某优秀历史戏院二层看台桁架结构健康监测与分析.pdf

绿 色 建 筑 Green Building绿色建筑2023年 第3期058某优秀历史戏院二层看台桁架结构健康监测与分析某优秀历史戏院二层看台桁架结构健康监测与分析王晓倩（上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032）摘要：通过某优秀历史戏院二层看台桁架结构健康监测的工程实例，介绍了结构健康监测应用于优秀历史建筑的相关经验，并从对优秀历史建筑的保护、房屋建模计算等角度，选取部分监测数据进行分析比对，进一步阐述了结构健康监测对于优秀历史建筑的必要性与重要性。关键词：历史建筑；桁架；健康监测；光电光栅；静力水准中图分类号：TU375.5 文献标志码：A 文章编号：1674-814X（2023）03-058-040 引 言结构健康监测指利用现场的无损传感技术，监测获得结构内部信息，分析包括结构反应在内的各种特征，以便更好地了解结构的受力、变形性能，并进一步对结构的整体状态、安全性能进行评估。结构健康监测主要应用于大型桥梁、高层建筑、大型复杂结构、重要历史建筑的监测1-2。笔者以上海某优秀历史戏院工程为例，对优秀历史建筑的结构健康监测进行介绍，供同行参考与经验交流。1 工程概况某优秀历史戏院建于20世纪40年代，是第一批“上海市优秀近代建筑保护单位”，同时也是上海市文物保护单位，保护级别为二级。在现场结构健康监测期间，该戏院仍然承担着大量的高质量艺术演出活动，具有极高的社会知名度。由于该戏院已投入使用70多年，且演出任务依旧繁重，戏院二层看台、墙体已出现混凝土开裂等多种结构完损问题和混凝土耐久性问题，房屋的安全问题已引起戏院管理方的重视，但限于条件，该戏院不能立即停止演出任务及进行彻底的修缮加固。另外，该戏院二层看台采用了大跨度混凝土桁架承重的结构，结构复杂且原始图纸丢失，为了解二层看台桁架结构在演出期间的受力、变形性能情况，戏院管理方委托项目组对二层看台桁架进行结构健康监测。2 桁架的测绘与检测2.1 桁架的结构测绘由于缺少二层看台桁架的原始设计图纸，为给后续的分析工作提供依据，项目现场人员对二层看台桁架进行了结构测绘。经现场测绘，二层看台桁架为钢筋混凝土结构，原设计采用英制单位，将测绘成果转换为法定计量单位，桁架跨度为22.23 m，高度为2.72 m；上弦杆截面尺寸呈中间大、两端小形态分布，最大截面尺寸为1 118 mm585 mm，最小截面尺寸为610 mm584 mm，截面上部钢筋无法测得；下弦杆全长等截面，截面尺寸为610 mm610 mm，内配20根边长为32 mm的方钢纵筋；竖向腹杆均采用矩形截面，主要截面尺寸为254 mm254 mm、305 mm305 mm；斜向腹杆主要截面形式为八边形，截面大小为中间小、越靠近两端截面越大，整个桁架的截面设计符合其受力特征。二层看台剖面图如图1所示。图 1 二层看台剖面图2.2 桁架混凝土材料性能检测由于钻芯对桁架破坏较大，项目现场人员使用超声回弹综合法对二层看台桁架混凝土构件的抗压强度进行了抽样检测。经检测，二层看台桁架混凝土抗压强度推定值为15.4 MPa，后续计算按混凝土强度等级C15考虑。2.3 桁架完损状况检测经现场检测，该戏院二层看台桁架存在的主要问题为：桁架杆件间连接节点处有斜向裂缝以及桁架两端端部实腹板面有竖向裂缝。Green Building 绿 色 建 筑 绿色建筑2023年 第3期0593 监测方案3.1 监测内容根据现场条件以及相关要求，二层看台桁架结构健康监测的内容包括：（1）桁架杆件应变自动化监测；（2）桁架竖向位移（挠度）自动化监测；（3）桁架裂缝宽度变化监测。3.2 监测方法、设备及测点布置桁架杆件应变自动化监测：在桁架上弦杆、下弦杆、腹杆等杆件处安装16只光纤光栅应变传感器，3只光纤光栅温度传感器组成3个监测通道，由SEN-01型光纤光栅解调仪实时采集监测数据。桁架应变计布置如图2所示。图 2 桁架应变计布置桁架竖向位移（挠度）自动化监测：由于现场连通管安装条件的限制，在桁架竖向腹杆及端部实腹板上安装了4台RJ20型电容感应式静力水准仪，实时采集监测桁架各点竖向位移数据。静力水准仪布置如图3所示。图 3 静力水准仪布置桁架裂缝宽度变化监测：根据桁架检测结果，选取有代表性的裂缝，采用骑缝涂覆石膏的方法进行裂缝宽度监测，定期派人员前往现场观测裂缝发展情况。3.3 监测原理及数据处理3.3.1 光纤光栅应变监测系统光纤布拉格光栅（FBG）是利用紫外线曝光的方法将入射光的相干场图形写入纤芯，使纤芯的折射率发生周期性变化，使其产生周期性调制，从而在单模光纤的纤芯内形成永久性空间相位光栅。FBG的基本原理是当光栅受到拉伸、挤压及热变形时，检测光栅反射信号的变化。以该桁架杆件应变监测为例，荷载由结构传递至纤芯的光栅区域，导致光栅区域内栅距发生变化，从而使纤芯的折射率发生变化，进而引起反射波长的变化，通过测量反射波长的变化便可得出被测结构的应变变化。FBG应变测试原理如图4所示。图 4 FBG传感器原理FBG传感器以光的波长为最小计量单位，本次采用的FBG传感器更是达到pm量级的高分辨率，因而测量灵敏度相当高。传感器只需要探测到光纤中光栅波长分布图中波峰的准确位置，与光强无关，对光强的波动不敏感。在本次监测工作中，为避免温度对监测数据的影响3，项目现场人员在每个通道都设置了一个光纤光栅温度传感器进行补偿计算，具体计算方法如式1所示。K(10)(t1t0)式（1）式（1）中，为微应变变化量；K为应变系数；0、1为应变传感器当前、初始波长；t0、t1为温度传感器当前、初始波长。3.3.2 静力水准竖向位移监测系统静力水准仪系统由传感器、数据采集装置、计算机监控管理系统组成。数据采集装置放置在监测仪器附近，按照监控主机的命令控制、测量接入的仪器，就地转换为数字量暂存于数据采集装置，并通过无线传输技术定期向主机传送所测数据。该系统依据连通管的原理4，用传感器测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基准点的相对垂直位移量，与基准点比较后，即可得到测点的绝对垂直位移量。4 健康监测数据本次工程结构健康监测持续1年，采集到大量有效数据，笔者选取其中部分具有代表性的数据（该年国庆长假期间）进行分析。该戏院在国庆长假期间承接了大量演出任务，具体场次如表1所示。4.1 桁架杆件应变监测数据现场人员对桁架各杆件在每场演出期间的最大应变变化量以及相应轴力变化量进行了采集与统计，具体数据如表2所示。绿 色 建 筑 Green Building绿色建筑2023年 第3期060表 1 国庆长假期间演出场次演出日期10月1日10月2日10月3日10月4日10月5日10月6日10月7日下午场次12222晚上场次111111 表 2 桁架杆件应变监测数据统计 单位：mm部位日期10月1日10月2日10月3日10月4日10月5日10月6日10月7日两端斜向腹杆9.1/33.63.4/12.39.9/36.07.4/26.88.2/29.78.1/29.57.0/25.3两端竖向腹杆5.2/10.52.4/4.95.9/12.03.6/7.44.9/10.04.9/10.04.3/8.8中部斜向腹杆3.2/6.52.1/4.44.3/8.83.0/6.2-3.6/-7.4-3.9/-7.92.8/5.6上弦杆6.0/77.83.2/41.56.6/85.34.0/52.4-4.7/-61.0-5.0/-64.64.4/57.6下弦杆12.3/100.85.1/41.414.7/120.510.8/88.211.8/96.511.3/92.59.5/77.8注：表中数据分别表示单场演出“应变变化量/轴力变化量”。4.2 桁架杆件竖向位移监测数据现场人员对静力水准仪在每场演出期间测得的最大竖向位移量进行了采集与统计，这些竖向位移在演出结束后均可恢复，具体数据如表3所示。表 3 桁架竖向位移监测数据统计表 单位：mm日期监测位置SZ-1SZ-2SZ-3SZ-410月1日0.080.600.670.2610月2日0.110.270.290.1310月3日0.100.670.700.3110月4日0.050.340.350.1610月5日0.080.530.650.2910月6日0.100.530.590.2610月7日0.030.310.330.014.3 裂缝宽度监测数据截至本次结构健康监测工程结束，布置在桁架裂缝上的石膏饼均未开裂，说明该桁架的现有裂缝未发展或发展速度较慢，未对桁架整体安全性产生影响。5 数据分析5.1 建模计算根据现场结构检测测绘结果，项目组使用有限元计算软件对包含混凝土桁架在内的二层看台进行整体建模，如图5所示。同时，分别模拟二层看台桁架在无人和满员两种工况下的受力、变形情况。图 5 桁架模型在计算看台无人工况时，充分考虑桁架、悬挑梁、次梁等所有混凝土构件自重，以及二层看台地面做法、固定座椅的重量；在计算看台满员工况时，根据二层看台座位数量和分布，按500名体重为60 kg的观众计算活荷载。经计算，两种工况下二层看台桁架各杆件的受力情况及挠度变形如表4所示。表 4 桁架杆件轴力及挠度计算分析结果计算对象看台无人工况 看台满员工况变化量构件承载力两端斜向腹杆/kN816.00873.0057.00-1 189.00两端竖向腹杆/kN417.00447.0030.00525.00中部斜向腹杆/kN57.0066.009.00669.00上弦杆/kN1 404.001 510.00106.004 246.00下弦杆/kN2 078.002 226.001 480.004 300.00桁架挠度/mm15.7416.911.175.2 监测数据分析相关监测数据表明：光纤光栅应变监测系统工作正常，数据有效，桁架各构件在演出前后的变形能够恢复，可判断桁架各构件处于弹性变形阶段。该系统可准确反映观众进出场荷载变化引起的桁架各构件应变变化。观众进场是陆续且零散的，故构件的应变变化是逐渐增加的；观众退场时是集体且快速的，因此构件的应变变化可迅速恢复。由表2及表4相关数据可知，各监测构件受力变化及位移变化的实测数据与建模分析的计算结果规律基本相符，所建模型可较真实地模拟该戏院二层看台桁架在各种荷载作用下的受力、变形情况。同时，也只有在正确建立计算模型的基础上，才能对该优秀历史建筑进行改造加固以及抗震分析等一系列的后续工作，并为保护该优秀历史建筑提供有力依据。综合上述健康监测数据及计算分析结果，表明该戏院二层看台桁架仍处于弹性变形阶段，在当前荷载条件下可正常使用，未产生明显承载力方面的安全隐患。Green Building 绿 色 建 筑 绿色建筑2023年 第3期0616 结 语笔者通过对某优秀历史戏院二层桁架结构健康监测工程实例的分析，发现基于光纤光栅技术和静力水准技术的结构健康监测系统可适用于优秀历史建筑，为准确掌握类似房屋（年代久远、图纸丢失、结构复杂等）的工作性状提供了有力依据。为了更好地保护优秀历史建筑，并使其更长久地展示其历史风貌，必须充分了解其房屋的受力和变形特性，通过结构健康监测对计算模型的正确性进行校验与复核，可以使房屋管理人员、改造加固设计人员对房屋有更全面、准确的认识。参考文献：1 李宏男,李东升.土木工程结构安全性评估、健康监测及诊断述评J.地震工程与工程振动,2002(3):82-90.2 史学涛.结构健康监测系统的研究D.上海:同济大学,2006.3 董云峰,王玉玲,吴春梅.光纤光栅传感器用于钢筋混凝土结构健康监测的实验研究J.大庆师范学院学报,2010,30(6):75-77.4 何晓业,何晓红.静力水准系统的流体力学研究J.大地测量与地球动力学,2007,27(2):122-124.收稿日期：2022-11-23作者简介：王晓倩，硕士研究生，工程师，从事房屋质量检测与鉴定工作，现供职于上海市建筑科学研究院有限公司。通信地址：上海市徐汇区宛平南路75号2号楼。（上接第57页）04570 065 kWh/a，每年节省用电费用2.453.89万元。综上所述，采用空气源热泵空调设备年省电量合计为125 118160 146 kWh/a，全年可节省用电费用合计6.898.89万元。3 结 语本项目按照绿建标准三星级绿色建筑设计施工，总结表3至表6，项目采用的围护结构、遮阳设施、照明措施、空调设备四类节能措施每年可节省用电费用总计98.70115.40万元，每类节能措施的年节省用电费用以及节能占比如表7所示。表 7 四类节能措施的年节省用电费用以及节能占比节能措施年节省用电费用/万元节能占比/%围护结构供热季24.3327.3723.72围护结构供冷季13.6921.2918.45固定外遮阳+高反射比窗帘32.4436.5031.63LED照明21.3518.50空气源热泵供冷季4.445.004.33空气源热泵供热季2.453.893.37总计98.70115.40100.00由表7可知，围护结构性能提升对节省运行能耗贡献最大，在供热季年节省用电费用24.3327.37万元，节能占比23.72%，在供冷季年节省用电费用13.6921.29万元，节能占比18.45%，围护结构性能提升合计全年可节省用电费用合计38.0248.66万元，占总节省运行能耗的42.17%；其次为遮阳措施，本项目采用固定外遮阳加高反射比窗帘遮阳措施，全年可节省用电费用32.4436.50万元，占总节省运行能耗的31.63%；照明措施采用LED节能灯具，较常规灯具每年节省运行能耗用电费用21.35万元，占总额的18.50%；空气源热泵系统的节能占比最小，在供冷季年节省用电费用4.445.00万元，节能占比4.33%，在供热季年节省用电费用2.453.89万元，节能占比3.37%，空调设备采用空气源热泵系统全年可节省用电费用合计6.898.89万元，占总额的7.7%。参考文献：1 颜世凡.住宅能耗设备的能耗现状及节能方案研究J.建筑与装饰,2018(13):182-183.2 张丽娜,季亮,葛曹燕.玻璃幕墙建筑竖向遮阳技术效果分析及速查表J.城市发展研究,2015(增刊1):64-68.3 顾民华.低碳经济下的LED节能灯应用及技术分析J.中国设备工程,2020(24):227-228.收稿日期：2023-02-10作者简介：张永恒，大学本科，工程师，专业领域为绿色建筑与建筑节能，现供职于青岛市建筑节能与产业化发展中心。通信地址：山东省青岛市崂山区泉岭路8号4层。