超高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究

申國軍 董秀良 羅玉堂

（鶴壁市平安建設(shè)工程檢測(cè)咨詢有限公司，河南 鶴壁458000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為了滿足社會(huì)需要，大量的新型、復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)在土木工程中出現(xiàn)，很多因素都會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)正常使用造成影響，包括環(huán)境荷載，耐久性問題包括疲勞效應(yīng)和材料老化等，人為因素包括戰(zhàn)爭(zhēng)、錯(cuò)誤的決策和恐怖主義等。為了保證超高層復(fù)雜結(jié)構(gòu)在日常生活辦公中能夠安全的使用，要加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)完善的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)檢測(cè)作為一項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)能夠有效的評(píng)價(jià)施工質(zhì)量以及既有建筑的結(jié)構(gòu)性能，檢測(cè)方法有人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、試驗(yàn)和無損檢測(cè)，而對(duì)于大型的超高層建筑僅僅采用檢測(cè)的方式已不能滿足結(jié)構(gòu)安全性需要，要采取結(jié)構(gòu)的安全性監(jiān)測(cè)，通過有線或無線的手段采集和處理數(shù)據(jù)，診斷出結(jié)構(gòu)的健康狀況。

1 超高層建筑結(jié)構(gòu)的相關(guān)特點(diǎn)

1.1 超高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

超高層建筑耗資多，占地面積和體積較大，服役時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)耐久性要求較高，使用期間受環(huán)境影響材料容易老化損傷，容易發(fā)生危險(xiǎn)事故，災(zāi)情難以控制，這也突出了結(jié)構(gòu)安全保障和災(zāi)情預(yù)警的重要性。

超高層建筑可以分為施工期、運(yùn)營(yíng)期和老化期。施工期間主要考慮豎向變形差異，因?yàn)槠涑兄貥?gòu)件的豎向變形差異會(huì)直接影響施工質(zhì)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(yīng)力的影響，產(chǎn)生的彈性變形會(huì)有附加變形，并隨著時(shí)間逐步增加，所以是不可忽略的；施工過程引起的結(jié)構(gòu)形式改變，會(huì)引起內(nèi)力和變形的變化。所以超高層建筑不僅進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的理論分析，還要實(shí)施全面監(jiān)測(cè)，進(jìn)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(duì)風(fēng)力較為敏感，風(fēng)對(duì)超高層結(jié)構(gòu)的破壞主要為在風(fēng)作用下出現(xiàn)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(fēng)振作用下產(chǎn)生擺動(dòng)，引起人體不適，產(chǎn)期風(fēng)荷載作用下的疲勞破壞等。除了風(fēng)荷載外，超高層建筑還要注意材料老化、構(gòu)件損傷等問題。

1.2 超高層建筑監(jiān)測(cè)內(nèi)容和要點(diǎn)

超高層健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開發(fā)的，主要的監(jiān)測(cè)內(nèi)容有氣候環(huán)境監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)荷載監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)。施工階段主要隨著施工進(jìn)度安裝傳感器和采集傳輸設(shè)備，主要以人工操作為主，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，經(jīng)過分析后和設(shè)計(jì)要求相對(duì)比，及時(shí)的采取糾偏措施，并根據(jù)工程進(jìn)度需要有計(jì)劃的提前做好各種條件下的計(jì)算分析，提供各階段的監(jiān)測(cè)報(bào)告。使用階段通過中心服務(wù)器調(diào)用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別和安全性評(píng)定，包括構(gòu)件的安全評(píng)定和整體安全評(píng)定。

超高層建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要能夠同時(shí)滿足施工期和運(yùn)營(yíng)期的特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目必須同時(shí)包括施工期和運(yùn)營(yíng)期間的檢測(cè)內(nèi)容，能夠?qū)蓚€(gè)時(shí)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)行無縫連接，保證施工期間的數(shù)據(jù)服務(wù)于運(yùn)營(yíng)期，施工時(shí)埋設(shè)好監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并預(yù)留出運(yùn)營(yíng)期的監(jiān)測(cè)原件和設(shè)備位置。施工階段和使用階段很多監(jiān)測(cè)內(nèi)容是相同的，施工階段是控制危險(xiǎn)，使用階段則是發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，兩者相互結(jié)合才能構(gòu)成完整的安全監(jiān)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(jiān)控的理論依據(jù)，引導(dǎo)和優(yōu)化測(cè)點(diǎn)的布置，指導(dǎo)施工中結(jié)構(gòu)標(biāo)高和構(gòu)件長(zhǎng)度的控制。以往的建筑結(jié)構(gòu)分析時(shí)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(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，存在較大的誤差。采用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)可以只對(duì)已施工的階段分析，不影響未施工結(jié)構(gòu)，每個(gè)階段完成后程序?qū)⒔Y(jié)果累加到當(dāng)前階段中，能夠更加接近實(shí)際工程狀況。

在施工分析中混凝土?xí)S著時(shí)間的推移，受到徐變和收縮的影響，澆筑后強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，一段時(shí)間后才能達(dá)到最大值，所以混凝土的彈性變形會(huì)比理論分析值略小。由徐變引起的變形與荷載成線性關(guān)系，高強(qiáng)度混凝土的應(yīng)變會(huì)較小，荷載作用一個(gè)月后徐變發(fā)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?yàn)橄群诵耐埠罂蚣埽具M(jìn)度為每6天完成普通樓層一層，設(shè)備和避難層10天完成一層，核心筒內(nèi)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(jìn)行。

2.2 構(gòu)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(huì)產(chǎn)生彈性變形，隨著時(shí)間的增加混凝土構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)徐變和收縮變形，建筑結(jié)構(gòu)標(biāo)高會(huì)與設(shè)計(jì)標(biāo)高產(chǎn)生一定的差異，處理不當(dāng)會(huì)成為安全隱患，影響施工質(zhì)量。豎向變形的變化一般采用補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行處理，在施工中豎向預(yù)留一定的尺寸，保證實(shí)際標(biāo)高和設(shè)計(jì)標(biāo)高相一致。施工預(yù)留高度是根據(jù)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(shè)計(jì)標(biāo)高相吻合，一般采用平差或拋高的方法，平差根據(jù)施工具體情況可以逐層進(jìn)行或分階段進(jìn)行，對(duì)已施工的樓層設(shè)計(jì)標(biāo)高調(diào)整，調(diào)整值參考施工前變形。拋高是提高樓層的施工高度，調(diào)整值根據(jù)施工后變形確定。可以同時(shí)進(jìn)行平差和拋高調(diào)整，使樓層實(shí)際高度和設(shè)計(jì)高度誤差趨近于零。

2.3 構(gòu)件應(yīng)力分析

施工期間構(gòu)件的應(yīng)力是無法通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論計(jì)算控制的，因?yàn)榛炷翗?gòu)件會(huì)發(fā)生徐變和收縮，上部荷載不斷增加，混凝土澆筑前后鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)力不斷變化，建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件應(yīng)力都處于相對(duì)復(fù)雜的狀態(tài)。

核心筒在施工中各角由剪力墻連接成為桶狀結(jié)構(gòu)，迎風(fēng)面和背風(fēng)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(fēng)面的構(gòu)件總壓力較大。外框架部分柱之間是由桁架連接，腰桁架負(fù)責(zé)水平力的傳遞，整體性較差，在施工中此部分應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)。

2.4 施工期監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

傳感器布置越多，越能更好的描述結(jié)構(gòu)的變形情況，但考慮到經(jīng)濟(jì)因素，要恰當(dāng)?shù)倪x擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以節(jié)約監(jiān)測(cè)費(fèi)用，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置原則為對(duì)結(jié)構(gòu)整體變化能夠完整的描述，測(cè)點(diǎn)得出的信息對(duì)于結(jié)構(gòu)局部變化較為敏感，在滿足這些條件的基礎(chǔ)上，盡量減少傳感器的數(shù)量。

3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)是保證結(jié)構(gòu)的施工和運(yùn)營(yíng)安全性，掌握結(jié)構(gòu)的整體使用狀態(tài)變化，為結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定提供技術(shù)支持，其基本思路為在自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，通過監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的受力和變形狀態(tài)，推斷結(jié)構(gòu)的特性變化，探測(cè)和評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的損傷，從而評(píng)估結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體的安全使用狀態(tài)。

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的步驟為根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力機(jī)制和所采用的材料確定監(jiān)測(cè)內(nèi)容、監(jiān)測(cè)位置；根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)內(nèi)容選擇傳感器；建立傳感器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理；分析得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行安全評(píng)價(jià)和預(yù)警。

3.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及傳感器測(cè)點(diǎn)位置

氣象環(huán)境的監(jiān)測(cè)包括溫度、氣壓、濕度和雨量，監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在核心筒施工界面，并隨施工進(jìn)度調(diào)整位置；風(fēng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)包括風(fēng)速、風(fēng)向等，采用剛性固定支架安裝在核心筒施工界面處；地震監(jiān)測(cè)屬于荷載監(jiān)測(cè)，記錄地震荷載及歷程，采用強(qiáng)震儀以觸發(fā)方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；風(fēng)壓監(jiān)測(cè)傳感器裝在幕墻表面處；關(guān)鍵位置的應(yīng)力和應(yīng)變監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)、動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)、塔樓垂直度監(jiān)測(cè)、豎向變形監(jiān)測(cè)和塔樓頂部水平位移監(jiān)測(cè)等。

［1］張啟偉.大型橋梁健康監(jiān)測(cè)概念與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(1)：65-69.

［2］李勇,閆維明,陳彥江,等.基于傾角測(cè)試的橋梁變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究[J].振動(dòng)與沖擊,2013,32(5)：65-69.

［3］李愛群,繆長(zhǎng)青,李兆霞,等.潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,33(5)：544-548.

［4］瞿偉廉,滕軍,項(xiàng)海帆等.風(fēng)力作用下深圳市民中心屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的智能健康監(jiān)測(cè)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2006,27(1)：1-8,15.