高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究與應(yīng)用

吳天俊

（深圳中建院建筑科技有限公司，廣東深圳518063）

1 引言

隨著高層建筑建設(shè)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，在高層建筑工程中使用監(jiān)測(cè)手段能夠?qū)ㄖY(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行衡量，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控高層建筑工程質(zhì)量，有效維護(hù)和管理高層建筑工程[1]。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

通過(guò)流程分析可知，在監(jiān)測(cè)高層建筑工程健康狀態(tài)時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)采集工程相關(guān)數(shù)據(jù)信息，通過(guò)建筑內(nèi)部傳感器系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，測(cè)定建筑工程的溫度指標(biāo)、應(yīng)力指標(biāo)和振動(dòng)指標(biāo)，采用信號(hào)轉(zhuǎn)換方式將其轉(zhuǎn)變?yōu)闈崈魯?shù)據(jù)[2]。信號(hào)可以借助無(wú)線通信方式，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，之后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖?nèi)進(jìn)行分析處理，以此獲取高準(zhǔn)確度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果。

2.2 系統(tǒng)功能分析

通過(guò)分析高層建筑的功能需求，將健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)集中在無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)采集分析、數(shù)據(jù)庫(kù)等子系統(tǒng)中。通過(guò)系統(tǒng)分析可知，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于整體結(jié)構(gòu)，具備不同的作用優(yōu)勢(shì)，協(xié)同性比較強(qiáng)，采用整體方式能夠有效采集和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，之后再輸出結(jié)果。

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架

建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置，可以分別設(shè)置在建筑的不同部位上，利用建筑物傳感器采集各類數(shù)據(jù)，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，將收集數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)用服務(wù)器，之后連接數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)整個(gè)數(shù)據(jù)資源。通過(guò)應(yīng)用服務(wù)器，能夠提供功能監(jiān)控服務(wù)，同時(shí)將監(jiān)控信息傳輸?shù)娇蛻舳耍B接客戶端與報(bào)警系統(tǒng)。通過(guò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)的方式，可以將代理服務(wù)器添加到系統(tǒng)中，這樣能夠訪問(wèn)內(nèi)部系統(tǒng)，還能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部與外部獨(dú)立的模式，防止關(guān)鍵數(shù)據(jù)泄漏和被篡改。

2.4 關(guān)鍵硬件與數(shù)據(jù)庫(kù)

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)，應(yīng)合理選擇傳感器。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，測(cè)量傳感器主要包括溫度傳感器、位移傳感器、拉索傳感器等，同時(shí)將光纖傳感器應(yīng)用到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，應(yīng)用原理在于將光源傳輸?shù)焦饫w調(diào)制器內(nèi)，確保待測(cè)參數(shù)和調(diào)制區(qū)域產(chǎn)生作用反應(yīng)，以此改變光源相位或者波長(zhǎng)等特性，同時(shí)可以建筑物變化狀態(tài)進(jìn)行判斷。此外，建筑數(shù)據(jù)測(cè)量還涉及超聲波傳感器、磁彈儀、光柵傳感器。

同時(shí)，也應(yīng)合理選擇數(shù)據(jù)庫(kù)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，可以應(yīng)用結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言系列數(shù)據(jù)庫(kù)，由于該類數(shù)據(jù)庫(kù)具備較高安全性與穩(wěn)定性，同時(shí)可以支持不同語(yǔ)言體系，為系統(tǒng)開發(fā)提供便利性。將傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面為例，上方顯示傳感器列表，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息。中間層可以體現(xiàn)出數(shù)據(jù)信號(hào)采集與數(shù)據(jù)更新。軟件下方顯示位置等級(jí)、傳感器編號(hào)等相關(guān)參數(shù)，其余參數(shù)可以有效調(diào)節(jié)和設(shè)置系統(tǒng)建立系統(tǒng)監(jiān)控。在監(jiān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)時(shí)，需要選取地震、垂直度、溫度、位移等指標(biāo)，比如，高層建筑關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測(cè)，在建筑關(guān)鍵點(diǎn)埋設(shè)全球定位裝置與光纖傳感器，實(shí)現(xiàn)整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)的監(jiān)控。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 項(xiàng)目概況

深城投中城花園位于深圳市坪山中心區(qū)坪山大道與深汕路交會(huì)處的坪山街道飛東園區(qū)。其中，3 棟結(jié)構(gòu)總高149.25m，4 棟結(jié)構(gòu)總高80.5m。高空泳池連接3 棟的第22 層與4 棟的第19 層。空中泳池下部支承結(jié)構(gòu)為鋼桁架結(jié)構(gòu)形式，桁架主跨跨度約25m，寬度約10m，鋼結(jié)構(gòu)面積約300m2。上弦鋼梁頂標(biāo)高為67.48m，其下部與4 棟的連接采用可滑動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的成品支座，連接形式為弱連接；與3 棟與勁性柱、勁性梁剛接。桁架主要桿件采用焊接H 型鋼。泳池鋼結(jié)構(gòu)平面圖如圖1 所示。

圖1 泳池鋼結(jié)構(gòu)平面圖

3.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容和測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)內(nèi)容和測(cè)點(diǎn)布置具體如下：

1）監(jiān)測(cè)內(nèi)容：鋼桁架的撓度、應(yīng)變、位移變化。具體包括：（1）GHJ-1、GHJ-2、GHJ-3、GHJ-4、GHJ-10 的撓度與應(yīng)變；（2）泳池鋼結(jié)構(gòu)在4#樓滑動(dòng)支座的水平位移。

2）鋼桁架測(cè)點(diǎn)布置：（1）撓度測(cè)點(diǎn)：GHJ-1、GHJ-2、GHJ-3等共計(jì)布置 7 個(gè)精密水準(zhǔn)儀；（2） 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)：GHJ-1、GHJ-2、GHJ-3、GHJ-4、GHJ-10 等共計(jì)布置 30 個(gè)應(yīng)變計(jì)；（3）支座水平位移測(cè)點(diǎn)：GHJ-1、GHJ-2 與4#樓滑動(dòng)支座連接處共布置2 個(gè)測(cè)點(diǎn)；（4）測(cè)點(diǎn)走線布置：導(dǎo)線的收集和防護(hù)采用50mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)線槽，水管、兩芯專用屏蔽線、兩芯負(fù)載線沿桁架下弦水平布置，采集和無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)布置在3#樓泳池輔助設(shè)施間。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與分析

本測(cè)試周期泳池保持滿水狀態(tài)，本期監(jiān)測(cè)對(duì)泳池滿水狀態(tài)下鋼桁架的受力情況提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與分析結(jié)果，對(duì)鋼構(gòu)的撓度、應(yīng)變、位移值進(jìn)行分析并與監(jiān)測(cè)指標(biāo)的預(yù)警值進(jìn)行對(duì)比，以了解泳池鋼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

1）應(yīng)變/應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：本監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，最大壓應(yīng)變/應(yīng)力位于GHJ-1 與3#樓剛性連接支座下弦下翼緣16#測(cè)點(diǎn)，最大壓應(yīng)變維持在-608.6～-629.6με，相應(yīng)的應(yīng)力值為-121.7～-125.9MPa；最大拉應(yīng)變/應(yīng)力位于GHJ-1 跨中下弦下翼緣的26#測(cè)點(diǎn)，最大拉應(yīng)變維持在393.16～403.9με，相應(yīng)的應(yīng)力值為78.6～80.8MPa；最大拉應(yīng)變/應(yīng)力和壓應(yīng)變/應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)給定的預(yù)警值。

GHJ-1、GHJ-2 和 GHJ-3 跨中最大壓應(yīng)力為 21#測(cè)點(diǎn)，壓應(yīng)變-410.7～-417.1με，壓應(yīng)力維持在-82.1～83.4MPa，位于GHJ-3 上弦上翼緣處；最大拉應(yīng)力為26#和20#2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于GHJ-1 和GHJ-2 的下弦下翼緣處，應(yīng)力值分別為78.6～80.8MPa 和 59.4～60.6MPa。

GHJ-1 和GHJ-2 靠近3#樓支座處截面，最大壓應(yīng)力為16#和12#2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于GHJ-1 和GHJ-2 的下弦下翼緣處，相應(yīng)的測(cè)值分別為-121.7～125.9MPa 和-91.5～-92.4MPa；最大拉應(yīng)力為13#和9#測(cè)點(diǎn)，分別位于GHJ-1 和GHJ-2 的上弦上翼緣處，應(yīng)力實(shí)測(cè)值分別為 67.0～68.4MPa 和 55.9～57.8MPa。

2）支座位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：本監(jiān)測(cè)周期內(nèi)GHJ-1 位移最大值-6.4mm、GHJ-2 位移最大值-4.4mm，測(cè)值均在設(shè)計(jì)允許位移范圍之內(nèi)。位移絕對(duì)值均很小，說(shuō)明桁架支座相對(duì)于4#樓未發(fā)生明顯的滑動(dòng)。

3）撓度監(jiān)測(cè)結(jié)果：GHJ-1、GHJ-2、GHJ-3 3 榀縱向桁架的跨中累積撓度值，滿水狀態(tài)下變化范圍分別為：30.07～30.30mm（7#測(cè)點(diǎn)）、19.81～20.20mm（5#測(cè)點(diǎn)）、36.28～36.54mm（6#測(cè)點(diǎn)），本監(jiān)測(cè)期間內(nèi)泳池一直處于滿水狀態(tài)，各測(cè)點(diǎn)撓度變化值均較小，撓度值均在預(yù)警范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能直接獲取高層建筑結(jié)構(gòu)的健康指標(biāo)，對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題提前預(yù)警，實(shí)時(shí)控制建筑工程質(zhì)量，可以獲取顯著成效，可以推廣應(yīng)用到工程建筑中。