1、摘要曼曼曼曼曼!曼曼!曼曼!曼!曼!曼曼曼曼曼曼蔓!曼曼曼!曼!曼!曼!曼!曼!曼!曼!曼鼍曼!曼!-嗣-= = I曼曼皇曼摘 要弦支穹顶结构是一种新行的刚柔并济的结构体系，北京2008年奥运会羽毛球馆屋盖钢结构采用弦支穹项结构体系，由上弦单层网壳、下弦环索与径向拉杆、竖向撑杆组成。在90m以上跨度的国内外钢结构工程中，采用弦支穹项预应力大跨度体系尚属首例。对于这样一种新型的结构体系进行监测具有非常实际的意义，确保结构的安全使用，同时可以验证整个系统的有效性。首先，本文对奥运羽毛球馆弦支穹顶结构的监测系统进行介绍；系统主要是通过振弦传感器对上部构件进行内力监测和索力的监测；并且拟定了监测时间。
2、其次，采用ANSYS建立有限元计算模型进行理论分析；对计算模型在不同组合荷载工况下和不同环索预应力损失工况下进行了单元内力和节点位移的分析，为实际监测提供理论参考依据。然后，推导上部构件轴力、环索索力计算公式；对所监测到的数据进行处理，对索承节点摩擦力、撑杆力、环索索力，网壳构件内力进行了分析，得出一个非常有价值结论：这些力都在不断的趋于稳定，波动率在不断的减小；基于灰色模型理论对部分监测数据建立灰色模型进行了预测，预测效果较好。最后，分析研究弦支穹顶性能退化的原因：本身材料性能的退化，一些不利荷载的影响，索的松弛以及较大温差的影响等；根据层次分析法确定弦支穹项健康状态评估模型；再利用模糊理论
3、，建立了一种结合监测数据对羽毛球场馆弦支穹顶进行安全评估的方法。关键词：新型弦支穹顶，健康监测，灰色模型预测，层次分析法，模糊理论，模型安全评估ABSTRACT曼曼鼍曼!曼皇曼!曼!曼曼曼!曼曼!曼曼曼曼!曼!曼!曼!曼曼皇。二一I=一I III ：o曼皇曼曼皇皇!曼曼!曼!鼍ABSTRACTsuspenddome structure is one type of new construction system of the rigid andflexibleThe roofing steel structure of the badminton stadium for 2008 Olympi
4、cGames uses the suspend-dome structure system which is made up of top chordsinglelayer latticed shells，bottom cable，vertical stay-poleIt is the first time to usethe suspend-dome system to the equal fly-past steel structure project from homeareato overseasIn order to prove security of the whole struc
5、ture and validity of the healthmonitoring system，the construction monitoring is conducted to the new constructionsystemFirstly,the realtime health monitoring system of the badminton stadium for2008 Olympic Games is introducedIn the system，the force of members and thetensiong of cables are monitored
6、realtimely by vibratery stain gauge，also thearrangement of time is studied outSecondly,the whole finite element model is established and subject tocalculation and analysisdifferent load eases are assembled and different damnifiedloop cable cases are assumed，to calculate and analyze the internal forc
7、e and nodedisplacement，and affirming the safety during the construction processThirdly,the formula about the members force of superstructure and tension ofhoop cable fire detrudedThe monitoring date are calculated and analysed，includingtension of the hoop cable,force of the members in the dome,frict
8、ion of the cablestrut joint，pressure of strut，and SO onA useful conclusion is got：all the force aregoing steady gradually,the fluctuating become unconspicuous increasinglyPredictionmodel for Partial monitoring data about the badminton stadium for 2008 OlympicGames is established by黟ey theoy，the pred
9、ictiong result is goodFinally,the reasons of state degeneration are analysed and researched，theconclusion mainly is that：material capability degeneration，the influence fiom someadverse load，the losseness of cable，the influence from the difference of temperatureBased on AHP(analytic hierarchy process
10、)method，a assessment model for healthevaluation of suspend-dome structure is proposedBased on fuzzy theory,a securityassessment method combined with the monitoring data iS establishedKEY WORDS： suspenddome structure，health monitoring，grey predictingmodel，analytic hierarchy process，fuzzy theory,secur
11、ity assessment method。III独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j匕塞王些太堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。豁鞠她期：埘-2(关于论文使用授权的说明本人完全了解j匕惠王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文
12、。(保密的论文在解密后应遵守此规定)1 1引言第1章绪论髓着预应力铜结构技术的发艉特别进入80年代霜期PSSS在国际上得到了快速的发展诸多工程实践已经肯定了PSS的可行性，可靠性先进性，而其它材料的空问结构(如砼薄壳，充气膜结构等)则表现了局限性，难操作性及不足：新村料(纤维加强膜，特种玻璃，耐候钢材及压型钢板等)的大量涌现与新技术(计算机技术在设计，制造，安装中的应用；张拉锚固技术等)不断完善提高：举办奥林匹克运动会及大型国际体育赛事对大型僻=育场馆的需求与促进：人们审美观念的转变与更新，对具有新颖辋犷等非传统建筑风格青睐不但是在数量级上与规模上增多、增大、而且在类型与品种J：繁荣创新，比如
13、传统型、吊挂型、 整体张拉型、张弦粱型、张力膜(索膜)型、玻璃幕墙菩其它类型”“。但是这些预应力钢结构在建成投入使用后，在其服役期限内除了材料自身性能会不断退化、老化外，不可避免地还会受到风、地震、疲劳、超载等自然损害和人为因素的影响，从而导致结构或构件有不同程度的自然累积损伤和突然损伤，导致其服役能力降低，甚至会馊其破坏而影响人民的生命财产安全。并且大跨度的预应力钢结构造价很高，比如北京08奥运羽毛球弦支穹顶结构场馆(如图1 1)造价高达一亿五千人民币。虽然建立一个科学的健康监测系统需要花费一定的资金，但健康监测系统的最高价格也只是占结构自身造价的很小比例，而比起结构日常维修和养护费用、结构
14、倒塌损失以及重建资金来讲，这样的投入是非常值得的。因此，对这些大型预应力钢结构进行结构状态健康监删确保其安全性、可靠性和耐久性就显得十分必要和迫切。圈1-1北京08奥运羽毛球馆弦支穹顶结构场馆，观北京工业大学工学硕士学位论文结构健康监测不只是传统的结构检测加结构评估新技术，而是被赋予了结构监控与评估、设计验证和研究发展三方面的意义：1、监控与评估结构健康监测系统主要对以下几个方面进行监控；1)结构在正常环境下运营的物理与力学状态；2)重要非结构构件和附属设施的工作状态；3)结构构件耐久性；4)工程结构所处环境条件等等。从而，健康监测系统通过对结构状态的监控与评估，为大型工程结构在特殊气候、交通
15、条件下或运营状况严重异常时发出预警信号，为结构的维护、维修与管理决策提供依据和指导。2、设计验证由于大型工程结构在其设计阶段完全掌握和预测其力学特性和行为特性是非常困难的，因此，通过结构健康监测所获得的实际结构的动静力行为来检验工程结构的理论模型和计算假定具有重要意义。不仅对设计理论和设计模型有验证作用，而且有益于新的设计理论的形成。3、研究与发展 ，随着科技的不断进步，各种新工艺、新材料、新结构不断的应用到工程结构的建设中，这些新成果能否满足结构建设的要求，通过对建成的大型结构的健康监测，获得有关结构行为和环境规律的真实信息，从而为新成果的应用提供保障。同时，大型结构控制与健康评估技术的深入
16、研究与开发也需要结构现场试验与调查。综上所述，结构健康监测对人民的生命财产安全、国家的经济、军事及科学实践都有极其重要的作用，是现代工程界研究的一个热点和难点，在该领域丌展研究工作，不仅可以推动学科发展，而且可以创造出巨大的社会价值和难以想象的经济效益【34401。12结构健康监测的研究现状及发展121结构健康监测现状自二十世纪50年代以来，结构健康监测的重要性就逐渐被认识，但受到检测手段比较落后的限制，在应用上一直未能得到推广和重视。近年来随着科技的发展，这项技术成为国内外学术界、工程界的研究热点【2训。80年代中后期许多国家开始了有益的尝试，主要是在各种规模的桥梁上建2第1章绪论立健康监测
17、系统，例如美国佛罗里达州的Sunshine SkywayBridge桥上安装了500多个传感器，用来测量桥梁施工和成桥状态下温度、应变和位移，通过近距离和远程实时采集监测数据。通过数据分析可以得出结构及材料特性随时间变化的状况。英国80年代后期开始研制和安装大型桥梁的监测仪器和设备，并调查比较了多种长期监测系统的方案，例如在总长522m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上匆设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。该系统实现了实时监测、实时分析和数掘网络共享，是较为完整的监测系统之一。泰国的RAMAIX桥安装了结构整体性和安全性在线
18、报警系统，测量风、加速度和温度等，系统与5英里外的桥梁管理部门的计算机连接。计算机显示监测状态，当超过预置条件时，系统就会以声音或图像方式发出报警。健康监测系统监测结构性能检测结构损伤。评价和诊断结构健康状况做出相应的维护决策，是一种可靠、有效、经济的监测方法。结构的安全性和功能性将大大提高。在土木工程结构中不仅应用于大型桥梁，在一些经济发达地区。如美国、加拿大、同木、德国等健康监测系统的应用己经扩展到高层建筑、大型复杂结构、重要历史建筑的监测。在我国国内健康监测的起步较晚但发展速度较快，上海交通大学、中国科学院武汉岩石力学研究所、重庆大学光电工程学院、清华大学土木工程系等已对混凝土结构监测进
19、行了理论的研究，并已应用到了大坝和公路立交桥上，取得了较好的效果。如：在江阴大桥安装了加速度计、电子测距计、磁弹性测力仪、剪力销、速度计等对桥梁的参数进行测量。在香港世界上第二长悬索桥青马大桥上安装了一个复杂的桥梁监测系统，该系统包括了完善的硬件部分：传感器系统、数据采集及传输系统、数掘管理系统等，但其数据分析部分只是简单的分析jxL载荷、结构的动静念荷载和响应(包括温度、应变、加速度、位移、交通荷载等)，对桥的理解显得表面化，没有利用采集的原始数据来分析桥梁真正的健康状态，如损伤检测分析、剩余寿命评估、交通控制和维修决策等。此外，在大坝安全综合评判与决策的研究和应用方面，吴中如、顾冲时、杨杰
20、等提出并开发了建立在“一机四库”(推理机、数据库、知识库、方法库和图库)基础上的大坝安全综合评价专家系统。应用模式识别和模糊评判，通过综合推理机，对四库进行综合调用，将定量分析和定性分析结合起来，实现对大坝安全状念的在线实时分析和综合评价，此系统已应用于月江口、占F日溪二级大坝和龙羊峡大坝的安全分析。健康监测系统应包括下列几部分：(1)传感系统。用于将待测物理量转变为电信号。(2)数据采集和处理系统。一般安装于待测结构中，采集传感系统的数据并进行初步处理。(3)通讯系统。将采集并处理过的数据传输到监控中心。北京工jl匕大学工学硕十学位论文(4)监控中心和报警设备。利用具备诊断功能的软硬件对接收
21、到的数掘进行诊断，判断损伤的发生、位置、程度，对结构健康状况做出评估，如发现异常，发出报警信息。系统工作流程见图12西损伤微警 维修【一J图1-2系统j作流程图从以上建立的监测系统的监测目标、功能以及系统运行等方面看，这些监测系统的监测内容主要是(1)载荷(包括风、地震、温度和交通载荷)监测：(2)几何监测，指监测结构各部位的静态位置和静态位移(如网壳节点的位移和网壳整体的倾斜等)；(3)结构的静动力反应，如频率、振型、位移、应变、阻尼状态等。所采用的传感器主要有：风速仪(记录风向、风速进程历史，连接数据处理系统后可以得N Jxt,功率谱)、位移计、倾角仪、GPS、电子测距器(EDM)，测力计
22、、加速度仪等。可以看出以上监测系统直接反映的是结构的应变、频率、位移、振型等物理量，这些变量虽然与结构的损伤状态有关，但是缺乏足够的可靠性、灵敏度，并且无法实时记录结构的损伤状态，进而评价结构的安全状况。理想的结构损伤监测方法应该能够准确地在损伤发生的早期发现损伤、能够确定损伤的程度和位置，提供结构的安全性评估，并能预测损伤结构的剩余寿命。基于以上目的，对结构健康监测系统提出了以下要求：(1)系统应具有实时髓测功能，具有损伤趋势分析及预测的功能，对每次诊断结果进行汇总，给出其状态劣化曲线，正确评估结构的健康状况：(2)系统应具有智能诊断功能，专业分析与自动诊断并存，实现对损伤信息的自动分析和处
23、理，以增强系统诊断的准确性和实用性；(3)系统能够建立报警值，供以后诊断比较使用，并确定带伤结构的剩余寿命。4第1章绪论122结构健康监测理论方法的研究1221结构健康监测理论方法结构健康监钡JJ(Structural Health Monitoring，简称SHM)的定义：利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到探测结构变化，揭示结构损伤与结构性能退化的目的【5-91。任何结构在其使用期间均会受到不同程度的损伤，人们关心的是，结构损伤到什么程度才能危及其安全性能。结构监测的目的均是为了在这个临界点来到之前发现结构的损伤(或者潜在的问题)，结构监测是长期的实时在线的
24、监测过程，它的目的是在结构使用期限内的任何时候实时地反应结构出现的问题，是一个能通过其自身发现结构问题的实时系统。因此结构监测的重点在于“发现问题”，也就是通过对结构整体性能变化的反应，识别出结构出现损伤的位置，然后下一步通过一定的检测方法，对结构损伤该处进行具体的损伤检测。然而结构的损伤诊断是十分复杂的问题，它需要解决的问题包括：结构上不同位置损伤的识别、同一位置程度不同的损伤的识别，多处位置同时发生损伤的识别、不同原因造成的损伤的识别、工作环境和条件的变化与结构本身损伤的识别等等。因此结构损伤的诊断过程具有随机性、模糊性和未知性，这是一个需要可靠的监测方法和人为经验相结合的科学【221。目
25、前结构损伤诊断的方法主要有以下几大类：首先是目测法，这是最简单最常用的方法，但随着结构规模和复杂程度的不断增加，目测法效率越来越低，而且目测法有许多局限性，其诊断效果越来越不可靠。非破损检测法，如射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤，等等。这类检测技术用于检测损伤己知的区域，适用范围有限，同时这类检测需要专业检测人员和设备，难以实现实时监测和整体监测。基于静力参数的损伤诊断法，这种方法通过给结构施加静力荷载，建立静力平衡方程，根据实测结果(静力响应等)得到静力参数(包括结构刚度、位移、应变、材料参数如弹性模量、惯性矩等)。目前静力测试仪器较便宜，测试技术先进，能较准确地测得结构变形或应变，
26、但由于试验条件要求很高，现场工作量大，无法做到实时监控。基于结构振动的损伤诊断法，它综合运用了系统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集与分析等跨学科技术，被认为是一种最有前途的结构损伤整体检测方法。它可以监测由风、活载等自然因素激发产生的振动信息，捕捉结构动力北京工jlk大学工学硕士学位论文参数的变化，加工成一些理性识别指标，识别结构整体性损伤，能检测工作人员无法到达位置的损伤及结构内部损伤，使得实时在线监控成为可能。基于振动的损伤识别技术的基本思想是：它认为损伤将显著改变结构的刚度、质量或耗能能力，进而引起所测结构动力特征(如频率、相位、振型、阻尼等)或响应的改变，通过从监测数据中提取不同
27、部位动力参数信息或其衍生信息，并比对结构无损状态下的相应信息，来实现结构的健康检测与评估，从而判断损伤的出现、位置和程度。下面介绍几种基于振动的结构损伤诊断方法：(1)动力指纹分析法该方法的基本思想是寻找与结构特性有关的“指纹”变化。结构一旦发生损伤，其结构参数，如刚度、质量、阻尼等会发生改变，从而导致结构的模态参数和频响函数的变化，因此，模态参数(频率和振型)的改变可视为结构损伤发生变化的标志，借以诊断结构的损伤。动力指纹法首先应根据先验知识，建立对应各种指纹变化的损伤数据库，然后将损伤后的动力指纹一与数据库中的指纹相比较，从而确定损伤状态。所以先验知识的完整性与正确性决定了该方法的敏感性和
28、精确性。常用的动力指纹有：频率、振型、振型曲率、应变模态、柔度、功率谱、频响函数、模念确信准I!tJ(MAC)和坐标模念确信准贝U(COMAC)等。大量的模型和实际结构试验表明，结构损伤导致的固有频率变化很小，而振型(尤其是高阶振型)虽然对局部刚度变化比较敏感，但精确量测较为困难。MAC和COMAC等依赖于振型的动力指纹。因此，这类方法的应用有待于寻找新的动力指纹。(2)模型修正与系统识别法模型修正法充分利用理论建模与试验建模的优点，首先用分析的方法建立具有先验性的有限元模型，然后依据试验测得的模态参数、加速度时程记录、频响函数等，通过条件优化约束，来不断修证模型中的刚度分布，从而由测得的模型
29、刚度的退化，对结构损伤进行判另U和定位。有限元模型修正方法有模态柔度法、最优矩阵修力i法、灵敏度矩阵修J下法、特征结构分配法、测量刚度改变法和综合模态参数法等。模型修正法在损伤识别过程中由于振动测试模态集不完备、测试自由度不足以及测量噪信比高等原因，修正所需的信息不够，易导致解答的不唯一性。为了获得一个可用的确定解，就得补充方程个数或是减少未知量个数，由于“补充”或“减少”的方式不同，产生了各种各样的方法。对于模型修正目前提出了许多种方法，每种方法都各有优缺点，但迄今为止，还没有一个为广大科技人员公认的可用于工程实际的成熟方法。(3)神经网络法人工神经网络(Artificial Neural
30、Network)生物神经系统为基础，模拟人脑的6第l章绪论功能。人工神经网络(ANN)的基本原理是：根据结构在不同状态下的反应，通过特征提取，选择对结构损伤敏感的参数作为网络输入向量，结构的损伤状态作为输出，建立输入参数与损伤状态之间的映射关系，训练后的网络具有模式分类功能，可以由当前的结构反应直接判别结构损伤的模式。人工神经网络法不关注所研究结构的表观特性，而且具有一定的容错性，这使它成为代表未知模型系统的一个强有力的工具。神经网络也无需待识别系统的先验知识。无论所研究的结构是线性或非线性的，都可采用同样的识别方法。这对那些必须考虑非线性的土木工程领域越来越有吸引力。Masri等已经证明神经
31、网络是结构动力学系统识别的有力工具。(4)遗传算法遗传算法是20世纪60年代由Holland教授提出的，他根据达尔文进化论中适者生存，优胜劣汰的进化原则来搜索下一代中的最优个体，以得到满足要求的最优解。遗传算法能够在测试获取信息不多的情况下，迅速判定损伤位置和程度，即使模态信息部分丢失时，其寻优能力也丝毫不受影响。其主要优点为简单，鲁棒性强。在组合优化求解，机器学习和工程领域有广泛的应用前景。(5)小波分析小波分析(wavelets analysis)是数学理论中调和分析技术发展的最新成果，可以看作是一个传统的Fourier变换的扩展。现有的结构损伤诊断方法一般通过实测结构的频率、振型、频响函
32、数等来识别结构的动态参数，进而反推结构的损伤状态，属于振动反问题。小波分析的优点在于它在时域和频域都具有表征信号局部特征的能力，基于小波变换的小波分析利用一个可以伸缩和平移的可变视窗能够聚焦到信号的任意细节进行时频域处理，既可看到信号的全貌又可分析信号的细节，并且可以保留数据的瞬时特性。小波分析非常适合于识别正常信号和反常信号间的细微差别，国内外有很多利用小波分析进行损伤诊断的研究。1222结构健康监测实施操作方法理论运用到工程实际中必须需要借助一定的工具、仪器和监测的方法，下面介绍几种大型结构建筑物的静、动态j监测实施方法州们啪1。静态监测的对象主要是大型结构位置的缓慢变化或周期较长的变形等
33、。动态监测的对象是结构在台风、地震、温度变化、荷载变化等因素的影响下发生的周期性振动和位移等振动参数。1传统方法过去由于受技术条件的限制，为测定大型结构物的震动与位移，人们常常采用的方法主要包括位移传感器测试法、加速度计法、激光干涉仪法和全站仪测试法，等等。北京工业大学工学硕士学位论文位移传感器测试法，它将测试设备的一端安装在结构上，另端安装在被监测结构外固定点上，这是一种接触式测量方法，这种方法常用于结构物模型测量，难以实现对大型结构物的位移测量。加速计法，它将加速度传感器安装在结构物上，测定结构在震动时的加速度，通过对加速度积分求位移。运用这种方法需要将加速度传感器和测定点直接接触，同时需
34、要采用专用配线连接加速计和中央记录单元。它的特点是重量轻、体积小，测量值受震动自身影响较小，但是它这种方法位移测量误差较大，配线容易损坏，当结构移动比较慢时，不能准确运算结构整体的摆动幅度，而且要进行两次积分，精度不高。另外，在某些情况下如近海工程、高层塔架等建筑物，加速度计安装十分困难。激光干涉仪法，它将棱镜或反射胶片安置在监测点上，观测监测点到基准点间距离变化与时间的关系值，通过进一步的分析可以得到位移变化主频率和相应的振幅。这种方法具有精度高的优点，但是当结构的摇晃或震动较大时很难跟踪目标。全站仪测试法，由全站仪发射的激光通过自动扫描，瞄准目标，采用激光测距、电子测角法，求出待测点的三维
35、坐标。该方法的测量精度高，但是受天气影响大，实时性差，各测点不同步，大变形比较难以观测。2GPS技术运用GPS技术的结构监测系统由GPS基准站、监；!j!U,33、通信系统和盟测控制中心组成。基准点与监测点的距离尽量在lkm的范围以内，监测点应恢选择在兴趣点、最大变形位置点或结构特征点等位置。它的工作原理是：位于基准站上的接收机跟踪其视场内的所有卫星，监测站的接收机同时接收相同卫星的信号；通过通信系统的光缆，以一定的采样率实时地将基准站接收机获得的卫星信息传输到监测站：在监测站，接收来自卫星的信号和来自基准站的信息，采用GPS软件进行实时差分处理，可得到监测站的三维坐标，并以一定的采样率发送到
36、监控中心；监控中心接收各监测点的监测结果，并通过数据处理软件作进一步的处理与分析，可以得到结构物在特定方向上的位移、旋转角等参数。采用GPS技术对大型结构建筑物进行震动与位移观测具有许多优点：(1)GPS技术克服气候条件的限制、全天候进行工作。(2)可进行实时动态GPS(GPS RTK)定位。监测点之间不需要通视，是相互独立的观测值。(3)GPS技术能同时测定点的动静态三维坐标，与传统方法相比，不需要分别测定水平和垂直分量，减少了工作量，提高了精度。(4)定位精度高、速度快。第1章绪论(5)观测时间短，能提供实时位移监测。(6)操作方便。GPS定位测量的这些优点为对大型结构建筑物进行实时或准实
37、时、高精度的动态监测提供了很好的技术条件，目前在国内外都有很多成功运用的实例，主要是针对大桥和高层等重要结构，如：加拿大的卡尔加里塔、英国亨伯大桥、日本明石的凯约大桥、香港青马控制区的三桥、新加坡的共和国大厦，以及中国的虎门大桥和深圳帝王大厦等。13本文研究内容本文结合奥运羽毛球馆弦支穹顶健康监测系统所测得数据，利用相关理论进行了以下相关研究工作。1，首先，本文对奥运羽毛球馆弦支穹顶结构的监测系统进行介绍；系统主要是通过振弦传感器对上部构件的构件内力监测和索力的监测；并且拟定了监测时间的安排。2，其次，采用ANSYS建立有限元计算模型进行理论分析；对计算模型在不同组合荷载工况下和不同环索预应力
38、损失工况下进行了单元内力和节点位移的分析，为实际监测提供理论参考依据。3，然后，推导上部构件轴力、环索索力计算公式；对所监测到的数据进行处理，对索承节点摩擦力、撑杆力、环索索力，网壳构件内力进行了分析，得出一个非常有价值结论：这些力都在不断的趋于稳定，波动率在不断的减小；基于灰色模型理论对部分监测数据建立灰色模型进行了预测，预测效果比较好。4，最后，分析研究弦支穹项性能退化的原因：本身材料性能的退化，一些不利荷载的影响，索的松弛以及较大温差的影响等；根据层次分析法确定弦支穹顶健康状态评估模型；然后利用模糊理论，建立了一种结合监测数据对羽毛球馆弦支穹顶进行安全评估的方法。9第2章奥运羽毛球馆弦支
39、穹顶结构健康监测系统研究第2章奥运羽毛球馆弦支穹顶结构健康监测系统设计研究2 1奥运羽毛球馆工程概况2008年奥运会羽毛球馆位于北京工业大学，总建筑面积24383m2，屋盖最大跨度93米，失高93米，矢跨比110。羽毛球馆建筑平丽呈椭圆形，立面为球冠造型，长轴方向最大尺寸为14lm，短轴方向最大尺寸为105m，最高点高度为26 550ra，最低点高度为5 020m。其结构形式为下部钢筋混凝士框架结构，屋盖铜结构支撑于36根混凝土柱上，混凝土柱呈围形分柑，上部采用一种新型空间结构预应力弦支穹顶结构”2矧。经过多轮多层次的优化及稳定研究每平方米钢材用量降低到了60kg左右，既创新的结构体系，又节约
40、了材料消耗，充分体现了绿色奥运人文奥运的精神。羽毛球馆造型新颖整个建筑屋盖的外形为一球面被一椭圆柱切割下的球面其水平投影为一椭圆面，外形轮廓像一个巨大的证放羽毛球，中心弦支穹顶部分像羽毛球的球托，而轻盈的外挑部分象征着羽毛球的羽毛，其建筑效果如图2-1所示。燃21 2008舆运会羽毛球馆建筑效果图羽毛球馆整个屋盖结构内外部采用不同结构形式，内部采用弦支穹顶，外部为外伸悬挑H型钢梁，内外部通过三角形环桁架相连。弦支穹顶上层网壳网格形式为复合的凯维特一联方型单层网壳，能充分发挥弦支穹顶的优越性其结构布置如图2-2，图2-3所示。弦支穹顶结构上层单层网壳，环向划分56个网格径北京工业大学工学硕士学位
41、论文曼!鼍曼!曼!曼!曼!曼!曼!舅I1曼曼曼曼!曼曼曼曼曼曼曼曼!曼!曼曼蔓曼曼皇向划分13个网格，构件全部采用Q345圆钢管。下层布置5圈由撑杆、径向拉杆和环向拉索组成的支撑体系，由外向内标号依次为A、B、C、D、E。其实意图如22，23。其所采用的型号及面积如表21所示。网壳节点为焊接空心球刚性连接，撑杆与网壳的连接点万向铰接，环向索穿过索撑节点滑动连接。表21环向索和径向拉杆及撑杆型号和面积环向索面 径向拉杆 撑杆面积构件环向索型号 积 径向拉杆型 面积 撑杆型号编号 号 (mm2)(mm2) (mm2)A SNSS-7X 1 99 7658 SNSS一5X6 1 2826 0168x
42、8 4021B SNSS一5X 1 39 2730 SNSS一5X3 7 1256 中168x8 巾4021C SNSS-5X 1 39 2730 SNSS一5X37 1256 168x8 巾4021D SNSS-5X6 1 11 79 SNSS一5X37 1256 巾168x8 04021E SNSS一5X6 1 1179 SNSS一5X37 1 256 咖168x8 日)4021羽毛球馆钢结构于2006年3月丌始安装钢结构支座，2006年9月开始安装钢结构，2007年1月钢网壳结构合拢，2007年3月索杆预应力张拉完成，2007年4月钢结构安装工作全部结束，2007年6月屋而及管线设备安装
43、结束。弦支穹顶是一种将刚性的单层网壳和柔性索撑体系组合在一起的新型杂交预应力大跨度结构体系。通过索撑体系引入预应力，减小了结构位移，降低了杆件应力，减少了结构对支座的水平推力，提高了结构整体稳定性。奥运会羽毛球馆是目前世界上采用弦支穹顶结构体系的最大跨度钢结构工程之一，也是目日订国内预应力大跨度钢结构工程中，体系最具创新性的工程之一，其很多方面均超过现有技术规范的涵盖范围，其设计、加：】二制作及安装均有极大的难度及技术挑战性。图23剖面图第2章奥运羽毛球馆弦支穹顶结构健康监测系统研究图22结构平面图羽毛球馆钢结构于2006年3月开始安装钢结构支座，2006年9月开始安装钢结构，2007年1月钢
44、网壳结构合拢，2007年3月索杆预应力张拉完成，2007年4月钢结构安装工作全部结束，2007年6月屋面及管线设备安装结束。弦支穹顶是一种将刚性的单层网壳和柔性索撑体系组合在一起的新型杂交预应力大跨度结构体系。通过索撑体系引入预应力，减小了结构位移，降低了杆件应力，减少了结构对支座的水平推力，提高了结构整体稳定性。奥运会羽毛球馆是目前世界上采用弦支穹顶结构体系的最大跨度钢结构工程之一，也是目前国内预应力大跨度钢结构工程中，体系最具创新性的工程之一，其很多方面均超过现有技术规范的涵盖范围，其设计、加工制作及安装均有极大的难度及技术挑战性。22奥运羽毛球t宦监测方案221方案设计的原则健康监测要遵
45、循一定的原则：1、在确定监测方法方面，充分考虑地形、地质条件及监测环境，选择相适应的监测方法，人工直接监测和自动监测相结合。2、在监测仪器选择方面，不要片面追求高、精、尖、多、全。监测仪器一般应满足精度、可靠度、牢固可靠三项要求，统筹考虑安排。在杆件变形生成的北京工业大学工学硕士学位论文不同时期、不同部位，变形监测有不同的要求，监测的重点也就需要作必要的调整。一般而言，精度较高的仪器适用于监测变形量小的结构：而对于柔性较大的结构，精度则适当放宽。对于同一弦支穹顶的不同部位，精度要求也是不同的，般网壳杆件要比支撑杆的应力变化大，可视其变化适当放宽监测精度，灵活掌握。3、测点的布设不宜过多，但要保
46、证观测质量。有条件的话同一测点可用不同的监测方法进行校对，一般情况下，主要测点的却设应能控制结构的最大应力(应变)和最大挠度(或位移)。4、各个不同的监测方案，需要进行方案的比较和验证工作，使监测工作做到技术上有保证，经济上可行，实施时安全，数据上可靠，特别要强调的是应避免“唯武器论”，单方面追求高精度、自动化、多参数，脱离工程实际需要的j|i测方案。2 2 2监测内容奥运羽毛球馆场馆的监测属于定期监测，以安全监测为主。其主要包括如下监测内容1卅”：】、网壳杆件的内力监测网壳杆件的应力是壳体部分主要强度控制指标。其中对于网壳轩件应力主要受到拉压而产生，由于网壳朴件受弯很弱，所以由弯矩而产生的应
47、力就很小。实时掌握网壳杆件应力这一重要健康指标，不仅有助于了解网壳的强度状况，而且对结构的工作机理和理论计算的验证具有重要意义。根据模型试验中构件内力和整体失稳的破坏形志，选取了构件内力较大的位置布置了振弦式传感器。传感器布置在圆钢管与球节点的连接处，上下表面各设置个传感器，以测得构件的端弯矩和轴力。传感器要求距离球节点外表而约10叽以避免受球节点处焊缝的影响，如图24，其中监测布置点如图25。 鬻蠡么瓣24测点照片第2章奥运羽毛球馆弦支穹顶结构健康监测系统研究图25测点布置图2、索力监测弦支穹项结构有两种索，径向索和环向索。预应力索有效预应力的大小直接影响到整个上部结构的内力分配，对结构整体
48、工作性能和安全状况起着至关重要的作用。对预应力索拉力实施长期监测，有助于及时了解索工作状态，为预应力的调整提供最直接的依据。其中索力监测点的布置图如图2-6。本工程环向索处共设了16个张拉点，为了测量张拉点处环索的拉力，在每个张拉点的索撑节点处设立的振弦传感器。每个节点共设6个振弦传感器，在每个钢拉杆处各布置2个传感器(如图27所示)，取两个传感器读数的平均值，以消除节点构造引起的钢拉杆端部弯矩的影响。传感器布置在距离索撑节点约30cm处，以消除钢拉杆在自重或者初始压力下非线性弯曲过大造成的应变失真。同时，在撑杆的内外两侧各布置一个传感器，取其平均值计算轴压力，以消除撑杆的端弯矩的影响。通过撑
49、杆的压力无法计算出索撑节点摩擦力，但是可以与钢拉杆拉力推导所得压力对比，以校核其正确性。钢拉杆的拉力可以推导出环向索索力，同时也可以得出撑杆压力和索撑节点摩擦力。!量：尘兰兰至兰竺丝三1 5阱2-6测，_佑苴闰图27捌点照片咀下为拟监测内容：3、动力性能监测弦支穹项动态性能的改变反映了穹顶的刚度性能的改变，因而获取穹顶的动力特性，即获取了结构的“指纹”，将是评价穹顶健康状态的主要指标，“动力指纹”损伤检测方法是损伤检测方法中一个最重要的分支。在刚壳的部分丰T件端部堑!耋量耋型量鍪堡童塞窒堡篁堡堡堡丝型至丝竺堑如置加速度传感器，进行振动测试。每个测试部位均布置了两个加速度传感器，分别测试横向和竖向振动情况。4、环境监测环境监测主要包括环境温度监测和场馆所在地的风速、M向监测。环境监测可以提供场馆在使用阶段所处的环境，长期监测结果可以为穹顶的维护管理提供宝贵的资料，也为场馆的安全评估及损伤检测提供了依据。在穹顶温度监测中分别柑置了四个可以宴时的温度传感器，在东南西北卫：!】个方
