摘要：随着大跨度空间结构建筑在我国的大量兴建，公共建筑围护结构也随之得到了广泛的应用和长足的发展。近年来，围护结构特别是金属屋面风致破坏事故屡屡出现，所以对更有效的金属屋面防风揭系统进行研究就显得尤为迫切。针对上述问题，研发了一套基于光纤光栅技术及纤维增强复合材料的防风揭系统。为今后类似的大型公共建筑的金属屋面的防风揭系统提供了很好的思路和借鉴。

　　关键词：公共建筑维护系统；防风揭；光纤光栅；智能传感筋

　　一、研究背景

　　大跨空间结构屋面风致破坏事故的不断出现，风灾破坏的威力不容小觑，已经给人们敲响了警钟。特别是大跨度屋面被风揭开之后，经常被吹到各处，途中可能会砸到人或者建筑物甚至行驶过程中的交通工具，影响恶劣，同时被风吹落的零散构件不易清理，耗费人力物力以及对环境造成污染。据不完全统计表明，我国每年因强风造成的屋面受损直接或间接经济损失达数亿元以上。所以对金属屋面板的加固显得尤为重要。  

　　对结构屋面破坏时的风荷载进行统计发现，大多屋面被掀起时均未达到结构所处地区最大风荷载值，这是由于金属屋面系统在服役过程中长期经受风荷载、环境腐蚀及温度等载荷的反复作用，结构和材料自身将不可遥免地产生损伤累积和性能退化，甚至导致结构破坏。所以在对屋面进行加固的基础上引入健康监测的概念，可以实时不间断的监测结构内力变化，确定结构构件易损部位、结构控制部位和损伤敏感部位，如变形控制点、应力集中的位置、动力响应敏感点等；从而更好地评定结构内部状态，针对问题提出有效适用的监测方案，对结构进行良好的维护，使其在运营使用期间可以更好地为人民服务，减少因建筑物损伤甚至倒塌带来的经济损失和生命财产损失，具有重要的使用价值和科学研究价值。

　　鉴于以上分析，从屋面板结构的长期服役过程中损坏的机理出发，在进行屋面板整体性提高的同时，长期实时的获取屋面板的长期服役状态，为屋面板的运维管理提供定位与依据。 针对现有加固手段和监测手段自身不足和布设工艺难以实现的问题，为了推进大型屋面板结构防风揭工作，对屋面板整体性加固和智能运维服务器件、全时段全尺度的位移演化规律和评估方法以及引入信息化和自动化的智能运维管理软件进行深入研究显得十分重要。  

　　二、研究思路      

　　国外 Bas A.Baskaran 等人从1997年就开始对常用的轻型屋面系统进行抗风性能研究，得到大量的试验数据，研究了各种屋面系统的抗风揭承载能力和连接性能，同时针对轻型屋面提出一些抗风设计公式和建议。 美国的ANSI/FM4474-2004《用静态正压或负压法进行屋面系统的抗风揭试验方法》和欧洲《机械固定柔性屋面防水卷材系统的欧洲技术认证指南》该实验方法被多个国家所认可。  

　　国内对于金属维护系统抗风揭研究也已取得一定的成果，如同济大学陈以一教授对暗扣式屋面板抗风承载力的试验研究，同济大学罗永峰教授对屋面在风荷载作用下的结构动力响应进行了分析。

　　通过国内外的研究现状不难发现，现阶段屋面板抗风揭的研究主要集中在数值模拟计算以及实验室试验两种手段相关验证中。这里面有很明显的局限性，主要表现为 ：

　　1 ）风载是一个比较复杂的荷载，数值模拟计算模型往往无法准确说明屋面板受风载的情况；

　　2 ）缺少满足实际工程需要的传感器件来获取在特定风荷载作用下的结构响应数据； 

　　3 ）运行维护的针对性缺失，全方位进行维护耗时耗力过大，效果也不够显著。

　　所以，现阶段急需研发一种满足工程需要的监测传感器；一个实时在线的数据采集和分析系统；以及一个可实现自动预警和指导维护的软件。     

　　三、研究内容

　　（一） 研制增强纤维复合材料和光纤传感技术相结合的智能监测传感筋

　　根据公共建筑维护系统智能动态监测技术的监测需要，设计制作增强纤维光纤（FRP-FBG）智能传感筋。

　　该传感筋采用纤维复合技术与光纤光栅传感技术的融合。将标定好的光纤光栅平行送入高温高压的模腔内，使得光纤光栅耦合在玻璃纤维复合材料（GFRP）的中心，这样能够使光栅传感器与玻璃纤维复合材料具有良好的协同变形能力，形成了兼具感知与加固功能的光纤光栅智能传感筋。

图3-1 光纤光栅智能传感筋制作工艺

　　光纤光栅是结构健康监测技术中最具发展前途的光纤器件之一，是光纤纤芯内介质折射率呈周期性变化的无源器件，其作用相当于一个窄带的反射镜，只反射某一波长附近的光，其它波长的光波无损耗地透过。光纤光栅主要有Bragg光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）、长周期光栅、啁啾光栅等。光纤Bragg光栅（无特殊说明，本文中光纤光栅均指光纤Bragg光栅）是最简单、最普遍的一种光纤光栅，其折射率调制深度和光栅周期都是常数。

图3-2 光纤Bragg光栅传感系统的工作原理图

　　图中纤芯的明暗变化代表了光纤光栅所在位置。用宽带光源从光纤布拉格光栅一端入射，由于折射率的周期变化，使纤芯中向前和向后的光波耦合。当满足布拉格条件的波长的光频率耦合到向后的传输波中，在反射谱中形成峰值，在透射谱中形成凹陷。光纤光栅所在位置受到应变和温度的影响引起光纤光栅中心波长值随之成线性变化。也就是说光纤光栅传感器是点式的高精度实时测量。

　　（二）结合金属屋面实际情况有针对性地进行了深化设计，提出了一种满足监测需求的智能监测体系

　　1.监测体系

　　该体系主要通过光纤光栅智能筋以及专用固定节点作为主要部件，以单向组网的方式将智能筋布置在金属屋面的风荷载敏感区域。智能筋与金属屋面之间通过固定节点进行连接；智能筋组网布设完成后，将监测网接入光纤光栅自动采集设备，在智能筋组网布设区域内形成一套高效的防风揭监测和预警系统。光纤光栅智能筋是该防风揭系统实现监测和预警功能的主要部件，其中光纤光栅是防风揭智能筋完成信号感知和传输任务的核心。

　　以光纤光栅智能传感筋产品为基础，通过组网的方式充分利用增强纤维复合材料的强度以及新型节点的加固功能提高屋面板的整体性，减少屋面板被风揭，尤其是飞走的风险。同时利用内置光纤光栅

图3-3 光纤光栅智能传感筋分布式组网

　　分布式组网，实现屋面板应变的长期实时监测，从而揭示屋面板结构在风载作用下的响应状态，为建筑物的运行维护提供支撑。

　　2.固定节点

　　在本文提出的基于光纤传感技术的屋面防风揭系统中，机械锚固节点是实现智能传感筋组网的基础，也是该智能防风揭系统同时实现加固与监测功能的重中之重。为满足新型防风揭系统玻璃纤维复合筋组网的锚固与监测需求，新型节点系统需具有足够的刚度，同时为了提高金属屋面系统结构整体性，新型节点还需对金属屋面可能产生的风揭趋势起到一定抑制作用。基于以上考虑，专门研制了兼顾加固与智能传感筋锚固功能的具有普遍适用性的新型节点系统。

图3-4 光纤光栅智能传感筋新型节点系统

　　该节点由直立锁边屋面锚固机构与智能筋卡具两个共同组成。其中屋面锚固机构通过可开合式的卡槽，与直立锁边屋面板的上部扩大头机械锁定；智能筋卡具分为上下两片，两者之间通过四枚内六角螺栓固定，中部开槽、做齿以供智能筋通过并锚固。两个独立的机构通过焊接形成一个整体，有效的把智能筋固定在金属屋面板上。

　　（三） 屋面抗风揭模型试验，验证了智能监测体系的监测性能

　　通过屋面屋面抗风揭模型试验验证下列问题：

　　1）饰面板防风揭智能动态防风揭系统试验验证

　　2）屋面板防风揭智能动态防风揭系统试验验证

　　3）围护系统智能动态风揭系数推测和预警状态获取

　　屋面防风揭测试验证采用广东省标准DBJ/T 15-148-2018《强风易发多发地区金属屋面技术规程》中A.6章节金属屋面抗风揭检测方法进行。金属屋面抗风揭检测是由动态风压检测和静态风压检测连续进行的。

　　采用100Hz光栅解调仪对智能筋进行1min动态数据采集，截取1分钟内一共完成了14次动载测试，平均耗时4.28s。同试验加载方案一致。等间隔持续选取循环数据，可以看出随着时间的推移循环次数的增加智能筋：应力振动幅度逐步增加、极值呈现逐步上升状态。

图3-5 动态风压检测加载过程

　　饰面板布设的GFRP筋在饰面板飞出后，极限波长差值为10.18nm应变达到8400，初期破坏和限制飞出的峰清晰可见，可有效抓取金属屋面发生结构性损伤后传感器数据出现的异常性回落。

　　为了验证分布式GFRP筋在公共建筑围护系统中监测的效果，试验中利用6419A分布式解调仪在试验开始前、加载过程中和加载破坏后分别采集饰面板应变变化数据作对比分析数据。

图3-6 风揭破坏实验过程

　　（四） 搭建与实际工程相结合的监测管理平台，可实现较为精准的预警以及定位功能

　　本系统充分考虑到现场的结构特点、风压环境、建设规模和造价要求等因素，遵循：“先进、适用、稳定、安全、经济、实用”的原则，采用5G 移动通信、人工智能与大数据等新技术和新设备。通过对风压、风速、风向和智能筋分布式应变定位等内容的监测真实地反映屋面的结构状态、报告屋面工作环境和荷载变化以及屋面主要构件的变形状况，记录台风、地震、强降雨等异常荷载事故，实现异常状态下（包括荷载、工作环境和结构响应）的预警。为后续的数据再利用、屋面的工作性能评价及理论研究提供科学依据，通过数据分析与评估，为屋面的安全运营及屋面的养护维修管理提供参考。

　　监测和运维管理平台包括状态感知系统、网络传输系统、数据库系统、业务系统等，对工作环境的监测、整体性能监测及局部工作性能监测，通过数据处理分析，反应运营状态。针对该监测与数据分析系统架构可分四层。

图3-7 平台构架

　　第一层监测仪器感知层，由各监测传感器和数据感知采集系统构成，完成各监测项目（参数）的测量、转换和数据采集。第二层为网络传输层，介于物理感知层和数据核心层之间，由无线传输系统、专用网络构成，完成数据采集以及传输到远端数据库服务器系统，本方案采用指定的专用网络，保证数据的安全性和稳定性。第三层为数据核心层，由基本数据和结构监测数据组成综合监测数据库，为壳体运营状态分析提供数据支撑，主要完成数据分类存储、交换查询管理。第四层为业务应用层，由各业务系统构成，完成监测数据的分析、预警、展示和输出等，通过监测中心将重要监测信息发布到用户终端。

　　1.仿真分析

　　仿真分析页面可在仿真模型处展示与预设场景相对应的仿真结果，通过选择合适得变形系数可对模型的仿真结果进行相对应的变形。在此界面可通过对最终仿真模型进行放大、缩小、旋转等模型操作对屋面情况进行具体分析，为运维方案的设计提供便利。

　　2.报警预警

　　报警预警界面可实时查看、处理各测点预警记录，精准获取预警时间、告警位置，测点编号以及告警等级等关键信息。在此界面可进行预警信息展示，可填写处理人、联系方式、处置措施、备注等信息，简洁明了。

　　图3-8 系统破坏预警模拟

　　实验结果如上图所示，将分布式解调仪初次运行所测得的应变值设为预警阈值，在各通道各测点处均能有效实现预警功能，风揭处应变变化明显，定位精准。

　　3.数据管理

　　监测和运维管理平台能够自动处理和存储文本信息、数值信息、图形图像信息等。其中文本信息主要包括各种基础配置信息、传感器采集的原始信息、数据清洗过程中的信息和清洗后的结果信息。数值信息主要包括各种业务统计数据、硬件设备类型信息、指标数据、事件信息等。图形图像信息主要是定时静态影像数据信息和实时视频分析数据流。

图3-9 系统数据展示

　　为满足项目施工技术创新，帮助监测方案的确定，监测和运维管理平台在数据管理部分额外设有实验室模块。在此模块可实现目标测点的精准检索，展示目标测点的实时数据，记录其实验过程中的历史数据，还可以曲线形式展示目标测点数据信息，便于对实验数据进行分析。

　　四、创新点与特色

　　1.基于光纤传感技术的增强纤维复合传感筋的研制。对增强纤维复合材料的制作过程进行详细研究，通过系列破断实验、标定实验、耐久性实验等研究上述智能部品的协同工作性能、极限承载力、弹性模量、分辨率、量程等相应的力学和感知性能。

　　2.基于光纤传感技术的屋面板整体性加固和监测方法。针对屋面板结构全寿命过程所经历的各个阶段，分析其在风载作用下被揭开的机理和特性，进而确定布线方案。

　　3.屋面板结构防风揭安全评定方法及设计优化分析。设计规划屋面板结构智能加固与维护系统系列实验，将实验室采集到的数据进行详尽的分析，探讨屋面板在特定环境、服役荷载水平下的安全评定方法。

　　4.基于空间实时数据的屋面板智能运维与应急管理平台。将试验数据和评定方法集成到软件中，实现屋面板空间实时数据的自动采集、分析判断及预警。

　　5.实际工程运用。将上述经过实验验证所取得的阶段性成果应用到汕头市亚洲青年运动会体育场的实际工程中去，确定切实可行的系统布设方式，安装工法。并通过阶段性测试的方法，将一段时间的实测数据与实验室进行的系列实验所得数据进行对比，验证整个系统的可靠性，准确性。   

　　五、成果市场推广应用前景分析    

　　大跨度空间结构是一个国家建筑业技术水平的重要衡量标准，它广泛应用在各种大型体育场馆、剧院、会议展览中心、机场候机楼等重要标志性建筑。是新材料、新技术、新工艺为综合技术的现代文明的体现。随着我国经济实力以及科学技术的飞速发展，人民物质文化需求显著提高，近年来大跨度建筑如雨后春笋般大量兴建，结构难度也不断加大。例如：2008年奥运工程国家体育场“鸟巢”、国家游泳中心“水立方”、国家大剧院、首都机场新航站楼、2010年上海世博会场馆以及广州会展中心、哈尔滨会展中心等。总体建筑规模超过2000万 ㎡。而这些建筑物尽管经过了大量的分析计算和反复论证，但由于真实环境的复杂性、易变性，工程设计也未必能够全面综合地考虑各种因素，做到万无一失。因此，如何保证结构在建设过程中和使用过程中的绝对安全或是在发生安全事故之前能够给予必要警示就显得很有必要性．需要注意的是，疲劳效应、腐蚀效应、材料老化、环境荷载变化也考验着在服役的建筑，尤其是老旧建筑。对那些具有较大人流量、某些特殊的使用功能或是具有某种特殊意义的建筑，一旦发生安全事故，无疑会造成巨大的生命财产损失及不利的社会影响。广东省作为我国经济强省，交通、水利、能源、产业等重大项目遍地开花，相应的大跨度空间结构建筑也是多如牛毛。但由于地处东亚季风区，台风的影响频繁，整体风环境较为复杂，对于当地大型公用建筑进行相应维护，使其避免受到恶劣环境的影响，保证其安全运营，延长其寿命就显得尤为重要。

　　本项目基于光纤传感技术与增强纤维复合材料的独特优势，结合汕头市亚洲青年运动会体育场的实际施工和运营环境，研发了一种基于光纤传感技术的增强纤维复合智能筋，提出了一种满足监测需求的智能监测体系，成功搭建了项目健康监测管理平台，可为该体育场金属屋面的运维工作提供良好的数据支持，为场馆的安全运营提供保障；研发了分布式智能筋、内嵌光栅智能筋、新型金属屋面节点系统等可大范围推广的新产品；搭建了适用于多种场景的项目健康监测管理平台，并开发了相关软件，为进一步确保公共建筑的安全运营，减少公共建筑大规模维护带来的人力和经济损失，避免恶劣气候对结构造成的安全隐患提供了新技术，新方法。

　　六、实施成效    

　　汕头大学东校区暨亚青会场馆项目位于广东省汕头市东部塔岗围片区，东南向面临南海，是第三届亚洲青年运动会的主场馆，按甲级体育场馆标准进行设计建设，赛后移交汕头大学使用。项目建设规模约为14.8万㎡，包含2.2万人体育场、8000人体馆、会议中心以及室外训练场等内容，多馆合一，极为高效的利用场地源。体育场馆金属屋面，其结构层及装饰层共11层，最上面的装饰层采用锁扣式连接工艺，呈现自然流线型外观，呈现 “飞舞的浪花”造型。

　　体育场内场为环形封闭结构，内场檐口东西方向长128.95m南北方向长185.5m；体育场钢屋盖,整体不设缝，单体长度298m；体育场高度为39.10m。钢屋盖采用倒三角立体悬臂桁架＋拱桁架的结构体系：倒三角立体悬臂桁架沿径向布置，共74榀，最大悬挑距离36.5m；东南及西北方向立面大开口处分别设置了拱桁架，最大跨度为118m。根据汕头亚青会体育场的监测需求，针对场馆屋面结构的特点，在体育场金属屋面内檐管绕环绕布设7根FRP智能传感筋，在体育场金属屋面南侧（分布式ch1南侧20cm）处布设3根光纤光栅智能传感筋（光纤光栅ch1~3）。

　　汕头市亚洲青年运动会体育场金属屋面智能监测系统已运行近半年多的时间，在监测期间没有出现大状况，系统运行情况比较稳定，可实现对金属屋面检测区域应变的实时监控。实际监测数据波动情况与现场实际风环境一致，对于风灾敏感区域可实现精准定位。整体趋于稳定状态，从目前现有数据分析结果来看监测系统能够正确获取风载作用下的金属屋面应变时程。