剪切型結構房屋安全監測系統搭建與工程實例

黃灝 HUANG Hao

（上海市普陀區建筑業管理中心，上海200333）

1 工程背景

本文示例小區居民樓位于上海市，建造于1998年，結構類型為砌體結構，樓板采用部分預應力空心板和懸挑板，按抗震要求設置圈梁和構造柱。每幢房屋3或4個單元，一梯兩戶，整體來看結構平面有較大的長寬比。已對小區內房屋進行了安全性能檢測，包括完損狀況、變形情況以及材料強度的檢測，檢測發現小區內居民樓存在不同程度的損傷，包括墻體裂縫、不均勻沉降、房屋整體傾斜等，有一些房屋受損嚴重，有比較大的安全隱患，因此進一步進行房屋安全監測。

項目監測對象選定為一幢4單元居民樓其中最西側單元，這也是損傷最為嚴重的一棟。考慮到砌體結構的破壞通常底層較為嚴重，墻體的裂縫也一般自上而下逐步加重。另外，砌體房屋屬于剛性結構，房屋兩端墻體在溫度變化時會產生較大的溫度應力，也易發生較嚴重破壞。選取端部單元作為監測對象具備合理性，同時選取底層和頂層監測。圖1與圖2為傳感器與采集終端。

圖1 測縫計與采集終端

圖2 加速度傳感器與測縫計

2 安全監測系統架構

房屋安全監測系統可以實時通過傳感器獲取結構的測點數據，并通過計算將其轉化為安全指標，直接指示結構的健康狀態。為了滿足這樣的需求，系統需要：

①選取合適的傳感器并布置在合理的位置；

②足夠可靠的無線傳輸方式以保證數據的實時準確傳輸；

③優化配置的數據庫，以便數據可以快速、穩定的存儲和提取；

④配套的能源供應裝置；

⑤方便終端用戶操作的信息發布平臺。

房屋的安全監測系統架構如圖3所示。

圖3 房屋安全監測系統架構

2.1 傳感器布置

數據采集系統又可以分為傳感元件和數據采集設備兩部分，負責實時、不間斷地監測測點的數據信息。在數據采集系統設計部分，需要先根據監測重點選擇適合的傳感器，優化測點布置，以用最少的測點獲得最多的結構信息。其中，傳感器選擇測縫計，傾角儀、靜力水準儀和加速度傳感器，每個傳感器配置相應的數據采集節點，將采集到的信息匯總給網關。

裂縫的擴張采用測縫計測量，在底層裂縫較嚴重的墻面布設10個測點，在頂層布設1個測點，傳感器采用基康BGK4420-12.5型裂縫計，監測結果通過振弦式讀數儀指示，量程為0-25mm。

靜力水準儀通過監測靜力水準儀液面高低變化，得到兩處墻面的相對沉降。在一層結構外部共設置四個測點，并選取周邊裂縫較少的點作為基準點，計算其他三個靜力水準儀與它的數據差作為沉降監測結果。傳感器采用基康BGK4675-100型靜力水準儀，監測數據同樣通過振弦式讀數儀指示，量程為0-100mm。由于相對沉降可升可降，因此我們需要在布設傳感器時應將液面調整到合適的位置，避免液面過低超過最低量程的情況發生。

兩個雙向加速度傳感器布設在頂層垂直的兩個墻面，使用法國朗斯LC0132T型內裝IC壓電加速度傳感器，頻率范圍為0.05-500Hz，分辨率為6×10-7g。

傾角儀以重力作用線為參考，可測量到角度的變化值，由于角度變化非常小，θ（弧度）近似等于傾斜率——tanθ，通過在房屋墻面安裝的一個X/Y雙向傾角儀即可得到墻面的傾斜變化值。在底層布設3個測點，頂層布設1個測點。量程為±15°，分辨率為1.3×10-3°。

傳感器的布置信息如表1所示，位置示意如圖4所示。圖中①表示測縫計，②表示傾角儀，③表示靜力水準儀，④表示加速度傳感器。

圖4 傳感器布置示意圖

表1 傳感器布置信息

2.2 無線傳輸

根據傳感器類型的不同選擇不同的傳輸形式。兩種振弦式讀數儀指示數據的傳感器先通過ZigBee傳輸，串聯組網，再把數據信息匯總給網關；傾角儀通過2G網絡將數據發送至網關；加速度傳感器同樣采用無線方式組網，通過3G網絡將數據發送至網關，再由網關通過GPRS無線信號上傳數據。

網關使用ZG-01型GPRS網關，將本地監測子網的監測數據包封裝成標準互聯網協議包，通過Internet傳送至云服務平臺，起到了采集子網和現有互聯網絡的轉換和橋接功能。考慮到信號覆蓋范圍，在每一戶房屋設置一個網關，共計3個。

2.3 數據庫和服務器

數據經服務程序接收處理，保存至數據庫，供進一步數據分析處理。兩年的監測時間會產生大量的監測數據，長時間的不間斷運作遇到不穩定的服務器可能會導致服務器崩潰。數據的穩定存儲與調用就要求系統搭載可靠的數據庫。數據通過GPRS實時上傳到服務器，使用者可以隨時通過電腦或者智能手機查看監測數據，對結構安全進行監控。如果監測項目數據類型較多，需要進行更復雜處理時，可以經由網絡將數據上傳至云服務平臺處理。

2.4 信息發布平臺

監測信息的實時發布是安全監測系統相比傳統無線傳感器網絡的一大優勢。若系統選取監測內容可以直接反應結構健康狀態，不需要經過復雜計算獲得安全指標，則可以根據相關規范和實際工程經驗預先設定監測內容預警值，用戶可以隨時查看現場結構監測信息，以監控結構是否在安全狀態。如果選取更復雜的指標作為預警依據，則可以成立安全監測系統網站，將監測數據和運算結果呈表格或圖形化顯示，當結構發生損傷時，用戶可以更直觀的獲取損傷的詳細信息，發生損傷時及時維修處理，達到實時智能化監控的目的。

3 靜態監測數據處理及結構安全性分析

對于剪切型結構房屋安全監測系統，后續數據處理及結構安全性分析部分主要分靜態監測數據與動態監測數據分析兩部分。其中，靜態監測主要為了得到結構的局部損傷信息或是某一瞬態下結構的整體物理指標，一般都將傳感器布設在已經發生損傷的位置，比如結構的不均勻沉降監測、裂縫寬度監測以及墻體傾斜監測等，也就是結構的非振動信號監測。在本項目中，安全監測系統開始工作的時候結構已經發生損傷，因此，對于房屋裂縫、傾斜以及沉降等需要設定初始值的非振動監測數據，以監測開始經過一段穩定工作時間后的數據作為初始數據。監測時，主要監控測量數據的變化值，在數據處理最初階段，認為如果測點數據沒有發生短時大幅波動，則損傷收斂，沒有擴展趨勢。如果監測數據發生較快漲幅，認為損傷加劇，應迅速采取維護措施。因數據量龐大，這里選擇2016年6月的非振動數據（包括裂縫寬度、房屋整體傾斜與不均勻沉降）為例進行分析。

3.1 裂縫情況分析

裂縫是本項目已有的重點損傷形式之一，因此需要在裂縫較嚴重的位置設置測縫計，監控裂縫是否有擴展趨勢。根據《危險房屋鑒定標準》JGJ 125－2016中5.3.3規定[1]選定預警標準，即裂縫在初始值基礎上，有0.5mm的增量即達到預警值。數據采集間隔時間為1小時，圖5為一處裂縫相對初值的寬度增量變化圖，可以看出該處裂縫在觀測時間內沒有擴展趨勢，也未超出預警限值，該處局部損傷沒有發展趨勢。

圖5 裂縫寬度增量變化圖

3.2 房屋整體傾斜分析

墻面的傾斜可以作為房屋整體傾斜判定的依據。根據《危險房屋鑒定標準》JGJ 125－2016中5.3.3規定[1]，墻面傾斜增量達到0.7%即達預警值，即0.007（弧度）。數據采集間隔時間為30秒，圖6為頂層墻體沿房屋縱向傾斜增量變化圖，可以看出該傾斜值在觀測時間內未超出預警限值，說明該墻面整體傾斜情況良好，沒有傾斜趨勢。

圖6 傾斜增量變化圖

3.3 結構不均勻沉降分析

結構的不均勻沉降會帶來較大的局部應力集中，產生裂縫，影響結構整體性。根據國家標準《建筑地基基礎設計規范》GB50007－2011中5.3.4條規定[2]，取監控報警值的70%作為監控預警值，即建筑物相鄰柱基的沉降差監控預警值≤0.0014L（0.002L×70%=0.0014L）（L為相鄰柱基的中心距離（mm）），示例預警值取7mm。數據采集間隔時間為1小時，圖7為底層北面兩處墻體高差變化圖，可以看出未超出預警限值，也就是說沒有較大的相對高差變化。

圖7 相對高差變化圖

4 動態監測數據處理及結構安全性分析

對于剪切型結構房屋安全監測系統，振動數據通常可以反映更多結構信息，通過裂縫計、傾角儀以及靜力水準儀等結構外部觀測儀器所不能觀測到的損傷都可以通過振動信息得以反映。對于振動信號部分，主要考慮結構的加速度響應，對于加速度響應，采用文[3]的損傷識別方法對結構進行損傷識別。因數據量龐大，這里選擇2016年7月至11月中間4天的加速度數據為例進行分析。

根據系統靜態檢測數據分析，發現結構的不均勻沉降在9月后有較小的增大，并且有兩處裂縫計在10月后有較為明顯的數據變化，說明結構在此期間有一定程度的損傷加劇，因此選擇9月前的兩組數據驗證結構未發生損傷擴張時的系統表現，對比10月后結構發生損傷擴張時的監測系統表現來說明系統可以對結構損傷進行識別。

頂層布設了兩個雙向加速度傳感器，選取2016年7月5日的6組數據，8月31日的3組數據，10月9日的3組數據，以及10月31日的3組數據進行分析，每組數據包含4列加速度時程響應，每列時程響應包含6000個數據點，即每組數據形成4×6000的信號矩陣。

將2016年7月5日的第一組數據作為參考信號，分別對之后所選4天一共14組數據應用主成分分析方法與其作對比分析。如圖8～圖11分別為第一組數據中四列加速度數據的時程圖。可以看出圖8與圖10所示加速度數據的平均幅值要大于圖9與圖10所示平均幅值，這說明結構雙向振動幅值有明顯差距，可以從兩個相互垂直的方向綜合分析結構的健康狀況。

圖8 加速度時程圖1

圖9 加速度時程圖2

圖10 加速度時程圖3

圖11 加速度時程圖4

將2016年7月5日的第一組數據作為參考信號，當日第二組數據與其計算得到的主成分殘差的小波包能量譜距離作為參考指標。因為結構短時間內一般不會發生較大損傷，因此將當日的后4組數據與參考信號計算所得指標作為對照指標，如若與參考指標相差不大，即可以認為損傷識別算法有效，小波函數與分解層數選取得當，該監測系統在正常工作。另外，對待測的9組數據進行處理，得到其與參考信號主成分殘差的小波包能量譜距離，以此判斷之后的結構是否有損傷擴展。如表2所示分別為各觀測數據組別對應日期、每組觀測數據包含樣本信號的類型與數量，后述皆用組號與樣本號表示觀測樣本信號，其中，參考指標由樣本1-1和樣本1-2計算得出。

表2 傳感器布置信息

如圖12～圖23所示，分別為通過結構不同測點的加速度響應得到的參考指標與其他待測狀態下的損傷指標的對比直方圖。

圖12 樣本2-1與參考指標對比

圖13 樣本2-2與參考指標對比

圖14 樣本2-3與參考指標對比

圖23 樣本5-2與參考指標對比

從以上圖中可以得到：

①樣本2.1～2.4計算所得的損傷指標與參考指標相比大部分相差都不大，只有樣本2-2和樣本2-4的4號傳感器觀測信號所得的損傷指標偏差較大，考慮是因為短時結構受到較大激勵，振動能量變化較大，或者是單個傳感器受到短時較大振動，因而在該樣本采集時間附近，該處觀測信號得到的損傷指標沒有明顯浮動，整體指標并無太大變化，可以判定結構的損傷狀態沒有發生改變，或者說沒有發生損傷擴展。

圖15 樣本2-4 與參考指標對比

圖16 樣本3-1與參考指標對比

圖17 樣本3-2與參考指標對比

圖18 樣本3-3與參考指標對比

圖19 樣本4-1與參考指標對比

圖20 樣本4-2與參考指標對比

圖21 樣本4-3與參考指標對比

圖22 樣本5-1與參考指標對比

②從樣本3-1～3-3計算所得的損傷指標可以看出與參考指標相比大部分相差不大，只有3-2樣本中1號和4號傳感器指標明顯同時增大，而這兩個傳感器測量方向相同，可以認為是短時內該方向有較大環境激勵，引起觀測信號能量明顯增大。綜合考慮連續三組樣本表現，認為該組樣本采集時，結構并沒有發生較大損傷。

③從樣本4-1～4-3和5-1～5-3計算所得指標可以看出，不同于前兩組指標表現，該兩組信號的損傷指標中有較多指標相較于參考指標有明顯變化，尤其是5-1～5-3樣本組，4個指標中有2到3個指標有明顯的增大。再參考安全監測系統中靜態監測數據的情況分析，發現結構的不均勻沉降在9月后有較小的增大，并且有兩處裂縫計在10月后有較為明顯的數據浮動，其中在一樓的一處裂縫有最大0.3mm的擴張，另一處位于六樓加速度采集點附近的裂縫在11月22日開始于36小時之內先后出現0.5mm的回縮和0.8mm的擴張，這說明結構已有多處損傷不穩定，并且損傷加劇的趨勢。而10月的兩組加速度數據的損傷指標對此已有較敏感的表征，從而說明損傷識別算法有效，該監測系統在正常工作。

5 小結

本文介紹了一種基于物聯網的房屋安全監測系統，并結合損傷識別方法對既有結構進行安全監測。系統通過對結構裂縫寬度變化、傾斜、不均勻沉降以及頂層加速度等信息進行實時采集，獲取我們所需數據，并且指導我們對損傷進行判斷識別。并且通過對上海市某小區居民樓為例，驗證了損傷識別算法的有效性與適用性，闡述了剪切型結構房屋安全監測系統搭建方法。本系統自2016年5月開始投入使用，在保障項目結構安全性的同時，也可以進一步指導今后安全監測系統的理論研究。