- 項目背景
京津城際延伸線(xiàn)于家堡站站房工程地面城際站房為(wèi)“貝殼”形的穹頂建築，立面為(wèi)雙曲面的空間造型，穹頂各方向尺度比例經過充分(fēn)的結構力學(xué)分(fēn)析，并考慮外觀美學(xué)效果。南端穹頂角度較陡，弧度較大，建築最高點24米，北端呈平緩的曲面，頂部最高處設置有的橢圓形孔，豐富了穹頂的立面造型。穹頂的外表面材料主要為(wèi)ETFE 膜、透明玻璃、鋁合金構件組成，整體(tǐ)顔色呈現為(wèi)柔和的半透明的白色。于家堡網殼為(wèi)單層網殼結構，長(cháng)跨143米，短跨80米，高度24 米。網殼由36根順時針和36根逆時針的鋼箱梁相互編織而成，在頂部交織成36個點與頂部鋼環梁連接。在底部也交織成36個鋼節點與底部鋼環梁連接，這樣頂環梁+72條杆件編織網+底環梁的單層網殼結構通過雙向鉸支座與地下結構及牛腿連接。該項目作(zuò)為(wèi)一個大型站房溫度場、應力場的監測，我司已運維7年，通過健康監測系統可(kě)以監測設計中不可(kě)預見的荷載作(zuò)用(yòng)以及結構的受力情況，持續為(wèi)于家堡的結構健康保駕護航。
- 項目設計及實施
地面站房網殼運營期間主要的風險事件有網殼整體(tǐ)或局部倒塌、網殼撓度過大、火災事件、地震或大風破壞事件。面對衆多(duō)運營安(ān)全隐患，該系統可(kě)以實現重點監測，提出有針對性的解決方案。具體(tǐ)如下：
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序号 |
風險事件 |
風險因素 |
後果 |
健康監測應對措施 |
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1 |
網殼整體(tǐ)或局部倒塌 |
1、施工質(zhì)量不合格 2、荷載超限 3、雪(xuě)載嚴重超載 4、鋼材或焊縫的腐蝕 |
人員傷亡、經濟損失 |
在關鍵杆件設置應變、溫度傳感器測量杆件應變和溫度、進行網殼變形觀測 |
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2 |
網殼撓度過大 |
1、地下結構的不均勻沉降或上浮 2、局部堆載過大 3、支座損壞 4、溫度波動較大 |
經濟損失 |
進行網殼變形觀測、支座沉降觀測變形，設置應變、溫度測量杆件應力和溫度 |
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3 |
火災事件 |
1、火災導緻使鋼結構承載力降低 |
經濟損失 |
設置應變、溫度傳感器測量火災下的杆件應變和溫度 |
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4 |
地震或大風破壞事件 |
1、地震使局部杆件發生破壞 2、大風使杆件局部破壞 |
經濟損失 |
設置風速儀、振動加速度傳感器。測量整體(tǐ)的振動情況 |
- 實現功能(néng)
1.為(wèi)鋼結構卸載提供參考
鋼結構經過幾個月的分(fēn)布施工，各種設計之外的特殊工況難以預料，再加上施工工藝難以百之百按照設計的意圖執行，造成結構部分(fēn)杆件的受力情況與設計發生偏差。系統在這樣背景下起到了為(wèi)鋼結構卸載提供參考的作(zuò)用(yòng)。所有監測的70根杆件受力情況與設計提供的整體(tǐ)受力情況相對照，找出重點監測的區(qū)域及杆件，為(wèi)卸載施工提供參考。
- 驗證原始設計
原始設計是在理(lǐ)想環境下模拟進行的，考慮了普遍情況下以及多(duō)種極限狀況下結構的承載情況，但實際工況的複雜程度是設計難以覆蓋的。監測系統采集的數據與原始設計相輔相成，相互參照驗證，根據原始設計可(kě)以設定監測系統的相應參數，相應的，根據監測系統的數據可(kě)以修正原始設計的相應條件，完善設計方案，為(wèi)以後類似的工程提供設計參考。
- 施工過程中及長(cháng)期運營風險預警
系統對數據管理(lǐ)系統提供的結構溫度、變形，支座位移、杆件應力/應變和加速度等信息進行實時的監測和分(fēn)析處理(lǐ)，當結構觀測數據發生異常時（預示結構可(kě)能(néng)發生損傷）給出預警；綜合結構溫度、支座位移和杆件應力/應變等信息，對結構的有限元模型進行修正，利用(yòng)修正後的模型進行整體(tǐ)結構損傷識别、安(ān)全評估及預警。主要包括三個方面，結構健康狀态實時監測與預警；結構監測數據深度分(fēn)析；結構損傷識别。在施工期卸載過程中，系統已經成功預警一次，指導施工卸載，對鋼支撐的安(ān)全卸載起到至關重要的作(zuò)用(yòng)。
4.後續施工加載監測
整體(tǐ)鋼結構的荷載達到了80%，後期仍有20%的荷載會增加，持續增加的荷載對結構帶來的影響通過監測系統可(kě)以得到持續的關注，仍然重點關注加載過程中受力發生突變或者異常的杆件，一旦發生預警情況，施工方可(kě)根據監測數據調整施工工序或采取有效措施。
5.結構長(cháng)期運營狀态安(ān)全評估
實現定期對累積監測數據進行全面深度分(fēn)析，為(wèi)判斷服役結構健康狀态以及可(kě)能(néng)的結構損傷情況，提供重要的基礎數據。
- 成功預警
通過設置預警值，實時監測杆件受力狀況。在卸載過程中，發現杆件SG-11達到三級預警值177Mpa，一級預警值290MPa，極限設計應力值350MPa。在卸載監測過程中，杆件及時預警，對比現場安(ān)裝(zhuāng)傳感器及布點位置，此處為(wèi)車(chē)站大門入口處，焊接時人為(wèi)減少2根杆件，且為(wèi)短闆受力狀态，與設計及實際情況吻合。在此情況下，系統及時告知業主及設計人員，通過調整施工工序，以減小(xiǎo)受力較大杆件的持續受力增加，成功解決卸載過程中隐患。
軟件預警圖
杆件SG-11位置
杆件傳感器第6個安(ān)裝(zhuāng)位置
杆件第6個傳感器實物(wù)
通過分(fēn)析，杆件SG-11之所以達到預警值，是因為(wèi)這根杆件所有傳感器在卸載之前自身的殘餘應力已處于一個較大水平，加之這個傳感器位置為(wèi)壓/應力集中的位置，卸載過程中産生的應力疊加造成了應力持續增加，達到了三級預警值，但仍遠(yuǎn)小(xiǎo)于杆件的極限承載值，處于安(ān)全可(kě)控狀态。
