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摘要：超高層建筑具有投資大、結構形式復雜、施工周期長、使用年限長等特點，使得結構施工期間的位移變形控制以及結構運營期間的安全性、適用性和耐久性要求更加嚴格。本文主要闡述了健康監測在超高層建筑中的研究與應用，介紹了應力應變、位移變形、環境溫度、風、振動等在北方地區超高層建筑需要監測的參數以及采用的采集設備，同時介紹了健康監測系統的組成。...

淺談健康監測在超高層建筑中的應用

李建華

（陜西延長石油房地產公司）

 

   工程概況

   延長石油科研中心大樓位于陜西省西安市高新區，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裙房相連。塔樓東側有42層高的外凸玻璃中庭，從救援平臺順勢傾斜而下，和裙房玻璃天窗相連。建成后將成為西安市標志性建筑之一。

 

圖1. 延長石油科研中心大樓效果圖

    延長石油科研中心大樓結構主要由六部分組成：塔樓結構、中庭結構、主入口雨棚、裙房以及三層地下室組成。塔樓結構高度195.45米，地上46層，地下3層。幕墻結構高約180米，外凸并依附于塔樓。主入口雨篷中間無柱，跨度42.8米。裙房5層，高22.8米，分南北兩個主體，主體間隔約27米的中庭，通過若干室內連橋相接，裙樓東側設連體結構報告廳。

    一、監測內容

    延長石油科研中心大樓施工監測和健康監測的重點結構部位為塔樓、中庭采光幕墻結構、主入口雨棚結構以及裙房間連橋結構。

    1、塔樓部分

 

                      圖2.塔樓結構體系組成圖                   圖3.塔樓結構監測參數示意圖

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

    2、中庭采光幕墻鋼結構

    中庭結構體系分為頂區塊03，02和底區塊01兩部分。頂部中庭包含區塊02、03，采用了鋼板梁和受拉懸吊鋼板的體系；底部區塊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構提供重力和水平支撐，一段由獨立裙房結構提供重力和水平支撐。

圖4. 幕墻鋼結構監測參數示意圖

    頂區塊03，02中庭幕墻的重力荷載由懸掛在避難層受拉桿件承擔，水平風和地震荷載由鉸接與塔樓鋼筋混凝土筒體結構的水平鋼板梁傳遞。

    底部區塊采用了門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、門式拉索主桁架和箱型次梁共同承擔，水平風和地震荷載由門式拉索主桁架和連接于塔樓墻體的水平系桿共同承擔。

    3、南側主入口雨篷結構

    如圖5所示，中庭幕墻及玻璃雨篷傳遞來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，最終傳遞到兩側帶支撐鋼框架上。水平荷載主要由雨篷板及設于板內的水平撐傳遞到兩側帶支撐鋼框架上。

圖5. 主入口雨棚鋼結構監測參數示意圖    圖6. 裙房連接橋鋼結構監測參數示意圖

    4、裙房間連橋結構：

    裙房結構和塔樓結構在地面以上由變形縫處分開。西段部分裙房和塔樓結構相連。相連部分裙房采用鋼框架-支撐結構體系。東段獨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計了報告廳和健身房，考慮到連體跨度較大，該部分樓面采用鋼結構組合梁和組合樓面，與組合梁相接的框架柱采用型鋼混凝土組合柱。

    裙房南北兩側由四個連橋相連。連橋采用鋼框架+受拉斜桿的鋼桁架結構體系，兩端支撐于主體結構伸出的懸挑梁上。如圖6所示，

    二、監測儀器及采集設備

    1、應力、應變監測設備

                    圖7.應力、溫度傳感器               圖8.應力、溫度采集設備 

   2、結構位移監測設備

                 圖9.全站儀              圖10.GPS               圖11.靜力水準 

    3、結構振動監測設備

            圖12.采集設備           圖13.加速度傳感器        圖14.頻譜分析——FFT

    4、環境監測設備

圖15.溫度監測傳感器

圖16.風速風向風壓監測設備

三、監測系統

    結構健康監測的系統可以分為現場測試系統和結構性能評估系統。

    1、現場測試系統（硬件部分）

    1）傳感器系統：用于將待測物理量轉變為電信號或者光信號。

    2）數據采集和處理系統：采集各種傳感器的信號，并進行信號預處理。

    3）通訊系統：將采集并處理過的數據傳輸到監控中心，可以通過雙絞線、同軸電纜、網線或者光纖實現各個采集系統之間的連接。

    4）監控中心和報警設備：控制采集設備的運行，并實現與遠程系統管理員的數據雙向交換。利用具備診斷功能的軟硬件對接收到的數據進行診斷，判斷結構損傷的發生、位置、程度，對結構健康狀況做出評估，如發現異常，發出報警信息。

    2、結構性能評估系統（軟件部分）

    1）安全性評估：通過各種可能的、結構允許的測試手段，測試結構當前的工作狀態，并與其臨界失效狀態進行比較，評價其安全等級。

    2）損傷識別 ：結構在受到自然的（如地震，強風等）、人為的破壞，或者經過長時期使用后，通過測定其關鍵性能指標，檢查其是否受到損傷，如果受到損傷，損傷位置、程度如何，可否繼續使用及其剩余壽命等。

     圖17. 現場測試系統

四、結束語

    本文簡單的介紹了健康監測在超高層建筑中的研究和應用，介紹了應力應變、位移變形、環境溫度、風、振動等需要監測的參數以及采集設備，同時介紹了健康監測系統的組成，為以后類似工程的監測提供借鑒依據和參考。

 (本文來源：陜西省土木建筑學會   文徑網絡設計項目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯  劉真 文徑 審核) 

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