工程结构的健康监测是为确保结构的安全性、适用性和耐久性而采取的一种现场监测方法。国外在20世纪80年代左右就已起步, 我国在这方面仍处于初步发展阶段, 且监测范围也多在桥梁、水利工程等领域^[1,2,3,4]。随着社会的发展, 重大工程、大型复杂结构体系建设的进一步发展, 作为保障结构安全以及性能的一种重要措施, 结构健康监测得到越来越多的应用, 桥梁方面有香港青马大桥、虎门大桥、东海大桥等系列大型桥梁^[3], 还有工程结构如三峡水利工程、渤海湾的某海洋平台结构以及建筑方面有深圳地王大厦、深圳市民大厦^[1]、金茂大厦^[5]、上海中心大厦^[6]等。

　　 国家会展中心^[7,8]作为大体量、重要性程度大的建筑结构, 虽然实践中的结构分析设计理论与施工方法已较为成熟, 然而仍有必要进行结构健康监测, 以保障展馆结构在施工阶段的建立能符合设计预期, 在使用阶段的受力状态能得到了解与调控, 对于可能出现的危险状况或趋势及时进行评估、预警, 确保结构的安全与使用性能。

　　 国家会展中心^[7]C, D区展馆结构对称, 采用预应力混凝土框架结构+钢屋盖的结构形式, 各由两个大空间双层展厅及周边附属结构组成, 单个展馆总长297m, 总宽350m, 底层层高16m。展厅结构除了具有大跨、重载的特点外, 还因平面尺寸超大而属于超大面积混凝土结构, 变形作用下的裂缝控制也是一项工程难题。

　　 本课题组在C, D区展馆预应力混凝土楼盖中的部分区域的构件中埋设了传感器进行结构参数的实时测量, 主要监测结构中混凝土的应变、温度以及预应力筋束的锚下有效预压力, 锚下有效预压力在施工时即通过埋设的穿心式压力传感器进行监测, 混凝土的应变和温度在1层结构施工初步完成且监测系统安装调试完成后通过预埋的应变-温度传感器进行测读, 监测过程均持续监测至混凝土结构施工完成后约2.5年。

　　 国家会展中心建筑效果如图1所示, 结构单体分区参见文献[7], 其中C1, D1大空间展厅中的涂灰区域的楼盖为混凝土结构监测部位, 每块区域的范围约为100m×100m。

　　 具体结构状况方面, 底层混凝土框架结构大空间展厅的柱网为36m (X向) ×27m (Y向) , 楼盖采用后张预应力混凝土楼盖体系, 柱网区格内设有一级、二级次梁, 一级次梁的间距为9m, 形成的网格再由二级次梁在各边中点划分, 形成4.5m×4.5m的板格, 楼板厚度为180mm。除展厅周边的外边梁由于加柱进行支撑、跨度较小而未配置预应力筋外, 大空间展厅楼盖中其他各级梁截面及其预应力筋配置见表1。此外, 框架柱截面为1 800 mm×1 800mm;楼盖采用C40混凝土, 柱采用C60混凝土;楼面活载15k N/m²、附加恒载4.0 k N/m²。

　　 兼顾典型性以及现实可行性, 在该工程的C1区、D1区展厅局部选取典型的大空间预应力混凝土楼盖区域进行结构监测, 在区域内布置应变、温度、预应力束锚下预压力测点, 各区域中安装各类传感器的数量如表2所示。

　　 板内应变-温度传感器沿着板顶、板底钢筋绑扎布置, 为较全面了解测点处的混凝土受力情况, 上、下两传感器的布置方向垂直, 如图2所示。梁内的应变-温度传感器上下依次分布绑在钢筋支架上, 沿梁轴向布置, 如图3所示。穿心式压力传感器的布置如图4所示。现场的数据集中采集、存储及传输设备如图5所示。

　　 由前述传感器测量的实测数据可以了解结构的受力以及温度方面的状态, 以下根据长期测量的数据进行规律分析。

　　 大空间展厅楼盖内部分测点的长期应变变化如图6~9所示, 时间跨度为监测开始的2014年4月至2016年6月。由图可知, 由于预应力的施加, 各个测点处的混凝土应变基本为压应变, 只有少数数据点出现了不大的拉应变, 可能由振弦式应变计自身性能引起的数据振荡或是由荷载的变化引起, 总体上, 结构的楼盖内较好地建立了预压效应, 各区域及截面位置的应变数据因受力状况各异而各有差异^[9]。

　　 长期应变数值变化表明:在施工阶段 (大致为2015年以前) , 结构内混凝土的应变变动较大, 在数据图表中表现为数据点分布范围较大;在使用阶段, 结构内混凝土的应变变动较小。

　　 大空间展厅楼盖内部分测点的长期温度变化基本情况如图10~13所示, 由图可见, 梁、板混凝土在长期内的温度与该地区的日平均气温的年变化趋势近似, 即一年内总体呈现正弦曲线式的变化, 基本上2~7月为升温段, 8月~次年1月为降温段, 并对比气温数据可发现, 实测的混凝土温度通常较月平均温度高一些, 在气温较低的月份较为明显^[9]。

　　 在混凝土浇筑后的第1年内, 屋盖尚未建立, 混凝土楼盖处于露天状态, 由于日照及气温波动的影响, 混凝土的温度波动较大且灵敏, 在同一位置, 从楼面往下一定厚度范围内的温度波动较明显 (板顶、板底以及梁顶部) , 梁内部、底部的温度波动则不明显。在楼盖平面的不同位置, 除非是遮蔽而不受日照影响的区域, 否则温度的平面差别并不明显。

　　 在屋盖及围护结构建立且楼面保温覆盖层初步完成后 (2014年8月之后) , 楼盖处于室内, 此时各测点的温度变化较平缓, 隔天之间并未呈现明显的波动, 呈现长期的均匀变温的过程, 且结构内混凝土的温度变化趋势稍滞后于气温的变化趋势。此阶段 (可认为是结构的使用阶段) 内, 板、梁顶部和底部的温度时程曲线基本重合, 即截面上的温度基本相等, 此时, 平面分布的不同测点之间的差别也很小, 此时结构的温度场可以视为均匀温度场。在使用阶段, 结构混凝土内的最高温度为31℃, 最低温度约为8℃, 其季节温差为23℃。

　　 该结构监测项目中通过在预应力束锚具下方埋设穿心式压力传感器, 对框架梁和预应力非框架梁中的几束预应力筋进行了锚下压力施工时的测量与后续长期测量。

　　 在预应力束放张并锚定时, 摩擦损失 (σ_l2) 、锚具变形及预应力筋内缩引起的损失 (σ_l1) 已基本完成, 此时所测得的锚下压力值较张拉控制力已有所降低。且在预应力张拉完成后的一段时间, 由于混凝土后续的压缩变形、预应力筋松弛、混凝土收缩徐变的影响, 预应力束的锚下压力值较预应力放张并锚定时又有所降低, 数据如表3所示, 启动锚下压力长期测量时所测的锚下压力值较放张并锚定时的预应力束锚下压力有了一定程度的降低。此后, 在长期测量的过程中发现预应力束的锚下压力值趋向平稳。

　　 该工程中的预应力筋张拉控制应力为0.7f_ptk=1 302N/mm², 单端张拉, 各监测预应力束中, 压力传感器602097处于固定端, 且可能该预应力束张拉时未充分, 实际建立的压力明显偏小, 预应力束锚下压力的长期稳定值较张拉控制力降低了35.6%, 其余几个压力传感器所测预应力束的锚下压力的长期较稳定值比张拉控制力最多降低了31.8% (压力传感器602091) 。对于单根无粘结预应力钢绞线, 所测得的锚下压力的长期稳定值比张拉控制力降低了21.6%, 测得的其长期锚下压力基本稳定值为143k N左右, 这与工程经验值一致。

　　 通过对国家会展中心结构中部分区域的健康监测, 实时了解了结构的工作状态, 为监测、控制结构在施工阶段与使用阶段的安全性、适用性提供了一方面的保障。通过采集、分析监测项目中的数据, 得到以下结论:

　　 (1) 应变:对于大空间展厅的预应力混凝土楼盖, 在其施工基本完成后的长期时间内, 混凝土应变基本为压应变, 可见由于预应力的施加, 在结构楼盖的混凝土中建立了可观的预压应力。楼盖中所建立的预压应力能够对裂缝起有效的控制作用。

　　 (2) 温度:对于大空间展厅的预应力混凝土楼盖, 梁、板混凝土在长期内的温度与该地区的日平均气温的年变化趋势近似, 且实测的混凝土温度通常较月平均温度高, 在气温较低的月份更明显。施工阶段, 随着气温变化, 从楼面往下一定厚度范围内的温度波动较明显 (板顶、板底以及梁顶部) , 梁内部、底部的温度波动则不明显。使用阶段, 梁、板混凝土呈现长期的均匀变温的趋势, 隔天之间并未呈现明显的上下波动, 结构内混凝土的温度变化趋势稍滞后于气温的变化趋势, 结构混凝土内的最高温度为31℃, 最低温度约为8℃, 一年内的最大温差为23℃。

　　 (3) 锚下有效压力:预应力束放张并锚定时以及随后的一段过程中, 锚下有效压力在张拉控制力的基础上有所降低, 但再往后的长期时段内, 预应力束的锚下压力值趋向平稳。有粘结预应力束的锚下压力基本稳定值约比张拉控制力降低了31.8%, 无粘结预应力筋的锚下压力基本稳定值约比张拉控制力降低了21.6%。