超高層建筑安全監測系統設計原則

覃 浩,趙 鳴

(同濟大學土木工程學院,上海 200092)

超高層建筑安全監測系統設計原則

覃 浩,趙 鳴

(同濟大學土木工程學院,上海 200092)

超高層建筑施工期間,建筑結構的剛度、加載方式等都隨著施工過程不斷發生變化,導致結構構件的內力不斷變化。長期受到荷載和環境的作用,結構的安全性和耐久性不斷發生變化。安全監測系統可以實時在線地反映結構構件的受力狀態,能保障超高層建筑安全施工、正常服役。在此以某建筑為例,根據安全監測系統架構的四個方面——傳感器布置,無線數據傳輸,云計算平臺和網站信息發布——介紹其安全監測系統的構成,探討安全監測系統中傳感器的布置原則與選型原則,以及基于結構可靠度給出監測目標的預警閾值。

超高層建筑；結構健康監測；傳感器；設計原則；預警閾值

隨著工程技術的發展和城市化進程的加快,建筑結構朝著更高、更復雜的方向發展,超高層結構安全問題也越來越多地受到社會各界的關注。

超高層建筑具有耗資巨大、結構形式復雜、工期長、使用年限長的特點,施工期間,建筑結構的剛度、加載方式等都隨著施工過程不斷發生變化,并導致結構構件的內力不斷變化。服役期間,結構也將長期受到荷載和環境的作用,結構的安全性和耐久性也不斷發生變化。超高層施工和服役期間發生事故都會帶來生命財產的巨大損失,因此,監測和診斷超高層結構的健康狀態,評估結構的安全性、可靠性具有非常重要的現實意義[1]。

在結構的安全監測系統中,傳感器的布置方案是進行監測的關鍵,傳感器布置良好才能采集到合理有效的數據,這直接影響監測的可靠性[2]。針對高層建筑,在實際監測中要布置多個測點,測點的確定需要理論分析,較有影響的傳感器布置方法主要有：模態動能法[3-4],原點留數法[3],有效獨立法[5]等。

目前傳感器的布置方法,其計算過程復雜,花費時間比較多,效率較低,且一般需要布置非常多的傳感器。本文針對傳感器布置,提出超高層建筑安全監測系統的設計原則。

1 安全監測系統的組成

結構安全監測系統應采用模塊化設計,可分為四層子系統[6-7]：

1.1 傳感器系統

包括加速度計、風向風速儀、位移計、溫度計、應變計及連接介面,利用傳感元件和數據采集設備,全天候、不間斷地監測結構整體工作狀態。

1.2 數據采集和傳輸系統

包括信息采集器及相應的數據存儲設備等,安裝于待測結構中,數據采集后通過網絡實時傳送。

1.3 數據分析和監控系統

包括高性能計算機及分析軟件,在計算機硬件和軟件系統的支持和控制下,通過對測試和采集到的數據進行實時分析及加工處理,判斷損傷的發生位置和程度,向工作人員顯示建筑結構的整體和局部安全狀態。

1.4 信息發布系統

成立安全監測系統的網站,通過監測數據的表格和圖形化顯示,可以直觀地看到建筑結構實時的結構安全監測信息,最后在網上發布監測信息。

由此四層子系統組成的安全監測系統按運行和網絡傳輸流程可分解如圖1所示。

圖1 結構安全監測系統的組成

2 安全監測系統設計原則

安全監測系統的設計首先應該考慮建立該系統的目的和功能,對于特定的結構,建立安全監測系統的目的可以是結構安全性監控和評估或是設計驗證,也可以是研究發展。確定了目的,才能針對需要監測的物理量選擇合適的傳感器,確保監測的有效性；其次,監測系統的規模以及采用的傳感設備和通信設備需要考慮經濟性；目前,安全監測系統正處于高速發展中,為了今后與其他系統的聯合,系統應具有開放性。

2.1 有效性原則

傳感器的布置與安全監測系統的目的密切相關,應根據監測目的,對結構進行分析,結合結構特點,確定需要監測的物理量。最終確定監測的物理量應當有效地反映結構現狀,針對監測目的給出評估結果。這里的有效性既意味著傳感器能夠有效地監測到需要的物理量,也意味著監測得到的數據能針對監測目的給出有效的評估結果。

1)傳感器布置能夠有效監測到需要監測的物理量。應針對需要監測的物理量的量程、精度、靈敏度選擇合適的傳感器,傳感器的布置需要考慮施工以及惡劣環境因素的影響,如高溫、高濕度的環境,保證能夠正確無漏地采集監測數據。

2)監測得到的數據能夠反映建筑結構的實際問題或者經計算后能夠反映建筑結構的實際問題。

3)通過監測得到的數據能夠有效地對建筑結構進行安全性評估。目前，安全監測系統設計規范還不完善,部分監測系統一味地追求傳感器的數量和對結構完整的監測,監測得到的數據并不能對結構進行評估,浪費了人力物力。

4)安全監測系統必須有專家參與設計,以減少系統的不確定性。專家能夠基于結構分析的結果,給出最簡便有效的傳感器布置方案,避免浪費。

2.2 經濟性原則

目前安全監測系統的成本較高,極大地限制了安全監測系統的發展。因此,安全監測系統應滿足經濟性原則。

1)盡量使用低成本的傳感器。安全監測系統的造價比較昂貴,而傳感器是監測系統的核心,為了節約成本,保證經濟性,應選用低成本的傳感器。

2)選用安裝方便的傳感器以及安裝方便的位置,以節省人力物力。

3)監測系統應使維護比較方便。首先系統能夠在線自檢,給維護人員提供系統損傷的位置；另外,埋入式傳感器設置備用測點,外置式傳感器盡可能加以保護。

4)監測系統要求使用方便：部分項目中,由于現場施工的影響,不太利于有線傳輸數據,此時應使用無線傳輸數據。無線傳輸也能使系統調試、維護更方便。

5)提前確定結構維護策略,以節約結構維護費用。結構維護策略應當是安全監測系統的一部分,提前確定能夠在結構出現損傷時及時維護,避免嚴重損傷時的高額費用。

2.3 開放性原則

結構安全監測是多學科理論、方法和技術相互結合交叉的一個新興研究領域,正處于高速發展時期,未來監測系統可能會與其他各種技術相融合,因此系統需要滿足開放性原則。

1)系統應使新的傳感器可以方便地增加。對采集到的數據進行分析后,會進行損傷識別和有限元模型的修正,需要監測的物理量可能會增加。

2)保證傳播手段的豐富性,結構安全性信息發布可以和其他系統聯合。在安全監測系統中,各類儀器應留有備用接口,方便與其他系統聯合。

3)系統信息可以融合到BIM、IOT、RRM等技術中。

此外,系統應該盡早安裝,以便其在施工期間可以進行施工安全性監測,并作為后續服役階段的結構安全監測系統使用；同時應進行標準化設計,作為結構設計的一部分。

3 安全監測系統設計

3.1 工程背景

某工程項目位于江蘇省徐州市,總建筑面積約為23萬m2,框架-核心筒結構,原設計為地下室3層,主樓53層。在該項目工程施工過程中,發現主體結構主要承載鋼管混凝土柱的澆筑工藝出現問題,此時地下車庫結構施工已完成,地上主樓結構施工至地面以上第7層。對主體結構的鋼管混凝土柱密實性進行超聲波檢測與取芯檢測,發現部分鋼管混凝土柱存在內部混凝土不密實情況,對其中的62根鋼管混凝土柱進行加固處理。但是,由于該項目受現場檢測條件限制,在實現既有鋼管混凝土柱的全數檢測的基礎上,難以實現該柱所有部位的全數檢測。因此,實際工程中仍可能存在混凝土密實度不足的部位,這些缺陷隱患對主體結構的安全性依然存在未知影響。

為保障該建筑在后續施工過程以及服役階段的安全性,對該工程的高層建筑的結構響應,特別是地下室及底層鋼管混凝土柱的響應進行實時監測。

3.2 傳感器選型

目前傳感器的種類很多,要根據所需監測的目的,綜合考慮測量對象和測量環境、測量精度和靈敏度、測量的穩定性,選擇最合適的傳感器。在該項目中,監測內容為：關鍵構件應力應變、層間位移角和結構整體的動力特性,經過比較和優選,選用SJ-GBY型工具式表面應變傳感器測量監測構件的應力應變,選用基于MEMS傳感器技術傾角儀監測層間位移角,選用力平衡式加速度儀監測樓層的加速度。

3.3 傳感器布置

3.3.1 傳感器實用布置方法

傳統的布置方法計算過程復雜,花費時間比較多,效率較低,一般需要布置非常多的傳感器,且部分監測信息在實際工程中,無法直接對結構安全性進行評定,因此需要一種能運用到實際工程中的傳感器布置方法。傳感器應布置在：

1)靜力分析中內力較大的構件。指結構在施工和使用階段構件內力達到極限承載力一定百分比,梁、柱、墻等結構構件根據不同樓層不同部位,確定不同的比例。

2)結構已存在的損壞處,包括已修補的部位。

3)施工過程模擬驗算中內力變化較大的構件。超高層建筑在施工期間是一個變結構、變剛度、變荷載,以及材料特性不斷變化的時變結構體系[8]。施工過程中可能會出現內力急劇變化的構件,這種構件在初期監測中內力很小,容易被忽略,但隨著施工的進行,內力迅速增大,影響結構安全性。

4)動力分析中受力性質發生改變的構件。構件受力性質的改變會使構件產生疲勞損傷,在監測過程中應引起重視。

5)結構關鍵性構件。在連續性倒塌分析和敏感性分析中,重要性系數較高的構件[9]。

3.3.2 構件應變及層間位移監測

本項目中應變監測點主要布置在鋼管混凝土柱上,包括鋼管混凝土柱的外表面與內部混凝土。為獲得可靠的鋼管內混凝土壓應力數據,應充分利用前期鋼管混凝土密實度檢測的測點取芯孔布置監測點。層間位移的監測：每層選取若干鋼管混凝土柱,在柱頂和柱底分別布置傾角儀,監測層間位移角。

3.3.3 結構動力特性監測

動力加速度測點全部布置在各施工關鍵階段的主體結構頂層,由于主體結構斷面呈方形,沿結構各向最外側邊柱與核心筒最外側墻面位置處選擇8個斷面,每個斷面布置鉛垂方向以及水平兩個方向各一臺加速度計。通過每層一系列加速度儀的監測結果,對結構的動力特性進行監測,評估結構安全性。

3.4 無線傳輸

施工期間,不便架設有線傳輸系統,故采用GPRS無線傳輸網絡,將數據傳輸到遠端服務器上。具體實現方法是將鋼管混凝土柱上布置的應變傳感器集成一個GPRS傳輸模塊,每一層的傾角儀傳感器集成一個GPRS傳輸模塊,以實現互聯網遠程監測和數據實時采集。

3.5 云計算服務器

每個采集點使用不同的通信頻段,分別與對應的無線收發器進行數據傳輸,所有無線收發器通過高速傳輸線路接入至中心路由器,中心路由器通過千兆網將數據傳輸至數據服務器。

數據中心除了具備數據服務器外,另設一個WEB服務器,WEB服務器向Internet網提供WEB服務,注冊的用戶可以登陸服務器網站查看數據。

WEB服務器建立防火墻,與數據服務器通過內部局域網連接,數據服務器不可直接由Internet訪問,以防止受到網絡攻擊使數據遭到破壞。

3.6 網上發布監測信息

成立安全監測系統的網站,通過監測數據的表格和圖形化顯示,可以直觀地看到建筑結構實時的安全監測信息。對結構的安全狀態進行分級預警,針對不同的預警級別,網站上給出不同的提醒或者警示。達到了超高層建筑智能化監控的目的。

4 基于可靠度的分級預警策略

各類工程結構中,包括鋼管混凝土結構,在其設計、施工、運營等各階段都不可避免存在大量的不確定因素,如結構的物理性質、幾何參數等結構本身的屬性和結構所承擔的荷載。由于各種因素的隨機性,把力學問題和統計方法結合起來處理工程問題,已日益受到工程師們的重視。

可靠度是從概率意義上度量結構可靠性大小的尺度,比安全度的含義更廣泛,更能反映結構的可靠程度。在監測預警系統中,基于可靠度的預警策略,能更加準確的對結構安全進行預警。

4.1 可靠度分析

結構的極限狀態通過描述結構的功能函數定義。設X1,X2,…,Xn為影響結構功能的n個隨機變量,結構功能函數可表達為：

(1)

顯然,當Z=0時,結構處于極限狀態；極限狀態Z=0將隨機變量空間劃分為兩個區域：安全域,Z>0；失效域,Z<0。

我們通常用計算結構在規定時間內和規定條件下不滿足預定要求的概率,即結構失效概率,來描述結構可靠度問題。表達式為[10]：

(2)

經過數年的發展,在結構可靠度分析領域主要形成四類計算方法,分別是矩方法、數字模擬方法、函數替代方法和概率密度演化方法。每一類方法都有各自的優點與應用范圍,矩方法計算原理簡單,計算效率高,但是針對復雜問題往往精度不夠,甚至不能得到正確結果。數字模擬方法通用性很好,唯一的缺點是計算的效率較低,很難應用于工程實際中。函數替代方法主要用于解決工程中具有隱式狀態函數的結構可靠度分析問題[11]。但這三種方法無法解決經典的結構體系可靠度分析的問題：組合爆炸和相關失效。

近幾年,概率密度演化法成功地應用于結構可靠度分析領域。此方法通過結構響應的概率密度函數獲得結構的可靠度,一方面結構響應的概率密度函數包含結構中所有的概率信息;另一方面不用擔心狀態函數的復雜形式。

考慮廣義概率密度演化方程,以點演化途徑求解此可靠度問題[12]：

(3)

其中,Z表示所感興趣的單個物理量,針對本例框架核心筒,層間位移角是我們所感興趣的物理量Z,即作為判定結構可靠度的指標。Θ為隨機因素的集合,包括結構參數的隨機性,荷載隨機性。

(4)

其中,θq是一個隨機變量組成的向量。可以將一段時間監測目標的監測數據作為狀態空間,則此監測物理量即為一個分布已知的隨機變量,即：

(5)

其中隨機變量Xj1,Xj2,…,Xjn的狀態空間是基于監測得到的數據。

(6)

即可得到層間位移角Z的概率密度函數。則失效概率：

Pf=Pz(zi-zlim>0)

(7)

式中,zi為第i層層間位移角,zlim為層間位移角限值,可針對不同目標要求確定合理的限值。據上式可得到每層層間位移角的失效概率,也可得到對應的可靠度β。取所有樓層的最小可靠度作為整體結構可靠度。

4.2 預警閾值

結構可靠度評估的安全控制準則是可靠指標不小于目標可靠指標。目標可靠度的確定應以達到結構可靠與經濟上的最佳平衡為原則,一般需考慮以下四個因素：1)公眾心理；2)結構重要性；3)結構破壞性質；4)社會經濟承受力[10]。

文獻[10]指出,對于工程結構來說,可以認為年失效概率小于1×10-4是較安全的,年失效概率小于1×10-5是安全的,年失效概率小于1×10-6則是很安全的。一般結構的實際基準期為50年,因此當結構的設計基準期內失效概率分別小于5×10-3,5×10-4,5×10-5時,可以認為結構較安全、安全和很安全,相應的可靠度指標約為2.5～4.0。

根據上述,考慮公眾心理、本例結構重要性、本例結構破壞性質及社會經濟承受力等因素,參考失效概率5×10-3,5×10-4,5×10-5,可以得到相應正態分布條件下的可靠度,制定本例監測系統分級預警的可靠度指標,見表1。利用廣義概率密度演化法計算得到整體結構的可靠度,即可根據表1不同預警級別可靠度指標進行預警。

表1 不同預警狀態對應的可靠度指標

5 結 語

1)本文以某建筑為例,介紹其安全監測系統的構成,包括傳感器布置,無線數據傳輸,云計算平臺和網站信息發布四個部分;具有安裝方便,能實時監測超高層建筑施工時期和運營時期的應力、應變的特點。此監測系統也可以方便地運用到其他工程中,具有重要的工程運用價值。

2)探討并給出了安全監測系統的設計原則為有效性、經濟性、開放性,對結構安全監測系統的設計有著指導意義,保證了系統有效經濟的運行、監測,同時也有著和其他系統相結合的潛力,從而有力地推動了安全監測的研究。

3)本文給出的實例,詳細地闡述了安全監測系統各部分的組成,傳感器的安裝位置,監測數據的采集、傳輸、分析,基于可靠性的分級預警閾值,是一個安全監測系統的典型案例,具有極大的參考價值。

4)本文存在的不足以及后期研究的方向如下：首先,目前安全監測系統的設計原則是基于工程師多年的經驗制定的,希望通過概率密度演化法,引入一些理論分析與研究,用于支持本文所提出的設計原則；其次,將監測量作為概率密度演化分析方法實施工程中的基本隨機變量,此引入的監測量與結構體系可靠度變化的敏感性問題,需要進一步研究；最后,由于在結構隨機響應的密度演化分析方法中,多維隨機變量空間中離散代表點的選取對分析過程的精度和效率是非常重要的,針對本問題,如何進行選點才能達到預警所需要的精度,需要進一步的研究。

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Design Discipline of the Safty Monitoring System for the Super-High-Rise Buildings

QINHao,ZHAOMing

2016-11-07

覃 浩(1992—)，男，湖北宜昌人，碩士在讀。

TP274

B

1008-3707(2017)01-0010-05