淺談高層超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

王鑫娟1，王強1，商鈺2

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

    1、前言

    近年來，我國土木建筑快速發(fā)展，設(shè)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(jié)構(gòu)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(mào)中心約541米；臺北101大樓高509米；上海環(huán)球金融中心高492m，上海中心大廈設(shè)計高度632m等。在強風、地震和溫度變化等作用下，高聳結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生過大的變形，從而危及結(jié)構(gòu)安全。此外，超高層建筑在安全、環(huán)保、節(jié)能等方面均面臨很多問題。2007年8月4日，在建的上海環(huán)球金融中心發(fā)生火災(zāi)事故，2009年2月9日晚央視新大樓發(fā)生大火等，再次引發(fā)了人們對超高層建筑公共安全的關(guān)注。對高聳結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測和診斷，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，對可能出現(xiàn)的災(zāi)害進行預(yù)測，被證明是有效的方法。

    2、結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測

    許多高層建筑在出現(xiàn)危險之前都常常發(fā)生較大的變形，因而分析高層建筑變形規(guī)律、對高層建筑的變化趨勢進行有效預(yù)測對高層建筑安全監(jiān)控、確保高層建筑安全運營具有重要意義。高層結(jié)構(gòu)的位移監(jiān)測一般包括沉降監(jiān)測、水平位移監(jiān)測和傾斜變形監(jiān)測，其分析的傳統(tǒng)方法多局限于離散監(jiān)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(jié)果，高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采取新的監(jiān)測方式定期的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體變形狀態(tài)的監(jiān)測。

    1）施工過程中沉降及水平位移監(jiān)測

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

    2）施工過程中結(jié)構(gòu)整體垂直度監(jiān)測

    《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》中明確規(guī)定：施工中的高層建筑必須進行垂直度監(jiān)測，且高層現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)全高垂直度允許偏差不得超過H/1000且≤30mm。

    常用的垂直度監(jiān)測方法主要有三種：吊錘線法、經(jīng)緯儀投測法和激光鉛垂儀投測法。前兩種方法具有儀器設(shè)備簡單、施工方法簡便的優(yōu)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(yōu)點是方便、快捷、直觀，對施工場地沒有特殊的要求，但預(yù)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(wǎng)）較多時也不易使用。隨著高精度全站儀中新技術(shù)的出現(xiàn)，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(shù)提高了施工過程中結(jié)構(gòu)垂直度的監(jiān)測。

     3、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

    通過理論模型計算，歸納出結(jié)構(gòu)關(guān)鍵受力桿件以及損傷識別需要的敏感性桿件進行應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測。由于強度是結(jié)構(gòu)安全性的基本條件，若應(yīng)力應(yīng)變超出了材料的強度極限，結(jié)構(gòu)一定處在不安全狀態(tài)；另一方面，通過關(guān)鍵桿件的應(yīng)力應(yīng)變識別可以方便的確定結(jié)構(gòu)的損傷程度。目前常用的應(yīng)力應(yīng)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(yīng)變片 

圖2 BGK4000型應(yīng)變計示意圖 

    4、結(jié)構(gòu)環(huán)境監(jiān)測

    風荷載是建筑的設(shè)計荷載之一,也是高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)的主要荷載之一,歷史上因風振造成的工程結(jié)構(gòu)坍塌事故時有發(fā)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(jié)構(gòu)的環(huán)境監(jiān)測主要是溫度監(jiān)測和風荷載的監(jiān)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(fù)雜，水泥放熱速度提高，因而如果施工措施控制不力，極易產(chǎn)生各種混凝土結(jié)構(gòu)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(xué)性能。因此，對大體積混凝土裂縫進行有效的預(yù)防，成為工程界普遍關(guān)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(fā)生。

    5、監(jiān)測系統(tǒng)的建立

    結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一種新的結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)，是從實測的結(jié)構(gòu)動力效應(yīng)信號中提取結(jié)構(gòu)的參數(shù)或與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的指標并由此推斷結(jié)構(gòu)的損傷，是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)的反問題，是傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、概率統(tǒng)計、自動控制和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的交叉領(lǐng)域。一般包括以下幾個部分。圖3為施工過程監(jiān)測流程圖。

    （1）傳感器系統(tǒng)，包括傳感器元件的選擇和傳感器網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化布置方案；

    （2）數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，一般包括強大的采集儀器和計算機系統(tǒng)；

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

圖3 施工過程監(jiān)測流程圖

    5、結(jié)論

    結(jié)構(gòu)施工過程的健康監(jiān)測是一個涉及變形、應(yīng)力、振動、施工環(huán)境等多方面因素實時監(jiān)測、分析、判斷的過程。我們應(yīng)根據(jù)不同過程的結(jié)構(gòu)特點、施工方法及現(xiàn)場環(huán)境特點等選擇合適的監(jiān)測方法，從而準確經(jīng)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(shè)目的是解決居住問題，在有限的空間中合理實現(xiàn)最大化的利用，因此我們不能盲目一味的發(fā)展高層超高層建筑，隨著時代的發(fā)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)概述結(jié)構(gòu)工程師，2006

    [2]孫鴻敏、李宏男.土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究進展防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2003

    [3]范峰、王化杰等、超高層施工監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2011

    [4]周耀、地鐵車站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究北京：北京交通大學(xué)博士論文，2008

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會     文徑網(wǎng)絡(luò)：劉軍 呂琳琳 編輯  劉真 文徑 審核)