超高層建筑結構健康監測研究

申國軍 董秀良 羅玉堂

（鶴壁市平安建設工程檢測咨詢有限公司，河南 鶴壁458000）

0 引言

隨著經濟和科學技術的發展，為了滿足社會需要，大量的新型、復雜的建筑結構在土木工程中出現，很多因素都會對建筑結構正常使用造成影響，包括環境荷載，耐久性問題包括疲勞效應和材料老化等，人為因素包括戰爭、錯誤的決策和恐怖主義等。為了保證超高層復雜結構在日常生活辦公中能夠安全的使用，要加強建筑結構的健康監測，設計完善的監測系統。

結構檢測作為一項檢測技術能夠有效的評價施工質量以及既有建筑的結構性能，檢測方法有人工現場測量、試驗和無損檢測，而對于大型的超高層建筑僅僅采用檢測的方式已不能滿足結構安全性需要，要采取結構的安全性監測，通過有線或無線的手段采集和處理數據，診斷出結構的健康狀況。

1 超高層建筑結構的相關特點

1.1 超高層建筑結構特點

超高層建筑耗資多，占地面積和體積較大，服役時間長，對耐久性要求較高，使用期間受環境影響材料容易老化損傷，容易發生危險事故，災情難以控制，這也突出了結構安全保障和災情預警的重要性。

超高層建筑可以分為施工期、運營期和老化期。施工期間主要考慮豎向變形差異，因為其承重構件的豎向變形差異會直接影響施工質量；徐變和收縮因素，超高層建筑中混凝土材料受到徐變和收縮應力的影響，產生的彈性變形會有附加變形，并隨著時間逐步增加，所以是不可忽略的；施工過程引起的結構形式改變，會引起內力和變形的變化。所以超高層建筑不僅進行設計時的理論分析，還要實施全面監測，進而掌握施工情況。

超高層建筑由于主要受水平荷載的影響，所以對風力較為敏感，風對超高層結構的破壞主要為在風作用下出現裂縫或殘余變形，建筑外部裝修部分如玻璃幕墻、裝飾的破壞，在風振作用下產生擺動，引起人體不適，產期風荷載作用下的疲勞破壞等。除了風荷載外，超高層建筑還要注意材料老化、構件損傷等問題。

1.2 超高層建筑監測內容和要點

超高層健康監測系統是根據其結構特點開發的，主要的監測內容有氣候環境監測、結構荷載監測和結構響應監測。施工階段主要隨著施工進度安裝傳感器和采集傳輸設備，主要以人工操作為主，將監測數據導入數據管理系統，經過分析后和設計要求相對比，及時的采取糾偏措施，并根據工程進度需要有計劃的提前做好各種條件下的計算分析，提供各階段的監測報告。使用階段通過中心服務器調用數據管理系統數據，對結構進行狀態識別和安全性評定，包括構件的安全評定和整體安全評定。

超高層建筑結構監測系統要能夠同時滿足施工期和運營期的特點，監測項目必須同時包括施工期和運營期間的檢測內容，能夠將兩個時期的監測數據實行無縫連接，保證施工期間的數據服務于運營期，施工時埋設好監測點，并預留出運營期的監測原件和設備位置。施工階段和使用階段很多監測內容是相同的，施工階段是控制危險，使用階段則是發現危險，兩者相互結合才能構成完整的安全監控體系。

2 超高層建筑施工階段分析

2.1 施工過程的分析

施工過程分析能夠作為施工監控的理論依據，引導和優化測點的布置，指導施工中結構標高和構件長度的控制。以往的建筑結構分析時荷載以分階段施加的方式累加，這種方式忽略了施工階段對上部結構的影響，存在較大的誤差。采用有限元軟件進行計算分析時可以只對已施工的階段分析，不影響未施工結構，每個階段完成后程序將結果累加到當前階段中，能夠更加接近實際工程狀況。

在施工分析中混凝土會隨著時間的推移，受到徐變和收縮的影響，澆筑后強度逐漸增強，一段時間后才能達到最大值，所以混凝土的彈性變形會比理論分析值略小。由徐變引起的變形與荷載成線性關系，高強度混凝土的應變會較小，荷載作用一個月后徐變發展為總徐變量的一半，2～5年后才收斂。

以某高層建筑為例，施工順序為先核心筒后框架，基本進度為每6天完成普通樓層一層，設備和避難層10天完成一層，核心筒內混凝土樓板滯后核心筒一層，巨柱滯后核心筒3層，外部樓板要滯后巨柱兩層后裝部件和伸臂要在主體完成后進行。

2.2 構件豎向變形分析

超高層建筑在施工期間承受豎向荷載較大，會產生彈性變形，隨著時間的增加混凝土構件會出現徐變和收縮變形，建筑結構標高會與設計標高產生一定的差異，處理不當會成為安全隱患，影響施工質量。豎向變形的變化一般采用補償的方式進行處理，在施工中豎向預留一定的尺寸，保證實際標高和設計標高相一致。施工預留高度是根據施工前變形、施工后變形和施工總變形綜合分析得到的。

施工中為了使樓層高度和設計標高相吻合，一般采用平差或拋高的方法，平差根據施工具體情況可以逐層進行或分階段進行，對已施工的樓層設計標高調整，調整值參考施工前變形。拋高是提高樓層的施工高度，調整值根據施工后變形確定。可以同時進行平差和拋高調整，使樓層實際高度和設計高度誤差趨近于零。

2.3 構件應力分析

施工期間構件的應力是無法通過結構設計理論計算控制的，因為混凝土構件會發生徐變和收縮，上部荷載不斷增加，混凝土澆筑前后鋼結構的構件內力不斷變化，建筑結構的構件應力都處于相對復雜的狀態。

核心筒在施工中各角由剪力墻連接成為桶狀結構，迎風面和背風面分別承受拉力和壓力，在豎向荷載和水平荷載共同作用下背風面的構件總壓力較大。外框架部分柱之間是由桁架連接，腰桁架負責水平力的傳遞，整體性較差，在施工中此部分應力會產生一定的波動。

2.4 施工期監測點的布置

傳感器布置越多，越能更好的描述結構的變形情況，但考慮到經濟因素，要恰當的選擇監測點，以節約監測費用，監測點的設置原則為對結構整體變化能夠完整的描述，測點得出的信息對于結構局部變化較為敏感，在滿足這些條件的基礎上，盡量減少傳感器的數量。

3 結構健康監測系統設計

3.1 結構健康監測系統的框架

健康監測系統的目標是保證結構的施工和運營安全性，掌握結構的整體使用狀態變化，為結構的安全評定提供技術支持，其基本思路為在自動化數據采集的基礎上，通過監測結構的受力和變形狀態，推斷結構的特性變化，探測和評價結構的損傷，從而評估結構構件和整體的安全使用狀態。

健康監測系統的步驟為根據結構的受力機制和所采用的材料確定監測內容、監測位置；根據監測項目和監測內容選擇傳感器；建立傳感器系統進行數據采集；設計監測數據傳輸系統；設計監測數據的存儲和管理；分析得到的監測數據，并進行安全評價和預警。

3.2 監測項目及傳感器測點位置

氣象環境的監測包括溫度、氣壓、濕度和雨量，監測點設在核心筒施工界面，并隨施工進度調整位置；風環境的監測包括風速、風向等，采用剛性固定支架安裝在核心筒施工界面處；地震監測屬于荷載監測，記錄地震荷載及歷程，采用強震儀以觸發方式實時監測；風壓監測傳感器裝在幕墻表面處；關鍵位置的應力和應變監測包括巨柱、核心筒、伸臂桁架、腰桁架、斜撐、塔冠和桅桿支座等；另外還有溫度監測、動力特性監測、塔樓垂直度監測、豎向變形監測和塔樓頂部水平位移監測等。

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