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摘要：近幾十年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)高層、超高層建筑技術(shù)進(jìn)一步向“高、深、大、復(fù)雜”方向發(fā)展。然而，越來(lái)越多的土木工程事故及其產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，使得人們?cè)絹?lái)越重視結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，是指對(duì)工程結(jié)構(gòu)實(shí)施損傷檢測(cè)和識(shí)別。本文簡(jiǎn)要介紹了健康監(jiān)測(cè)在高層超高層建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及發(fā)展，施工過(guò)程中健康監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容以及健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立。...

 

淺談高層超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

王鑫娟1，王強(qiáng)1，商鈺2

（1寶雞市建筑設(shè)計(jì)研究院，寶雞721000，2陜西省建筑科學(xué)研究院，西安710082）

    1、前言

    近年來(lái)，我國(guó)土木建筑快速發(fā)展，設(shè)計(jì)并興建了大量的高層建筑、電視塔以及大跨度橋梁等高聳結(jié)構(gòu)物。例如迪拜塔162層、828米高，世界第一高樓；日本東京晴空塔，高度為634.0米；廣州塔，又稱(chēng)“小蠻腰”、高600米，小蠻腰的最細(xì)處在66層；美國(guó)紐約世貿(mào)中心約541米；臺(tái)北101大樓高509米；上海環(huán)球金融中心高492m，上海中心大廈設(shè)計(jì)高度632m等。在強(qiáng)風(fēng)、地震和溫度變化等作用下，高聳結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生過(guò)大的變形，從而危及結(jié)構(gòu)安全。此外，超高層建筑在安全、環(huán)保、節(jié)能等方面均面臨很多問(wèn)題。2007年8月4日，在建的上海環(huán)球金融中心發(fā)生火災(zāi)事故，2009年2月9日晚央視新大樓發(fā)生大火等，再次引發(fā)了人們對(duì)超高層建筑公共安全的關(guān)注。對(duì)高聳結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，對(duì)可能出現(xiàn)的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)，被證明是有效的方法。

    2、結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)

    許多高層建筑在出現(xiàn)危險(xiǎn)之前都常常發(fā)生較大的變形，因而分析高層建筑變形規(guī)律、對(duì)高層建筑的變化趨勢(shì)進(jìn)行有效預(yù)測(cè)對(duì)高層建筑安全監(jiān)控、確保高層建筑安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義。高層結(jié)構(gòu)的位移監(jiān)測(cè)一般包括沉降監(jiān)測(cè)、水平位移監(jiān)測(cè)和傾斜變形監(jiān)測(cè)，其分析的傳統(tǒng)方法多局限于離散監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移分析。建筑物變形多為整體變形,是多種因素的綜合影響結(jié)果，高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采取新的監(jiān)測(cè)方式定期的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體變形狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

    1）施工過(guò)程中沉降及水平位移監(jiān)測(cè)

    選用徠卡TPS1200系列全站儀，測(cè)點(diǎn)分為控制點(diǎn)、后視點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)�？刂泣c(diǎn)應(yīng)建立在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的地面上，最好是同一觀測(cè)網(wǎng)中的不同點(diǎn)，具體數(shù)量根據(jù)觀測(cè)需要而定，坐標(biāo)可以是以被監(jiān)測(cè)建筑物主軸線(xiàn)建立的局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。后視點(diǎn)應(yīng)選擇一個(gè)固定點(diǎn)，并且使得每次觀測(cè)的數(shù)據(jù)具有可比性，且減少日照對(duì)后視點(diǎn)的影響。監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)分層設(shè)置組成監(jiān)測(cè)面，每個(gè)監(jiān)測(cè)面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)在包括角柱在內(nèi)的混凝土立柱上，且盡量設(shè)在同一平面內(nèi)，其數(shù)量應(yīng)據(jù)具體情況而定,多設(shè)為宜。

    2）施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)整體垂直度監(jiān)測(cè)

    《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中明確規(guī)定：施工中的高層建筑必須進(jìn)行垂直度監(jiān)測(cè)，且高層現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)全高垂直度允許偏差不得超過(guò)H/1000且≤30mm。

    常用的垂直度監(jiān)測(cè)方法主要有三種：吊錘線(xiàn)法、經(jīng)緯儀投測(cè)法和激光鉛垂儀投測(cè)法。前兩種方法具有儀器設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方法簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，被施工單位廣泛采用；但這些方法受外界風(fēng)力、場(chǎng)地條件影響較大，精度也較低；激光鉛垂儀投測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是方便、快捷、直觀，對(duì)施工場(chǎng)地沒(méi)有特殊的要求，但預(yù)留孔洞的大小在施工中不易掌握，在建筑物上方遮擋物（防護(hù)網(wǎng)）較多時(shí)也不易使用。隨著高精度全站儀中新技術(shù)的出現(xiàn)，比如帶有無(wú)棱鏡測(cè)距功能、可以用反射片代替反光鏡等，這些技術(shù)提高了施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)垂直度的監(jiān)測(cè)。

     3、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)

    通過(guò)理論模型計(jì)算，歸納出結(jié)構(gòu)關(guān)鍵受力桿件以及損傷識(shí)別需要的敏感性桿件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測(cè)。由于強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)安全性的基本條件，若應(yīng)力應(yīng)變超出了材料的強(qiáng)度極限，結(jié)構(gòu)一定處在不安全狀態(tài)；另一方面，通過(guò)關(guān)鍵桿件的應(yīng)力應(yīng)變識(shí)別可以方便的確定結(jié)構(gòu)的損傷程度。目前常用的應(yīng)力應(yīng)變傳感器有電阻式、振弦式、光線(xiàn)光柵式等。

圖1 金屬電阻絲應(yīng)變片 

圖2 BGK4000型應(yīng)變計(jì)示意圖 

    4、結(jié)構(gòu)環(huán)境監(jiān)測(cè)

    風(fēng)荷載是建筑的設(shè)計(jì)荷載之一,也是高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)的主要荷載之一,歷史上因風(fēng)振造成的工程結(jié)構(gòu)坍塌事故時(shí)有發(fā)生(美國(guó)塔科馬港灣上的第一座塔科馬橋就是在竣工四個(gè)月后的1940年11月7日毀于68千米/小時(shí)的風(fēng)振)。

    高層建筑結(jié)構(gòu)的環(huán)境監(jiān)測(cè)主要是溫度監(jiān)測(cè)和風(fēng)荷載的監(jiān)測(cè)。大體積混凝土由于其體積龐大，一次性澆筑量大，工程條件復(fù)雜，水泥放熱速度提高，因而如果施工措施控制不力，極易產(chǎn)生各種混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，輕者會(huì)影響混凝土的耐久性，重者還會(huì)嚴(yán)重影響混凝土的力學(xué)性能。因此，對(duì)大體積混凝土裂縫進(jìn)行有效的預(yù)防，成為工程界普遍關(guān)注的課題。研究表明，對(duì)水泥硬化過(guò)程中的溫度進(jìn)行控制，可有效防止裂縫的發(fā)生。

    5、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立

    結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是一種新的結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，是從實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力效應(yīng)信號(hào)中提取結(jié)構(gòu)的參數(shù)或與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的指標(biāo)并由此推斷結(jié)構(gòu)的損傷，是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的反問(wèn)題，是傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、概率統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)的交叉領(lǐng)域。一般包括以下幾個(gè)部分。圖3為施工過(guò)程監(jiān)測(cè)流程圖。

    （1）傳感器系統(tǒng)，包括傳感器元件的選擇和傳感器網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化布置方案；

    （2）數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，一般包括強(qiáng)大的采集儀器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；

    （3）監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)診斷功能的各種軟硬件，包括結(jié)構(gòu)中損傷位置、程度類(lèi)型識(shí)別的最佳判據(jù)。傳感器監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集裝置送到監(jiān)控中心，進(jìn)行處理和判斷，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

 

圖3 施工過(guò)程監(jiān)測(cè)流程圖

    5、結(jié)論

    結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的健康監(jiān)測(cè)是一個(gè)涉及變形、應(yīng)力、振動(dòng)、施工環(huán)境等多方面因素實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析、判斷的過(guò)程。我們應(yīng)根據(jù)不同過(guò)程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工方法及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境特點(diǎn)等選擇合適的監(jiān)測(cè)方法，從而準(zhǔn)確經(jīng)濟(jì)安全的完成施工過(guò)程的安全檢測(cè)工作。高層乃至超高層建筑其建設(shè)目的是解決居住問(wèn)題，在有限的空間中合理實(shí)現(xiàn)最大化的利用，因此我們不能盲目一味的發(fā)展高層超高層建筑，隨著時(shí)代的發(fā)展，把更多的精力投入到高層超高層建筑的安全和居住的舒適性能上。

    參考文獻(xiàn)：

    [1]熊海貝、超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述結(jié)構(gòu)工程師，2006

    [2]孫鴻敏、李宏男.土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2003

    [3]范峰、王化杰等、超高層施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011

    [4]周耀、地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究北京：北京交通大學(xué)博士論文，2008

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)     文徑網(wǎng)絡(luò)：劉軍 呂琳琳 編輯  劉真 文徑 審核) 

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