淺談健康監(jiān)測(cè)在超高層建筑中的應(yīng)用

李建華

（陜西延長(zhǎng)石油房地產(chǎn)公司）

 

   工程概況

   延長(zhǎng)石油科研中心大樓位于陜西省西安市高新區(qū)，西鄰唐延路，南接科技八路，是集辦公、科研為一體的城市綜合體，該項(xiàng)目占地面積31570.82平方米（47.35畝），總建筑面積為217618.86平方米，地下65537.16平方米，地上152091.70平方米。本項(xiàng)目塔冠總高（含航空障礙燈）217.30平方米。塔樓底部東端和五層高的商業(yè)裙房相連。塔樓東側(cè)有42層高的外凸玻璃中庭，從救援平臺(tái)順勢(shì)傾斜而下，和裙房玻璃天窗相連。建成后將成為西安市標(biāo)志性建筑之一。

 

圖1. 延長(zhǎng)石油科研中心大樓效果圖

    延長(zhǎng)石油科研中心大樓結(jié)構(gòu)主要由六部分組成：塔樓結(jié)構(gòu)、中庭結(jié)構(gòu)、主入口雨棚、裙房以及三層地下室組成。塔樓結(jié)構(gòu)高度195.45米，地上46層，地下3層。幕墻結(jié)構(gòu)高約180米，外凸并依附于塔樓。主入口雨篷中間無(wú)柱，跨度42.8米。裙房5層，高22.8米，分南北兩個(gè)主體，主體間隔約27米的中庭，通過(guò)若干室內(nèi)連橋相接，裙樓東側(cè)設(shè)連體結(jié)構(gòu)報(bào)告廳。

    一、監(jiān)測(cè)內(nèi)容

    延長(zhǎng)石油科研中心大樓施工監(jiān)測(cè)和健康監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)結(jié)構(gòu)部位為塔樓、中庭采光幕墻結(jié)構(gòu)、主入口雨棚結(jié)構(gòu)以及裙房間連橋結(jié)構(gòu)。

    1、塔樓部分

 

                      圖2.塔樓結(jié)構(gòu)體系組成圖                   圖3.塔樓結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)參數(shù)示意圖

    塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，其中外框架采用鋼管混凝土柱+型鋼梁結(jié)構(gòu)，核心筒部分為混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。利用12層、27層、42層三個(gè)避難層，在第27層設(shè)置加強(qiáng)層（伸臂桁架+環(huán)帶桁架），在第12層外框周邊設(shè)置腰桁架樓面系統(tǒng)采用組合樓板和鋼組合梁。

    2、中庭采光幕墻鋼結(jié)構(gòu)

    中庭結(jié)構(gòu)體系分為頂區(qū)塊03，02和底區(qū)塊01兩部分。頂部中庭包含區(qū)塊02、03，采用了鋼板梁和受拉懸吊鋼板的體系；底部區(qū)塊01由抗震縫分為兩段。一段由塔樓以及和塔樓相連的裙房和主入口結(jié)構(gòu)提供重力和水平支撐，一段由獨(dú)立裙房結(jié)構(gòu)提供重力和水平支撐。

圖4. 幕墻鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)參數(shù)示意圖

    頂區(qū)塊03，02中庭幕墻的重力荷載由懸掛在避難層受拉桿件承擔(dān)，水平風(fēng)和地震荷載由鉸接與塔樓鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)的水平鋼板梁傳遞。

    底部區(qū)塊采用了門(mén)式拉索主桁架和箱型次梁體系，中庭幕墻的重力荷載由懸掛在避難層受拉桿件、門(mén)式拉索主桁架和箱型次梁共同承擔(dān)，水平風(fēng)和地震荷載由門(mén)式拉索主桁架和連接于塔樓墻體的水平系桿共同承擔(dān)。

    3、南側(cè)主入口雨篷結(jié)構(gòu)

    如圖5所示，中庭幕墻及玻璃雨篷傳遞來(lái)的豎向荷載由樓面梁傳遞到沿橫向布置的四榀次桁架，再由次桁架傳遞到沿縱向布置的兩榀主桁架，最終傳遞到兩側(cè)帶支撐鋼框架上。水平荷載主要由雨篷板及設(shè)于板內(nèi)的水平撐傳遞到兩側(cè)帶支撐鋼框架上。

圖5. 主入口雨棚鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)參數(shù)示意圖    圖6. 裙房連接橋鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)參數(shù)示意圖

    4、裙房間連橋結(jié)構(gòu)：

    裙房結(jié)構(gòu)和塔樓結(jié)構(gòu)在地面以上由變形縫處分開(kāi)。西段部分裙房和塔樓結(jié)構(gòu)相連。相連部分裙房采用鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系。東段獨(dú)立部分裙房采用鋼筋混凝土框架-剪力墻體系。裙房東端連體部分設(shè)計(jì)了報(bào)告廳和健身房，考慮到連體跨度較大，該部分樓面采用鋼結(jié)構(gòu)組合梁和組合樓面，與組合梁相接的框架柱采用型鋼混凝土組合柱。

    裙房南北兩側(cè)由四個(gè)連橋相連。連橋采用鋼框架+受拉斜桿的鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，兩端支撐于主體結(jié)構(gòu)伸出的懸挑梁上。如圖6所示，

    二、監(jiān)測(cè)儀器及采集設(shè)備

    1、應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)設(shè)備

                    圖7.應(yīng)力、溫度傳感器               圖8.應(yīng)力、溫度采集設(shè)備 

   2、結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)設(shè)備

                 圖9.全站儀              圖10.GPS               圖11.靜力水準(zhǔn) 

    3、結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備

            圖12.采集設(shè)備           圖13.加速度傳感器        圖14.頻譜分析——FFT

    4、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備

圖15.溫度監(jiān)測(cè)傳感器

圖16.風(fēng)速風(fēng)向風(fēng)壓監(jiān)測(cè)設(shè)備

三、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

    結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)可以分為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)性能評(píng)估系統(tǒng)。

    1、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)（硬件部分）

    1）傳感器系統(tǒng)：用于將待測(cè)物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或者光信號(hào)。

    2）數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)：采集各種傳感器的信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理。

    3）通訊系統(tǒng)：將采集并處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，可以通過(guò)雙絞線(xiàn)、同軸電纜、網(wǎng)線(xiàn)或者光纖實(shí)現(xiàn)各個(gè)采集系統(tǒng)之間的連接。

    4）監(jiān)控中心和報(bào)警設(shè)備：控制采集設(shè)備的運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程系統(tǒng)管理員的數(shù)據(jù)雙向交換。利用具備診斷功能的軟硬件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，判斷結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生、位置、程度，對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀況做出評(píng)估，如發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)出報(bào)警信息。

    2、結(jié)構(gòu)性能評(píng)估系統(tǒng)（軟件部分）

    1）安全性評(píng)估：通過(guò)各種可能的、結(jié)構(gòu)允許的測(cè)試手段，測(cè)試結(jié)構(gòu)當(dāng)前的工作狀態(tài)，并與其臨界失效狀態(tài)進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)其安全等級(jí)。

    2）損傷識(shí)別 ：結(jié)構(gòu)在受到自然的（如地震，強(qiáng)風(fēng)等）、人為的破壞，或者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期使用后，通過(guò)測(cè)定其關(guān)鍵性能指標(biāo)，檢查其是否受到損傷，如果受到損傷，損傷位置、程度如何，可否繼續(xù)使用及其剩余壽命等。

     圖17. 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

四、結(jié)束語(yǔ)

    本文簡(jiǎn)單的介紹了健康監(jiān)測(cè)在超高層建筑中的研究和應(yīng)用，介紹了應(yīng)力應(yīng)變、位移變形、環(huán)境溫度、風(fēng)、振動(dòng)等需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)以及采集設(shè)備，同時(shí)介紹了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成，為以后類(lèi)似工程的監(jiān)測(cè)提供借鑒依據(jù)和參考。

 (本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)   文徑網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)項(xiàng)目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯  劉真 文徑 審核)