马鞍山体育场钢结构健康监测系统研究

任祖勤

摘  要：钢结构在施工和运营期间主要构件的应力、结构整体变形、整体稳定性等指标是影响建筑物及构筑物安全性、实用性、耐久性的重要指标。本文以马鞍山某体育场为对象，建立了体育场钢结构综合监测系统，通过确定主要监测内容、监测传感器选型、系统组网方式、数据存储等工作，实现了施工和运营阶段对场馆钢结构关键构件的应力、变形、风速风向、风压及振动特性等实时监测的目标。对建设单位和运营单位精准掌握结构整体在施工和运营阶段的安全性水平，实时发现并处理结构在各阶段的异常状态具有非常重要的意义。

关键词：钢结构监测;应力;变形;传感器;稳定性;耐久性

概述

随着时间的增长，由于气侯、环境等自然因素的作用和日益增加的人流量的不断增加钢结构使用功能的退化必然发生。在我国经济迅速发展的形势下，对于钢结构的使用要求也在不断提高，不少钢结构的老化和功能退化已呈现加速的趋势。为了确保钢结构的使用安全性和耐久性。减少和避免国家、人民生命财产的重大损失，进行大型钢结构工作状态和结构特性参数的监测和评估工作迫在眉睫。

马鞍山市体育会展中心工程在马鞍山秀山新区，位于湖南路以南，霍里山大道以东，安徽工业大学东校区以北，秀山路以西。整个工程由五个单体建筑——“体育场、会展中心、体育馆、游泳馆、网球馆”组成。会展中心体育场位于体育会展中心正中间，建筑面积62044.59平方米，观众座位36676个，是一个甲级大型体育建筑。

本工程上部钢结构罩棚为径向倒三角桁架双层曲面网壳混合空间网格钢结构屋盖体系，由悬挑主桁架和内环桁架、腰桁架及支撑体系组成，主悬挑桁架最大悬挑长度37m，根部高度4m;体育场北侧由于无核心筒，罩棚由4个树形柱支撑。

钢结构主伸臂桁架支承于下部砼核心筒顶，悬挑主桁架底部与筒体的侧边相连，树形柱穿过一层混凝土柱支承于基础上。

1监测内容及测点布设

根据设计文件及相关技术规范，确定如下监测内容：

（1）风速风向及风压监测;

（2）位移（变形）监测;

（3）加速度监测

（4）温湿度监测

（5）钢结构应力应变监测

监测点的布设按照设计文件及相关规范的要求，以应力应变和加速度点位为例进行说明。

应力应变测点布置：体育场主桁架是主要受力构件，以承受竖向荷载为主，主桁架测点布置图1所示，每测点布置2个应变传感器。树形柱测点每测点布置4个应变传感器。

加速度测点布置：体育场振型以平动为主，需在结构自振特性较明显处，布置不少于84只X向及Y向加速度传感器，以获取结构的前五阶X向平动、Y向平动和前三阶扭转的频率、振型和阻尼比

2选用传感器

2.1 风速风向及风压监测所用设备 -- 三维风速仪，风压传感器

2.2 位移监测所用设备 -- GPS

结构位移监测可采用全球定位系统（GPS），GPS监测系统应能获取结构的平动及扭转响应。除GPS基站外，建筑顶部应设置GPS位移监测系统不少于两台，位移测量误差应小于1.0厘米，采样频率不低于20Hz。

2.3 加速度监测所用设备 -- 磁电式加速度传感器

基于加速度频响函数的模型修正法可以直接利用计算和测量得到的加速度频响函数进行模型修正，使修正后模型的频响函数与实际结构的频响函数相一致，所以基于加速度频响函数的模型修正技术在结构损伤诊断中具有更实际的工程意义;利用测得的频率可以反算出结构的刚度矩阵，从而可以识别出损伤杆件，这也是一个值得研究的课题。

2.4 温度监测所用设备 -- 温度传感器

2.5 应力应变监测所用设备 -- 振弦式应变计

结构的内力和位移是结构外部荷载作用效应的重要参数，其中内力是反映结构受力情况最直接的参数，跟踪结构在建造和使用阶段的内力变化，是了解结构形态和受力情况最直接的途径，也是判断结构效应是否符合设计计算预期值的有效方式。对结构关键部位构件的应力情况进行监测，把握结构的应力情况，可以确保结构的安全性。

3监测系统结构

针对马鞍山体育场长期监测项目开发的监测系统可具有以下功能：实现应变、温度、加速度、变形、风速计、风压传感器等混合信号的分布式同步采样;实现动态信号的抗混叠滤波等实时处理;对测量值超传感器量程进行报警;测量值超上下限进行报警;历史数据查询;测点位置、实时数据和报警信号的图形形象显示;各测点历史数据查询;报警历史信息查询等功能。并可根据需要定制开发各种特殊功能，系统开发的高效性和高可靠性。为保证数据存储的高速和高可靠性，以及后期数据管理的高效性，所有采样数据以大数据方式存储在NoSQL数据库里。

本地监测和远端检测统一采用web界面，可通过权限管理显示不同的内容。根据需要可在互联网上发布实时分析和数据显示功能。在有异常情况时，可以根据预先设置的警戒范围，变化测点颜色，及时发出警报。数据的监控显示采用交互操作型的图表，具有高度的灵活性与直观性。

4监测结果

以应力应变监测过程中的2轴为例来说明监测过程中的结果。

由上表可计算在2015-2016年，施工过程中2轴的最大应力点位为YB-2-71，该点位最大应力为26.75MPa，所有点位的应力均符合各工况的受力特点。

该项目进入运营期以后，运营单位可随时从本地服务器读取存储数据，或实时登录系统查看各点位的监测情况，如下所示，为某传感器点位的监测实时数据，可看出监测值在合理區间内波动，能够反映构件的真实受力情况。

5结论

（1）实施大型钢结构的综合监测，不仅应考虑其实用性和先进性，更应从费用一效益角度出发，根据实际情况，确定监测项目的实施方案。

（2）通过对马鞍山体育场加速度、温度、风速风向、应力应变等监测，可以实时判断在施工过程和运营阶段结构体的受力状态，对于建设单位和运营单位进行安全有效的生产和运营具有非常重要的作用。

（3）马鞍山体育场数据存储方式为本地存储，解决了大批量数据通过网络传输的巨大通信量的要求，可以通过监测平台软件，实时访问本地服务器，查看各点位的数据情况，另外，通过预警体系可以将整个建筑的安全纳入实时监控状态，对于运营单位决策提供了很大的参考价值。