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阅读 1669 次 浅谈高层超高层结构健康监测技术的应用

摘要:近几十年来,随着经济的迅速发展,我国高层、超高层建筑技术进一步向“高、深、大、复杂”方向发展。然而,越来越多的土木工程事故及其产生的严重后果,使得人们越来越重视结构健康监测技术的研究。结构健康监测,是指对工程结构实施损伤检测和识别。本文简要介绍了健康监测在高层超高层建筑结构中的应用及发展,施工过程中健康监测主要内容以及健康监测系统的建立。...
 

浅谈高层超高层结构健康监测技术的应用

王鑫娟1,王强1,商钰2

1宝鸡市建筑设计研究院,宝鸡7210002陕西省建筑科学研究院,西安710082

    1、前言

    近年来,我国土木建筑快速发展,设计并兴建了大量的高层建筑、电视塔以及大跨度桥梁等高耸结构物。例如迪拜塔162层、828米高,世界第一高楼;日本东京晴空塔,高度为634.0米;广州塔,又称“小蛮腰”、高600米,小蛮腰的最细处在66层;美国纽约世贸中心约541米;台北101大楼高509米;上海环球金融中心高492m,上海中心大厦设计高度632m等。在强风、地震和温度变化等作用下,高耸结构容易产生过大的变形,从而危及结构安全。此外,超高层建筑在安全、环保、节能等方面均面临很多问题。200784,在建的上海环球金融中心发生火灾事故,200929晚央视新大楼发生大火等,再次引发了人们对超高层建筑公共安全的关注。对高耸结构进行实时监测和诊断,及时发现结构损伤,对可能出现的灾害进行预测,被证明是有效的方法。

    2、结构变形监测

    许多高层建筑在出现危险之前都常常发生较大的变形,因而分析高层建筑变形规律、对高层建筑的变化趋势进行有效预测对高层建筑安全监控、确保高层建筑安全运营具有重要意义。高层结构的位移监测一般包括沉降监测、水平位移监测和倾斜变形监测,其分析的传统方法多局限于离散监测点的位移分析。建筑物变形多为整体变形,是多种因素的综合影响结果,高层建筑结构应采取新的监测方式定期的实现结构整体变形状态的监测。

    1)施工过程中沉降及水平位移监测

选用徕卡TPS1200系列全站仪,测点分为控制点、后视点和监测点。控制点应建立在稳定区内的地面上,最好是同一观测网中的不同点,具体数量根据观测需要而定,坐标可以是以被监测建筑物主轴线建立的局部坐标系下的坐标。后视点应选择一个固定点,并且使得每次观测的数据具有可比性,且减少日照对后视点的影响。监测点应分层设置组成监测面,每个监测面的监测点应设在包括角柱在内的混凝土立柱上,且尽量设在同一平面内,其数量应据具体情况而定,多设为宜。

    2)施工过程中结构整体垂直度监测

    《混凝土结构工程施工质量验收规范》中明确规定:施工中的高层建筑必须进行垂直度监测,且高层现浇混凝土结构全高垂直度允许偏差不得超过H/1000且≤30mm

    常用的垂直度监测方法主要有三种:吊锤线法、经纬仪投测法和激光铅垂仪投测法。前两种方法具有仪器设备简单、施工方法简便的优点,被施工单位广泛采用;但这些方法受外界风力、场地条件影响较大,精度也较低;激光铅垂仪投测法的优点是方便、快捷、直观,对施工场地没有特殊的要求,但预留孔洞的大小在施工中不易掌握,在建筑物上方遮挡物(防护网)较多时也不易使用。随着高精度全站仪中新技术的出现,比如带有无棱镜测距功能、可以用反射片代替反光镜等,这些技术提高了施工过程中结构垂直度的监测。

    3、应力应变监测

    通过理论模型计算,归纳出结构关键受力杆件以及损伤识别需要的敏感性杆件进行应力应变的监测。由于强度是结构安全性的基本条件,若应力应变超出了材料的强度极限,结构一定处在不安全状态;另一方面,通过关键杆件的应力应变识别可以方便的确定结构的损伤程度。目前常用的应力应变传感器有电阻式、振弦式、光线光栅式等。


1 金属电阻丝应变片

 2 BGK4000型应变计示意图

 

    4、结构环境监测

    风荷载是建筑的设计荷载之一,也是高层建筑、高耸结构的主要荷载之一,历史上因风振造成的工程结构坍塌事故时有发生(美国塔科马港湾上的第一座塔科马桥就是在竣工四个月后的1940117毁于68千米/小时的风振)

高层建筑结构的环境监测主要是温度监测和风荷载的监测。大体积混凝土由于其体积庞大,一次性浇筑量大,工程条件复杂,水泥放热速度提高,因而如果施工措施控制不力,极易产生各种混凝土结构裂缝,轻者会影响混凝土的耐久性,重者还会严重影响混凝土的力学性能。因此,对大体积混凝土裂缝进行有效的预防,成为工程界普遍关注的课题。研究表明,对水泥硬化过程中的温度进行控制,可有效防止裂缝的发生。

    5、监测系统的建立

    结构健康监测是一种新的结构无损检测技术,是从实测的结构动力效应信号中提取结构的参数或与结构参数有关的指标并由此推断结构的损伤,是传统结构动力学的反问题,是传感器技术、信号处理技术、结构动力学、概率统计、自动控制和数据库等技术的交叉领域。一般包括以下几个部分。图3为施工过程监测流程图。

    (1)传感器系统,包括传感器元件的选择和传感器网络在结构中的优化布置方案;

    (2)数据采集和分析系统,一般包括强大的采集仪器和计算机系统;

    (3)监控中心,实现诊断功能的各种软硬件,包括结构中损伤位置、程度类型识别的最佳判据。传感器监测的实时信号通过信号采集装置送到监控中心,进行处理和判断,从而对结构的健康状态进行评估。

    

 

      图3 施工过程监测流程图

      5、结论

    结构施工过程的健康监测是一个涉及变形、应力、振动、施工环境等多方面因素实时监测、分析、判断的过程。我们应根据不同过程的结构特点、施工方法及现场环境特点等选择合适的监测方法,从而准确经济安全的完成施工过程的安全检测工作。高层乃至超高层建筑其建设目的是解决居住问题,在有限的空间中合理实现最大化的利用,因此我们不能盲目一味的发展高层超高层建筑,随着时代的发展,把更多的精力投入到高层超高层建筑的安全和居住的舒适性能上。

    参考文献:

    [1]熊海贝.超高层结构健康监测系统概述[J].结构工程师,2006

    [2]孙鸿敏,李宏男.土木工程结构健康监测研究进展[J].防灾减灾工程学报,2003

    [3]范峰,王化杰等.超高层施工监测系统的研发与应用[J].建筑结构学报,2011

    [4]周耀.地铁车站结构健康监测研究[D].北京:北京交通大学博士论文,2008

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