某优秀历史戏院二层看台桁架结构健康监测与分析.pdf
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1、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)
2、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
3、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
4、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
5、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.
6、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
7、。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FB
8、G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
9、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 Buildi
10、ng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3.2/6.52.1/4.44.3/8.8
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