Abstract: With the increase in environmental protection policies, the fossil-fuel power station has basically completed the technical transformation of the open-pit coal yard into a shed. The coal shed is a long-span spatial structure, and the main form of destruction is collapse. The destruction is basically without warning, it is easy to cause serious safety accidents, in addition to the bad use environment of coal shed, the steel structure collapse accidents are common in recent years, therefore, the whole structure of coal shed should be continuously monitored for health, regularly maintained, and early warning and early disposal should be strived for, take precautions, which is also the safety of power plant production requirements.

Keywords: Coal shed; prestressed truss; grid structure; safety monitoring

1 技术背景

近年环保政策加码，火力发电厂陆续完成了对露天煤场的封闭技改，新的煤棚体型巨大，成为电厂又一标志性建筑。煤棚的结构形式多样，主要有网架结构和预应力桁架结构，结构具有跨度大，体系复杂、受力大等特点，煤棚内生产作业设备如斗轮机、推煤机和运煤车运行频繁，无规律且无章，易造成碰撞。还有煤体易产生阴燃、扬尘，需要使用雾炮喷淋长时间持续作业进行降温和抑尘，这也导致棚体内潮湿，呈现弱酸（雾）性环境，这对煤棚结构的安全使用和耐久性都是 考验，因此对投入使用的煤棚进行结构健康安全监测是十分必要的。

2 结构监测系统介绍

2.1系统组成

煤棚结构在使用过程中，承受巨大的自重荷载、风荷载、雨雪荷载、温度荷载、甚至外力撞击、地震荷载等，承受着材料锈蚀，构件的应力重分配、拉索预应力损失、基础不均匀沉降等因素影响，结构会出现下挠、移位、构件破坏等影响结构安全使用的情况。

通过监测结构关键部位的位移、模态、应变、温度等参数的变化等，可及时发现结构安全隐患。

从系统层面，监测系统由传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据处理子系统、结构安全预警与评定子系统等四个子系统组成，每个子系统的主要功能如表1所示：

表 1 监测系统组成及主要功能

2.2 系统工作原理

完整的结构安全监测流程，首先由布设在结构关键位置的传感器（如位移传感器、应变传感器等）接收结构力学响应（如结构位移、构件应变等）以及自然环境引起的作用变化（如风速度、湿度、腐蚀介质、温度变化等），并通过数据采集系统将其转换为数字信号。传感器信号通过屏蔽电缆传输到室外采集站的传感器接线盒，然后接入数据采集工控机中进行数据采集，存入数据服务器，供其它程序调用和查询。数据传输方式根据具体场点实际情况可采用有线网络通讯和无线通讯相结合的方式（主要通过5G或），利用工业路由器进行实时数据传输。数据最终汇总到数据处理模块进行分析、处理。数据处理模块主要完成数据处理、整合与分析等工作。该系统设置在电厂工业监控室，通过无线网络接收来自各个项目的数据，完成处理、分析并对结构安全状态做出判断后，再通过无线网络进行反馈，发出在线预警和安全评定。

图 1 监测系统工作流程

3 结构监测方案

对河北沿海某电厂煤棚进行结构健康监测，该煤棚跨度为206m，采用超大跨的预应力拱桁架结构，主体结构包括9榀主桁架和9榀次桁架，围护采用索膜结构，2016年开始实施，投运以来正常稳定。

3.1 主要监测参数

监测参数包括：

（1）结构整体变形监测，结构在重力作用及其他外力作用下产生的竖向位移形变；

（2）结构振动监测，当结构受到强风、环境震动，以及强烈地震破坏、意外撞击、爆破冲击时，用户可以根据需要截取相应时段的振动波形，进行数据分析，满足对事件分析的需要。

（3）构件应力监测，空间结构杆件的受力状态是衡量结构是否处于正常运行状态的一个关键指标。通过结构重要杆件微观应变的观测可以大致分析结构宏观的内力及变形，为结构损伤识别、疲劳损伤寿命评估和结构状态评估提供依据。可实时监控施工过程中结构的应力变化过程，当结构在施工或运营中某些杆件超出设计承载力时可及时进行报警，调整施工方案或进行安全性评定，确保了结构安全和质量，提高了结构可靠性。

（4）应力监测，桁架下部的拉索承受巨大的预拉力，一旦由于不可预知的原因，产生索力变化，将对结构产生极大的安全隐患，因此选择有代表性的拉索进行监测，以保障结构整体使用安全。

（5）温度监测，由于结构裸露在外，承受着烈日酷暑的考验，温度变化剧烈，使结构产生较大内应力，对钢结构的安全造成影响，监测记录这个变化，对结构的分析十分重要。另外，温度资料也用于修正结构位移变形观测。

（6）风力监测，收集大风天气等气象条件，统计煤棚外部环境基本气象要素。

3.2 测点布置原则

根据煤棚结构特点和易受损分析的结果进行监测点的布设：最大挠度、位移和结构空间变形主控制点、最大应力分布或变化的控制点、可对结构总体温度进行监控的控制点、对于结构受力可能产生影响的部位、结构所处风荷载等环境的主要监控点，测点布设还应适当冗余。

在受风及周边环境震动的影响下产生振动，特别当遇到意外撞击或较大地震时，结构的振动真实反映了结构的动力性能和外力大小。

大跨网壳钢结构在使用过程中，结构本身会发生竖向压缩变形，同时温差和支座徐变，也会导致结构整体发生水平和竖向变形。

变形应控制在适当的范围内，特别是当结构遭遇地震后将发生较大的位移，这些变形只能通过预装位移计进行远程测量，及时监控网架支座及结构形变，系统会发送预警信号。

3.3 监测测点布置

结构竖向位移监测共6个测点，分别位于边榀和中榀的跨中及1/4跨，每榀3个测点。具体位置如图2所示。

a 中榀位移测点示意图

b 边榀位移测点示意图

图2 结构竖向位移测点

结构动力性能监测共6个测点，同样选择边榀和中榀，每榀3个测点，具体位置如图3所示。

a 中榀振动测点示意图

b 边榀振动测点示意图

图3 结构动力性能测点

结构应变监测设置14个测点，设在“应力集中或应力较大的位置”，选择煤棚中榀和边榀共 14 根有代表性的杆件作为应变监测对象，如图4所示。

a 中榀应变测点示意图

b 边榀应变测点示意图

图4 结构应变测点

索力监测点2个，根据索力监测要求及实际情况，选择中间部位的2榀桁架的2根主索作为监测对象。见图5.。

图5 结构索力监测示意图

结构温度监测考虑温度变化对结构的影响，设立4个最有代表性的温度控制点作为测点，如图6所示，分别置于跨中壳体覆盖层内外各 1 处，以及桁架 1/4 跨两个典型位置。温度传感器采用无线连接方式，安装也很灵活，因此在实施中还可根据实际情况调整。

图6 温度监测测点示意图

结构风力监测1个测点，由于风荷载对煤棚影响很大，为便于监测风力，在煤棚顶部中间高点无遮挡除设置风力监测点，监测风向风速，安装实施中还可根据实际情况调整。

3.4 主要设备选型

表 2 监测系统设备及参数

4 数据采集技术配置

数据采集与传输模块完成传感器信号数据的采集、调理与数据传输。作为向传感器发送采集指令的载体与通道，数据采集与传输模块要求集成化程度高、便于统一管控、扩充性强，易于传感器升级以及维护更换。

数据采集与传输模块的硬件设备总体要求：

（1）根据传感器种类、数量、信号特征、信号采样频率、I/O数据吞吐量及对信号的预处理等要求，决定数据采集硬件系统的基本方式和具体硬件设备选择；

（2）遵循标准协议和标准接口，便于数据传输和存储；

（3）具有较高的精度，配置信号调理（增益、滤波）等硬件设备；

（4）具备实时同步采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能，保证现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性；

（5）满足室外工作需求，具有便于安装、防雨、防雷和防尘等功能；

（6）系统有实时自诊断功能，能识别传感器失效、信号异常、子系统功能失效等；

（7）数据采集单元能24小时连续采样，在风、雨等恶劣环境下仍能正常工作；

（8）数据采集及传输可实现远程控制，采样参数可远程在线设置。

图7 数据采集及传输方案示意图

数据采集与传输模块的硬件设备具体参数要求：

（1）嵌入式主机：4 槽集成式双核控制器；Artix-7 FPGA；温度范围 -40℃至 70℃。

（2）模拟电压采集模块： 通道数量 4 或 16 通道可选；量程 +10 V；16 位 ADC； 采样率 100 kS/s/ch；温度范围 -40℃至 70℃。

（3）串口通信模块：通道数量 4 通道；最大波特率 3.6864Mbps；RS485/RS422； 温度范围 -40℃至 70℃。

（4）振弦式采集模块：通道数量 16 通道；频率范围 400Hz~5000Hz；精度 频率0.1Hz ，温度 0.5℃；通信方式 RS232/RS485；供电方式 12VDC。

（5）4G 无线通信模块：支持网络 4G；串行数据口 RS232/RS485；通讯速率 标准 300～115200bps；工作电压：5-36V。

（6）32 通道光开关设备：工作波长 1550nm；插入损耗≤1.0dB；回波损耗单模≥45dB；工作通道 2x16；通信方式 RS232/RJ45。

5  关键数据获取及分析

5.1 结构损伤识别

对目标的监测结果系统会对结构的损伤进行识别，当发现结构已经出现异常的报警，指示损伤发生；明确损伤的时间和空间定位；通过分析监测到的数据，给出确定的指标，并给出技术性定性判断意见，上报相关部门，及时对结构损伤进行相应处置。

损伤识别的主要方法有：基于结构静力特性的损伤识别；基于结构动力特性的损伤识别；以及基于神经网络的损伤识别。

静态测试的结构损伤识别方法是目前较为常用的一种损伤识别方法，它具有操作简单、无需大型复杂设备、数据获取方便、准确等优点。因此，在行业内应用起步较早，成果也较显著。如：依据有限元软件计算分析，施加荷载于结构的一组自由度上，而测量结构另一组自由度上的位移，据此计算结构构件刚度，并进行损伤识别；或利用完备和不完备的静力位移测试数据对单元刚度进行损伤识别等。

但其缺点也很明显，主要是所获得的测试信息量少。另外，加载路径的限制，即对于给定的结构，某一种加载方案只能影响结构的一部分构件；而未在加载路径上的构件，不能反映出结构损伤前后的相关数据变化。由于这些局限性，单独使用静态测试数据进行结构损伤识别并不能适用于所有的结构类型。

而基于结构动力特性的损伤识别方法损伤识别因子多，具有更强的适用性。这些方法通常将能够反映损伤变化的量作为损伤识别因子，通过对损伤识别因子变化的观察，判断结构的劣化程度及削弱部位。动力特性识别因子包括固有频率、模态振型、柔度差、应变模态、灵敏度、频响函数等。

（1）固有频率

固有频率是结构的固有特征量，固有频率的变化可以反映结构力学性能的改变，同时，它也是结构众多模态参数之中最易获取并评估的一个参数。在钢材的锈蚀过程中，结构刚度会发生变化，结构固有频率也会随之改变。因此，对结构固有频率的研究可成为研究钢结构锈蚀损伤的切入点，且结构固有频率获取方便，影响因素少。

（2）模态振型

相对结构固有频率而言，结构的固有振型包含了更加丰富的结构动态信息， 基于模态振型的损伤识别方法对结构局部产生损伤的表征效果较为良好，此法可作为确定结构模型误差和损伤位置的方法。在损伤定位方面识别效果更佳。

（3）柔度差

利用模态测试数据进行的损伤识别计算是应用范围最为广泛的算法之一，在应用该算法的实例中，柔度矩阵变化也得到了大量应用。模态参数对柔度矩阵的贡献与自振频率的平方成反比，只需获得较低阶模态参数，就可较好地估计结构的柔度矩阵。

（4）应变模态

位移模态反映的是结构固有振型，应变则是位移的一阶导数，因此，对应于每一阶位移模态，则必有其对应的固有应变分布状态，这种与位移模态相对应的固有应变分布状态称之为应变模态。

（5）灵敏度

利用模态参数对结构物理参数变化敏感度的分析计算，确定结构是否出现损伤，判断损伤的位置以及损伤的程度。采用模态参数灵敏度进行损伤识别时灵敏度的构成可以有多种形式，可以单独采用特征值或特征向量对结构参数的灵敏度，也可以采用特征值和特征向量共同组成灵敏度。

（6）频响函数

频响函数（Frequency Response Function，FRF）指标包括波形链接指标（WCC）、阀值比对方法（ATM）、信号确信准则（SAC），其原理是通过比较结构损伤前后的加速度反应来进行损伤识别。其中，WCC 指标是通过比较结构损伤前后的加速度反应斜率差的绝对值或者曲率差的绝对值来进行损伤判断；ATM指标是通过设置一个幅值，如果结构损伤前后的加速度反应小于这个幅值，则认为两者相同，结构无损伤，反之，则认为结构已经损伤；SAC指标是根据组合算法而得出的识别指标。

近几年，用神经网络方法解决结构损伤识别诊断、参数识别和动力学反映已很普遍。解决上述反问题从本质上可归为模式识别与模式匹配问题，而这正是神经网络方法所具有的强大功能之一。用神经网络方法解决问题的最大特点就是无需结构的分析模型，通过网络学习，直接建立系统输入输出非线性映射关系，具有实时解决反问题的能力。

煤棚建筑的结构体系庞大，受力十分复杂。全面反映结构整体安全状况监测的工作繁多，实现可靠监测，因此交叉采用多种识别方法全面观测十分必要，借鉴在桥梁、场馆等大型结构监测工程应用成熟技术，再进行迭代开发煤棚结构健康监测系统，达到事半功倍效果。

5.2 索力测试

煤棚结构无论采用刚柔结构体系还是柔性结构体系，都涉及到拉索张拉力问题，无论是在施工过程张拉还是在使用期间，索力的真实值都是施工和设计人员十分关心的，对索力测试方法就很重要。

目前，索力测试方法分为两类：一类是直接测量索内力，如压力表法、拉压力传感器法、三点弯曲法等，其原理较为简单，操作上也比较容易；另一类是通过测量其他物理量间接计算出索力，包括频率法、磁弹效应法等，其原理较为复杂，技术含量更高。除此以外，基于静力性能的索力识别也有一定的应用前景。

单自应力模态的张拉屋盖结构索力识别方法是利用计算位移与实测位移的差值去修正计算模型中的预应力，从而改变在荷载作用下的结构位移。当计算位移与实测位移一致时，就得到了结构的真实预应力，可以在通用有限元软件（如 ANSYS）上直接应用。

该方法基于以下假定：1）结构的几何位形由现场测量获得，且是精确的；作用在结构上的荷载是已知的；2）结构构件的截面积、弹性模量是已知的；3）在进行索力识别时施加的荷载作用下，结构处于线弹性、小变形范围内。

单自应力模态结构的索力识别技术路线如图8所示，当有限元模型的位移增量与真实结构中的位移增量之差小于迭代收敛容差ε₂时，迭代结束，认为有限元模型索力等于真实模型索力，否则修改有限元模型预应力继续迭代。

图8  单自应力模态结构的索力识别

5.3数据分析与预警

通过总结大跨空间结构监测数据及其有限元分析模型计算结果，归类分析，量化大跨空间结构监测关键参数，对比各项安全监测关键参数指标水平，并与结构设计指标及相关规范标准相对比，建立集群化大跨空间结构的多层次安全预警指标体系及安全风险评估方法。

6 总结

目前，各大集团火力电厂已陆续完成大量煤棚工程，大多数都采用大跨或超大跨空间网格体系，近年来煤棚安全事故屡见不鲜，2018年山西省长治连续发生多起网架事故，2019年内蒙古鄂托克旗煤棚坍塌，2020年和2021年四川成都、山东青岛钢网架事故，造成人员伤亡和重大经济损失，血淋淋的教训，警钟长鸣，亡羊补牢，对已建和在建煤棚在内的大跨和超大跨空间网格建筑进行结构健康的监测十分必要。提前开展煤棚开展结构健康监测是安全生产的要求，防患于未然，也是对特殊建筑维护的重要的定量参考意见，值得推广。

参考文献

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第一作者简介：许鲲（1976-），女，汉族，河南方城，研究生，高级工程师，从事火力发电安全生产管理工作。

联系方式：陕西省西安市沣惠南路32号，710065，大唐陕西发电有限公司，许鲲,029-68685263,18502988161