淺談高層超高層結構健康監測技術的應用

王鑫娟1，王強1，商鈺2

（1寶雞市建筑設計研究院，寶雞721000，2陜西省建筑科學研究院，西安710082）

    1、前言

    近年來，我國土木建筑快速發展，設計并興建了大量的高層建筑、電視塔以及大跨度橋梁等高聳結構物。例如迪拜塔162層、828米高，世界第一高樓；日本東京晴空塔，高度為634.0米；廣州塔，又稱“小蠻腰”、高600米，小蠻腰的最細處在66層；美國紐約世貿中心約541米；臺北101大樓高509米；上海環球金融中心高492m，上海中心大廈設計高度632m等。在強風、地震和溫度變化等作用下，高聳結構容易產生過大的變形，從而危及結構安全。此外，超高層建筑在安全、環保、節能等方面均面臨很多問題。2007年8月4日，在建的上海環球金融中心發生火災事故，2009年2月9日晚央視新大樓發生大火等，再次引發了人們對超高層建筑公共安全的關注。對高聳結構進行實時監測和診斷，及時發現結構損傷，對可能出現的災害進行預測，被證明是有效的方法。

    2、結構變形監測

    許多高層建筑在出現危險之前都常常發生較大的變形，因而分析高層建筑變形規律、對高層建筑的變化趨勢進行有效預測對高層建筑安全監控、確保高層建筑安全運營具有重要意義。高層結構的位移監測一般包括沉降監測、水平位移監測和傾斜變形監測，其分析的傳統方法多局限于離散監測點的位移分析。建筑物變形多為整體變形,是多種因素的綜合影響結果，高層建筑結構應采取新的監測方式定期的實現結構整體變形狀態的監測。

    1）施工過程中沉降及水平位移監測

    選用徠卡TPS1200系列全站儀，測點分為控制點、后視點和監測點。控制點應建立在穩定區內的地面上，最好是同一觀測網中的不同點，具體數量根據觀測需要而定，坐標可以是以被監測建筑物主軸線建立的局部坐標系下的坐標。后視點應選擇一個固定點，并且使得每次觀測的數據具有可比性，且減少日照對后視點的影響。監測點應分層設置組成監測面，每個監測面的監測點應設在包括角柱在內的混凝土立柱上，且盡量設在同一平面內，其數量應據具體情況而定,多設為宜。

    2）施工過程中結構整體垂直度監測

    《混凝土結構工程施工質量驗收規范》中明確規定：施工中的高層建筑必須進行垂直度監測，且高層現澆混凝土結構全高垂直度允許偏差不得超過H/1000且≤30mm。

    常用的垂直度監測方法主要有三種：吊錘線法、經緯儀投測法和激光鉛垂儀投測法。前兩種方法具有儀器設備簡單、施工方法簡便的優點，被施工單位廣泛采用；但這些方法受外界風力、場地條件影響較大，精度也較低；激光鉛垂儀投測法的優點是方便、快捷、直觀，對施工場地沒有特殊的要求，但預留孔洞的大小在施工中不易掌握，在建筑物上方遮擋物（防護網）較多時也不易使用。隨著高精度全站儀中新技術的出現，比如帶有無棱鏡測距功能、可以用反射片代替反光鏡等，這些技術提高了施工過程中結構垂直度的監測。

     3、應力應變監測

    通過理論模型計算，歸納出結構關鍵受力桿件以及損傷識別需要的敏感性桿件進行應力應變的監測。由于強度是結構安全性的基本條件，若應力應變超出了材料的強度極限，結構一定處在不安全狀態；另一方面，通過關鍵桿件的應力應變識別可以方便的確定結構的損傷程度。目前常用的應力應變傳感器有電阻式、振弦式、光線光柵式等。

圖1 金屬電阻絲應變片 

圖2 BGK4000型應變計示意圖 

    4、結構環境監測

    風荷載是建筑的設計荷載之一,也是高層建筑、高聳結構的主要荷載之一,歷史上因風振造成的工程結構坍塌事故時有發生(美國塔科馬港灣上的第一座塔科馬橋就是在竣工四個月后的1940年11月7日毀于68千米/小時的風振)。

    高層建筑結構的環境監測主要是溫度監測和風荷載的監測。大體積混凝土由于其體積龐大，一次性澆筑量大，工程條件復雜，水泥放熱速度提高，因而如果施工措施控制不力，極易產生各種混凝土結構裂縫，輕者會影響混凝土的耐久性，重者還會嚴重影響混凝土的力學性能。因此，對大體積混凝土裂縫進行有效的預防，成為工程界普遍關注的課題。研究表明，對水泥硬化過程中的溫度進行控制，可有效防止裂縫的發生。

    5、監測系統的建立

    結構健康監測是一種新的結構無損檢測技術，是從實測的結構動力效應信號中提取結構的參數或與結構參數有關的指標并由此推斷結構的損傷，是傳統結構動力學的反問題，是傳感器技術、信號處理技術、結構動力學、概率統計、自動控制和數據庫等技術的交叉領域。一般包括以下幾個部分。圖3為施工過程監測流程圖。

    （1）傳感器系統，包括傳感器元件的選擇和傳感器網絡在結構中的優化布置方案；

    （2）數據采集和分析系統，一般包括強大的采集儀器和計算機系統；

    （3）監控中心，實現診斷功能的各種軟硬件，包括結構中損傷位置、程度類型識別的最佳判據。傳感器監測的實時信號通過信號采集裝置送到監控中心，進行處理和判斷，從而對結構的健康狀態進行評估。

圖3 施工過程監測流程圖

    5、結論

    結構施工過程的健康監測是一個涉及變形、應力、振動、施工環境等多方面因素實時監測、分析、判斷的過程。我們應根據不同過程的結構特點、施工方法及現場環境特點等選擇合適的監測方法，從而準確經濟安全的完成施工過程的安全檢測工作。高層乃至超高層建筑其建設目的是解決居住問題，在有限的空間中合理實現最大化的利用，因此我們不能盲目一味的發展高層超高層建筑，隨著時代的發展，把更多的精力投入到高層超高層建筑的安全和居住的舒適性能上。

    參考文獻：

    [1]熊海貝、超高層結構健康監測系統概述結構工程師，2006

    [2]孫鴻敏、李宏男.土木工程結構健康監測研究進展防災減災工程學報，2003

    [3]范峰、王化杰等、超高層施工監測系統的研發與應用建筑結構學報，2011

    [4]周耀、地鐵車站結構健康監測研究北京：北京交通大學博士論文，2008

(本文來源：陜西省土木建筑學會     文徑網絡：劉軍 呂琳琳 編輯  劉真 文徑 審核)