- 項目背景
京津城際延伸線于家堡站站房工程地面城際站房為“貝殼”形的穹頂建筑，立面為雙曲面的空間造型，穹頂各方向尺度比例經(jīng)過充分的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，并考慮外觀美學(xué)效果。南端穹頂角度較陡，弧度較大，建筑最高點24米，北端呈平緩的曲面，頂部最高處設(shè)置有的橢圓形孔，豐富了穹頂?shù)牧⒚嬖煨?。穹頂?shù)耐獗砻娌牧现饕獮镋TFE 膜、透明玻璃、鋁合金構(gòu)件組成，整體顏色呈現(xiàn)為柔和的半透明的白色。于家堡網(wǎng)殼為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，長跨143米，短跨80米，高度24 米。網(wǎng)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(huán)梁連接。在底部也交織成36個鋼節(jié)點與底部鋼環(huán)梁連接，這樣頂環(huán)梁+72條桿件編織網(wǎng)+底環(huán)梁的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)通過雙向鉸支座與地下結(jié)構(gòu)及牛腿連接。該項目作為一個大型站房溫度場、應(yīng)力場的監(jiān)測，我司已運維7年，通過健康監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測設(shè)計中不可預(yù)見的荷載作用以及結(jié)構(gòu)的受力情況，持續(xù)為于家堡的結(jié)構(gòu)健康保駕護(hù)航。
- 項目設(shè)計及實施
地面站房網(wǎng)殼運營期間主要的風(fēng)險事件有網(wǎng)殼整體或局部倒塌、網(wǎng)殼撓度過大、火災(zāi)事件、地震或大風(fēng)破壞事件。面對眾多運營安全隱患，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)重點監(jiān)測，提出有針對性的解決方案。具體如下：
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? 序號 |
風(fēng)險事件 |
風(fēng)險因素 |
后果 |
健康監(jiān)測應(yīng)對措施 |
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1 |
網(wǎng)殼整體或局部倒塌 |
1、施工質(zhì)量不合格 2、荷載超限 3、雪載嚴(yán)重超載 4、鋼材或焊縫的腐蝕 |
人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失 |
在關(guān)鍵桿件設(shè)置應(yīng)變、溫度傳感器測量桿件應(yīng)變和溫度、進(jìn)行網(wǎng)殼變形觀測 |
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2 |
網(wǎng)殼撓度過大 |
1、地下結(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)損失 |
進(jìn)行網(wǎng)殼變形觀測、支座沉降觀測變形，設(shè)置應(yīng)變、溫度測量桿件應(yīng)力和溫度 |
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3 |
火災(zāi)事件 |
1、火災(zāi)導(dǎo)致使鋼結(jié)構(gòu)承載力降低 |
經(jīng)濟(jì)損失 |
設(shè)置應(yīng)變、溫度傳感器測量火災(zāi)下的桿件應(yīng)變和溫度 |
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4 |
地震或大風(fēng)破壞事件 |
1、地震使局部桿件發(fā)生破壞 2、大風(fēng)使桿件局部破壞 |
經(jīng)濟(jì)損失 |
設(shè)置風(fēng)速儀、振動加速度傳感器。測量整體的振動情況 |
- 實現(xiàn)功能
1.為鋼結(jié)構(gòu)卸載提供參考
鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過幾個月的分布施工，各種設(shè)計之外的特殊工況難以預(yù)料，再加上施工工藝難以百之百按照設(shè)計的意圖執(zhí)行，造成結(jié)構(gòu)部分桿件的受力情況與設(shè)計發(fā)生偏差。系統(tǒng)在這樣背景下起到了為鋼結(jié)構(gòu)卸載提供參考的作用。所有監(jiān)測的70根桿件受力情況與設(shè)計提供的整體受力情況相對照，找出重點監(jiān)測的區(qū)域及桿件，為卸載施工提供參考。
- 驗證原始設(shè)計
原始設(shè)計是在理想環(huán)境下模擬進(jìn)行的，考慮了普遍情況下以及多種極限狀況下結(jié)構(gòu)的承載情況，但實際工況的復(fù)雜程度是設(shè)計難以覆蓋的。監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與原始設(shè)計相輔相成，相互參照驗證，根據(jù)原始設(shè)計可以設(shè)定監(jiān)測系統(tǒng)的相應(yīng)參數(shù)，相應(yīng)的，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以修正原始設(shè)計的相應(yīng)條件，完善設(shè)計方案，為以后類似的工程提供設(shè)計參考。
- 施工過程中及長期運營風(fēng)險預(yù)警
系統(tǒng)對數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提供的結(jié)構(gòu)溫度、變形，支座位移、桿件應(yīng)力/應(yīng)變和加速度等信息進(jìn)行實時的監(jiān)測和分析處理，當(dāng)結(jié)構(gòu)觀測數(shù)據(jù)發(fā)生異常時（預(yù)示結(jié)構(gòu)可能發(fā)生損傷）給出預(yù)警；綜合結(jié)構(gòu)溫度、支座位移和桿件應(yīng)力/應(yīng)變等信息，對結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行修正，利用修正后的模型進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)損傷識別、安全評估及預(yù)警。主要包括三個方面，結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)實時監(jiān)測與預(yù)警；結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)深度分析；結(jié)構(gòu)損傷識別。在施工期卸載過程中，系統(tǒng)已經(jīng)成功預(yù)警一次，指導(dǎo)施工卸載，對鋼支撐的安全卸載起到至關(guān)重要的作用。
4.后續(xù)施工加載監(jiān)測
整體鋼結(jié)構(gòu)的荷載達(dá)到了80%，后期仍有20%的荷載會增加，持續(xù)增加的荷載對結(jié)構(gòu)帶來的影響通過監(jiān)測系統(tǒng)可以得到持續(xù)的關(guān)注，仍然重點關(guān)注加載過程中受力發(fā)生突變或者異常的桿件，一旦發(fā)生預(yù)警情況，施工方可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整施工工序或采取有效措施。
5.結(jié)構(gòu)長期運營狀態(tài)安全評估
實現(xiàn)定期對累積監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行全面深度分析，為判斷服役結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)以及可能的結(jié)構(gòu)損傷情況，提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
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- 成功預(yù)警
通過設(shè)置預(yù)警值，實時監(jiān)測桿件受力狀況。在卸載過程中，發(fā)現(xiàn)桿件SG-11達(dá)到三級預(yù)警值177Mpa，一級預(yù)警值290MPa，極限設(shè)計應(yīng)力值350MPa。在卸載監(jiān)測過程中，桿件及時預(yù)警，對比現(xiàn)場安裝傳感器及布點位置，此處為車站大門入口處，焊接時人為減少2根桿件，且為短板受力狀態(tài)，與設(shè)計及實際情況吻合。在此情況下，系統(tǒng)及時告知業(yè)主及設(shè)計人員，通過調(diào)整施工工序，以減小受力較大桿件的持續(xù)受力增加，成功解決卸載過程中隱患。
???????????????????????????軟件預(yù)警圖
?桿件SG-11位置
桿件傳感器第6個安裝位置
桿件第6個傳感器實物
通過分析，桿件SG-11之所以達(dá)到預(yù)警值，是因為這根桿件所有傳感器在卸載之前自身的殘余應(yīng)力已處于一個較大水平，加之這個傳感器位置為壓/應(yīng)力集中的位置，卸載過程中產(chǎn)生的應(yīng)力疊加造成了應(yīng)力持續(xù)增加，達(dá)到了三級預(yù)警值，但仍遠(yuǎn)小于桿件的極限承載值，處于安全可控狀態(tài)。
