心监测布置如图2-图7。

2.温度监测

由于太阳辐射的作用钢结构的温度明显不同于大气环境温度，其直接影响是在高次超静定结构中产生温度应力，因此在钢结构施工过程中，需要在特定的阶段（安装、合拢和卸载）和特殊气候条件（高温和低温）下对钢结构的温度场进行实时监测，为科学地组织施工和结构温度应力的计算提供技术依据。

施工过程中主要监测钢结构拼装及合龙过程（设计合拢温度在15～20℃）的温度;钢结构安装于塔架上卸载前的温度;钢结构卸载后成型的温度。

结合施工工艺与规范，最终确定具体的监测点布置位置，运营期间监测点的位置与施工阶段位置一致。旅检大楼A区监测点数量132个，旅检大楼B区监测点数量8个，交通中心监测点数量68个，交通连廊工程监测点数量8个。

3.位移监测

位移监测点布置的原则如下：

（1）理论计算位移较大点;

（2）重要的节点（天窗桁架与钢结构桁架连接处的重要节点）;

（3）监测控制点要具有代表性和规律性：监测点组合起来要能对结构的整体安全性进行评估，体现整个结构的变形分布规律。

选择港珠澳大桥珠海口岸钢结构关键节点的位移进行监测，监测的内容包括钢结构屋盖关键节点的变形（X、Y、Z）、屋盖支撑柱顶水平位移及竖向位移监测。屋盖钢结构重点监测内容为钢结构挠度的变化。

施工阶段，考虑支撑方式及施工工艺，建立有限元模型，确定结构变形较大的节点作为监测控制点，从宏观上控制结构的受力规律性并能密切跟踪施工过程中的受力变化，最终确定具体的监测点布置位置。本项目钢结构屋盖及柱顶支撑系统位移监测点为旅检大楼A区监测点数量12个，旅检大楼B区监测点数量4个，交通中心监测点数量12个，交通连廊工程监测点数量4个。

4.风环境监测

港珠澳大桥珠海口岸钢结构的风场具有明显的三维特征，流场特性相当复杂，经常伴随着气流的分离和再附、旋涡脱落等现象，从而造成风荷载的分布非常复杂，这类问题很少能够用纯解析的方式予以解决，其研究也主要依靠风洞试验。目前国内外的试验研究主要集中在悬挑屋盖、平屋面和球形屋面，且主要研究其静力风荷载特性。屋盖结构的几何形状对屋面风压分布有重大影响，不同形式的屋面，其表面风压分布有很大区别。同时，即使屋面整体形式相同，由于局部构造（如挑檐、女儿墙等）和屋面坡度的不同，其局部或整体风压分布仍可能有很大差别。而风荷载的现场实测更好的反映了结构的实际风荷载分布。因此，就有必要对港珠澳大桥珠海口岸钢结构进行风荷载现场实测来确定结构的风荷载分布，以更好地进行结构的抗风设计。

风环境监测点布置的原则如下：

（1）风洞试验结果中风压分布较大区域;

（2）监测控制点要具有代表性和规律性。

旅检大楼A区风压监测点数量16个，风速风向监测点数量2个;交通中心风压监测点数量16个，风速风向监测点数量2个。

5.动力特性监测

结构动力特性监测系统（如图8所示）是利用现有传感器和数据采集设备，全天候、不间断地监测结构整体振动特性，在计算机软硬件系统的支持和控制下，通过对采集数据进行分析、加工处理，自动显示结构运行的整体和局部振动性态，并将监测和分析结果送到结构监测数据库，作为结构安全特性评价的依据。

结构动力特性监测主要监测选定点在风荷载、地震作用下的振动响应，直接测量加速度振动。

根据有限元仿真计算，确定监测点的最终布置图。本项目旅检大楼A区动力特性监测点数量8个，交通中心动力特性监测点数量8个。

6.动力参数分析

港珠澳大桥珠海口岸钢结构作为公共标志性建筑，结构形式复杂，社会意义重大，为了确保施工完成后正常运营期间结构的安全性，及时做好结构安全的预警系统，特为本项目制定了一套完整的算法，通过各种实测的力学参数，识别港珠澳大桥珠海口岸钢结构在运营过程的损伤程度。

结构损伤识别是结构运营健康监测中的最关键问题。20世纪40年代到50年代，土木结构的损伤监测主要是对结构缺陷原因的分析和修补方法的研究，监测工作大多采用以目测为主的传统方法;20世纪60年代初期，由于航空、军工的需要，开始注重对结构监测技术和评估方法的研究，结构的损伤监测应运而生，相继发展了一系列的无损监测技术，多种现代监测技术被应用于土木结构中。

在健康监测系统中结构损伤识别方法与损伤监测手段是密不可分的，在得到测量目标的监测结果后就要对结构的损伤进行识别。

参考文献

[1]《建筑工程施工過程结构分析与监测技术规范》JGJ/T 302-2013

[2]《建筑与桥梁结构监测技术规范》GB 50982-2014

[3]《结构健康监测系统设计标准》 CECS 333：2012

[4]《钢结构工程施工规范》GB 50755-2012

[5]《港珠澳大桥珠海口岸工程刚体模型测压风洞试验报告》