建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化動態(tài)變形監(jiān)控與評估系統(tǒng)設(shè)計

覃亞偉， 譚適齡， 蔣 駿， 蔡惟鑫

(1. 華中科技大學(xué) a． 土木工程與力學(xué)學(xué)院； b． 控制結(jié)構(gòu)湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430074；2.中國地震局地震研究所， 湖北 武漢 430071；3.華中科技大學(xué) 物理學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

超高層、大跨度和一些歷史建筑等重要建筑物在長期營運中，由于不斷地受到地質(zhì)條件變遷、地震、強臺風(fēng)、地下水和地層沉降不均的影響；隨著建筑物結(jié)構(gòu)服役營運齡期的增加，在環(huán)境侵蝕、材料老化、荷載長期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)等的作用下，結(jié)構(gòu)損傷累積、抗力下降。改變和降低了結(jié)構(gòu)抵抗災(zāi)害的能力，降低了建筑物抵御突發(fā)災(zāi)害性事故的能力。

隨著地學(xué)災(zāi)害和特大事件形勢的發(fā)展，愈演愈烈的自然災(zāi)害和人為事故，造成了對建筑物的嚴(yán)重破壞，人民生命財產(chǎn)安全受到嚴(yán)重的威脅。為此，提高和強化建筑物安全監(jiān)控，對在運營中的建筑物結(jié)構(gòu)的動態(tài)變形健康監(jiān)控和安全評估等問題越來越被人們關(guān)注和重視。

雖然國、內(nèi)外專家在建筑物健康狀態(tài)的損傷診斷與安全評估方面做了不少的努力。但是，過去的監(jiān)控技術(shù)尚不能實現(xiàn)高速數(shù)字采集，監(jiān)控響應(yīng)精度不高，從而阻礙了建筑物結(jié)構(gòu) “指紋特征” 健康診斷和安全評估事業(yè)的進展[1]。

提高建筑物結(jié)構(gòu)健康安全的測試與診斷技術(shù)水平，涉及到信息采集和處理技術(shù)、干擾抑制技術(shù)、模式識別技術(shù)、健康安全性分析、壽命估計等領(lǐng)域，是一個綜合性的研究課題[2]。人們面對特大災(zāi)害和重大事件的慘痛教訓(xùn)，在進行認真地反思和總結(jié)的基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)災(zāi)害形勢發(fā)展的需要，隨時掌握且保障運營中建筑物結(jié)構(gòu)的安全性，采用新興的科技新成果和新方法對重要的工程結(jié)構(gòu)健康狀況進行動態(tài)變形監(jiān)測和安全評估是十分迫切和必要的。

隨著大建設(shè)高潮的逐步推移，我們分析現(xiàn)今在建筑物結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中的幾種常用的傳統(tǒng)方法和GPS方法等的特點，總結(jié)在災(zāi)害防御中的動態(tài)變形監(jiān)測技術(shù)和預(yù)測研究的長期經(jīng)驗，結(jié)合建筑物結(jié)構(gòu)“指紋特征” 健康診斷學(xué)科發(fā)展的技術(shù)要求，充分應(yīng)用現(xiàn)代科技和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的科技成果，綜合運用現(xiàn)代傳感、數(shù)字采集及寬帶網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)、在軟件系統(tǒng)支撐下，研發(fā)具備高精度、大量程、長期穩(wěn)定、高速采樣、無人值守等功能特征的“重要建筑物結(jié)構(gòu)健康診斷的數(shù)字化動態(tài)變形監(jiān)控與安全評估系統(tǒng)”(以下簡稱“系統(tǒng)”)[1]。為實現(xiàn)對超高層、大跨度重要建筑物結(jié)構(gòu)的動態(tài)變形和振動的監(jiān)控和安全評估的現(xiàn)代化做技術(shù)準(zhǔn)備。

建筑物三維動態(tài)變形的監(jiān)控將反映出建筑結(jié)構(gòu)的剛度特性的改變，從而獲得建筑物的動力特性即獲取了結(jié)構(gòu)的“粗指紋”。進行“指紋特征” 健康診斷，可作為評價該建筑物的健康安全狀態(tài)的主要指標(biāo)。也可為驗證設(shè)計理論和運營管理提供安全評估信息[3，4]。

“系統(tǒng)”可以隨著建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)控布置的需求，進行分布式的設(shè)計和組合。該系統(tǒng)將對建筑物的結(jié)構(gòu)進行長期的動態(tài)變形和振動化監(jiān)測，推進了建筑物營運安全“指紋特征”健康診斷的發(fā)展。

“系統(tǒng)”進行實際性的結(jié)構(gòu)變形和振動的長期動態(tài)觀測，并進行適當(dāng)?shù)挠嬎?，不僅可檢驗實際觀測結(jié)果與理論設(shè)計的偏差，而且還可檢測建筑物自身結(jié)構(gòu)的性能。由此，對國內(nèi)建筑設(shè)計和規(guī)范的完善有指導(dǎo)、參考價值，有利于以后同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計。事實上，也是為同類結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實環(huán)境中做了“地震模擬實驗”和“風(fēng)洞實驗”。

1 建筑物結(jié)構(gòu)變形常用幾類監(jiān)測方法特點的分析

為保證建筑物施工和運營期間的安全，按現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范和要求，目前通常用一些傳統(tǒng)的監(jiān)測手段和方法對建筑物進行健康診斷和安全評估監(jiān)測。常見的一些傳統(tǒng)方法有[5]:

(1)模型試驗。即對建筑物模型在風(fēng)洞實驗室或振動臺上進行試驗。但是，近地風(fēng)有顯著的紊亂性、隨機性。風(fēng)洞模擬狀態(tài)與實際情況出入很大。振動臺又很難達到高頻率和大位移的統(tǒng)一。

(2)數(shù)值模擬。用計算機把離散的變量進行模擬，描述建筑物的結(jié)構(gòu)安全的演變。

(3)全站儀自動掃描測量。缺點是在臺風(fēng)、暴雨等自然條件下，激光很難跟蹤目標(biāo)，實時性差，各測點不同步，大變形量很難觀測。

(4)激光準(zhǔn)直方法。一般放在如電梯井內(nèi)，測量基、頂部相對變化，測量精度約10～20角秒。光點發(fā)散誤差大(約15～30 mm)，受電梯內(nèi)氣流影響，造成光斑晃動，難以測量。

(5)加速度測量。把加速度計放在建筑物上，測量建筑物在外界荷載作用下振動時的加速度，經(jīng)過二次積分求出位移值。但是建筑的整體慣性偏移速度較慢，故積分精度不高，達不到厘米級精度。另外，濾波器難以選擇到實際異常信號，安裝、布線也困難，難以實時進行位移監(jiān)測。

以上傳統(tǒng)方法所獲得的數(shù)據(jù)，難以做到對重要建筑物進行精確、連續(xù)和動態(tài)的健康安全診斷，更難以及時發(fā)現(xiàn)或評估結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷位置和評估危險程度。

當(dāng)今，人們移植和利用GPS技術(shù)，對運營中的重要建筑物結(jié)構(gòu)進行動態(tài)變形的健康診斷和安全評估。因為GPS測量方法具有獨特的優(yōu)越性，可以克服或避免常規(guī)傳統(tǒng)方法的一些不足。但是GPS方法應(yīng)用在對建筑物健康診斷方面，它也存在著一些不盡人意之缺陷。相對常規(guī)傳統(tǒng)方法而言，GPS方法具有各測站無需通視；全天候作業(yè)；無人值守；實時定位精度水平面可達10 mm、高程可達20 mm；觀測時間短(2秒內(nèi)完成10次/秒的作業(yè))；還能同時測定三維的動、靜態(tài)坐標(biāo)(相對傳統(tǒng)方法，不需要水平、垂直位移分別測量)；操作方便等特征。但是，在建筑物結(jié)構(gòu)長期動態(tài)變形監(jiān)測中應(yīng)用GPS方法還存在一定的局限性，如：

(1)GPS的載波相位觀測值含有較多的噪聲，處理方法復(fù)雜，信號處理難獲準(zhǔn)確。

(2)GPS方法，對超高層、大跨度建筑物進行動態(tài)變形測量作業(yè)中，只能對建筑物頂部的位移進行靜、動態(tài)的三維測量，尚不能對建筑物內(nèi)部各有關(guān)重要部位的變形位移和振動特征進行動態(tài)連續(xù)測量。為此，GPS的觀測數(shù)據(jù)用于結(jié)構(gòu)損傷識別和建構(gòu)的整體特征描述是不夠的，不能反映建筑物結(jié)構(gòu)各重要部位的動態(tài)變形狀態(tài)。

(3)GPS方法必需應(yīng)用四個以上的衛(wèi)星，采用集成接收機。偽信息、噪聲的識別和排除是一個復(fù)雜的過程，形成數(shù)據(jù)運用的復(fù)雜性和非直觀性。制約了觀測精度的穩(wěn)定。

但是，GPS測量方法與常規(guī)傳統(tǒng)方法相比，有其長足的發(fā)展。是應(yīng)用新技術(shù)成果對建筑物結(jié)構(gòu)動態(tài)變形監(jiān)控的一種新方法。

2 系統(tǒng)的構(gòu)建

超高層、大跨度的重要建筑物的設(shè)計不僅有很詳細的理論設(shè)計參數(shù)，而且還有遭受地震和臺風(fēng)時建筑物的理論振動參數(shù)值。但是，自然災(zāi)害的襲擊、地質(zhì)環(huán)境的變遷、建筑結(jié)構(gòu)的老化等因素對建筑物的綜合作用，使建筑物在偏離設(shè)計的安全要求中運營。當(dāng)前常用的一些對建筑物變形監(jiān)控的一些方法，還遠不能適應(yīng)對建筑物結(jié)構(gòu)動態(tài)變形與振動的建康診斷和安全評估的學(xué)科發(fā)展和應(yīng)急決策的需求。為此，研發(fā)對“重要建筑物結(jié)構(gòu)健康診斷的數(shù)字化動態(tài)變形與評估系統(tǒng)”是十分必要和十分迫切的?！跋到y(tǒng)”是利用新技術(shù)的應(yīng)用和研發(fā)，提高對建筑物動變形監(jiān)控和安全評估的功能，推進和提高城市建設(shè)和減災(zāi)、防災(zāi)的能力。

“系統(tǒng)”針對不同建筑物的結(jié)構(gòu)特征，按其監(jiān)控目的宗旨和技術(shù)要求，在建筑物結(jié)構(gòu)的一些重要部位，布設(shè)“系統(tǒng)”的專用傳感換能儀器及其數(shù)采、數(shù)傳裝置等。在軟件的支撐下，對其各點位的觀測數(shù)據(jù)按預(yù)先設(shè)定的采樣速率實時地進行數(shù)據(jù)的采集與傳送?！跋到y(tǒng)”在我國的大型水利樞紐的建筑工程(如水力發(fā)電廠、溢流壩體、防滲墻等)[6]、超高層建筑物不同高層結(jié)構(gòu)部位的動態(tài)變形的長期監(jiān)控、核電站的核島工程中的動態(tài)變形監(jiān)控(如巴基斯坦核電工程)、火山和斷層活動性的動態(tài)變形監(jiān)控(如大西洋的加那里火山群島中的動態(tài)變形和熱流監(jiān)控)等工程中的長期應(yīng)用[7，8]?！跋到y(tǒng)”經(jīng)過長年高采樣率、多點位的運行，取得長時段、接近零故障率的動態(tài)變形連續(xù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，為健康診斷和安全評估的判別奠定了重要基礎(chǔ)[9]。以某超高層大廈為例，其“系統(tǒng)”構(gòu)建原理框圖如圖1。

圖1 重要建筑物結(jié)構(gòu)健康診斷的數(shù)字化動態(tài)變形監(jiān)控與安全評估系統(tǒng)原理框圖

如原理框圖所示，“系統(tǒng)”是由傳感、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)控、時間服務(wù)、通訊、診斷分析與安全評估等子系統(tǒng)構(gòu)成。

2.1 傳感器子系統(tǒng)

重要建筑物結(jié)構(gòu)健康的動態(tài)變形監(jiān)測與安全評估的發(fā)展，適應(yīng)災(zāi)害形勢發(fā)展的需要，必須迅速改變監(jiān)控技術(shù)停滯在人工-模擬實驗、監(jiān)控響應(yīng)精度不高的狀態(tài)。研發(fā)高精度、大量程、長期穩(wěn)定的、適用于高速數(shù)字采集的傳感器，以獲得建筑物結(jié)構(gòu)動態(tài)變化海量的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)智能化的自動監(jiān)測和診斷評估奠定基礎(chǔ)。

例如，本系統(tǒng)在上海一座超高層建筑物中采用的傳感儀器子系統(tǒng)是運用鉛垂擺恒指地心的原理，在擺體上用差動電容式電子傳感器換能。當(dāng)被測樓體發(fā)生傾變時，則樓體各層的傳感儀器傾變角度與各層傾變擺系的變化呈線性一一對應(yīng)。其變化量通過前置放大器轉(zhuǎn)換為電量輸出，輸出信號傳送至數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。具有靈敏度高、線性范圍大和信噪比高的特點。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)

傳感子系統(tǒng)輸出的傾變(及沉降不均等)信號，通過多通道數(shù)據(jù)采集接口進入數(shù)據(jù)采集工控機，進行高速數(shù)據(jù)采集并存貯于工控機中。

工控機中的 A/D數(shù)采卡在軟件支持下，將數(shù)十路輸入信號按設(shè)定采樣率及放大倍數(shù)依次進行A/D轉(zhuǎn)換。并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入存貯器，以供數(shù)據(jù)通信軟件實時調(diào)用。

2.3 GPS時間服務(wù)子系統(tǒng)

設(shè)置GPS授時接收機與工控機相連。通過時間服務(wù)軟件，可同時對兩臺工控機進行時間校正，時服精度為10-6秒。

2.4 實時顯示子系統(tǒng)

實時圖形顯示由實時波形顯示軟件及實時矢量圖形顯示軟件完成。其中一臺用于實時顯示建筑物各測點傾斜(及沉降不均等)的波形；另一臺用于實時顯示建筑物擺動情況及其矢量圖。

2.5 寬帶網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)傳送子系統(tǒng)

遠程數(shù)據(jù)中心計算機安裝有遠程通訊測控軟件，通過寬帶網(wǎng)將工控機內(nèi)存數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行挠嬎銠C內(nèi)。為了保證建筑物受到摧毀性破壞期間能實現(xiàn)啟動應(yīng)急、指揮預(yù)案。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及控制指揮中心設(shè)置在遠離大廈的數(shù)據(jù)控制與指揮中心。系統(tǒng)控制與指揮中心通過主控計算機、調(diào)制解調(diào)器、程控電話網(wǎng)絡(luò)與建筑物內(nèi)的工控機進行通訊，以便掌握系統(tǒng)運行狀況并對參數(shù)進行修改。

2.6 數(shù)據(jù)指揮控制子系統(tǒng)

被監(jiān)控的建筑物與數(shù)據(jù)測控中心之間的距離，可設(shè)定在數(shù)公里～數(shù)百公里以外(也可按實際情況，任意選擇)。數(shù)據(jù)測控中心通過主控計算機與建筑物內(nèi)的工控機進行通訊，掌握系統(tǒng)運行狀況并可對參數(shù)(如采樣率及放大倍數(shù)等)進行修改。系統(tǒng)配置的數(shù)據(jù)回放軟件可對取回的大量數(shù)據(jù)以1～10倍的速度進行回放，便于進行后期數(shù)據(jù)處理研究。

2.7 診斷分析與安全評估子系統(tǒng)

本系統(tǒng)利用具備診斷功能的軟硬件與相應(yīng)的分析技術(shù)，診斷接收到的數(shù)據(jù)，判斷發(fā)生損傷的可能性、位置和程度，評估結(jié)構(gòu)健康安全狀況，預(yù)測結(jié)構(gòu)服役時間，評價結(jié)構(gòu)可靠度，分析結(jié)構(gòu)的壽命投資關(guān)系，提出結(jié)構(gòu)健康安全維護策略[10]。

數(shù)據(jù)記錄發(fā)現(xiàn)該建筑物在強風(fēng)中搖擺飄移的位移較大。按目前常用的位移傳感器和測量方法都不能滿足該建筑物設(shè)計理論計算出其最大位移單振幅值量程要求，無法測試記錄該大廈的振動位移響應(yīng)。而本系統(tǒng)研制的傳感子系統(tǒng)已能達到此量程要求，目前已經(jīng)獲得大量的實測數(shù)據(jù)資料。

2.8 數(shù)據(jù)存貯及管理子系統(tǒng)

多路模擬信號經(jīng)幾塊24信道A/D數(shù)采卡同時數(shù)采，分別存儲在各自的工控機中，即數(shù)據(jù)存儲是雙備份的，即使有一臺計算機出現(xiàn)故障，也不會造成數(shù)據(jù)缺失。

2.9 軟件支撐子系統(tǒng)

“系統(tǒng)”的實現(xiàn)必需在相應(yīng)的軟件支撐下進行，“系統(tǒng)”的主要軟件有：建筑物變化波形圖軟件；建筑物變化矢量圖軟件；建筑物變化遠程控制軟件；GPS時間同步軟件；阿爾泰A/D卡PCI總線驅(qū)動軟件；建筑物變化文件格式轉(zhuǎn)換軟件；建筑物變化數(shù)據(jù)回放軟件等組成。

3 結(jié) 語

“系統(tǒng)”具有長期、高頻、連續(xù)、精確、多測點同步自動采樣的特征，可以對各待測點的三維座標(biāo)的變形和振動進行大幅度的三維位移變化和振動的同步采集。各測站點無需通視、長期連續(xù)自動采樣、無人值守、觀測時間短、操作方便等特色?！跋到y(tǒng)”具有自動連續(xù)采樣率可靠，遠程遙測操控簡便，常年觀測精度可靠，構(gòu)建物各點位監(jiān)控同步、直觀可視等特性。

“系統(tǒng)”中的傳感儀器子系統(tǒng)可以根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的要求任意布置待測點位，對各測點的變形和振動的時序動態(tài)變化圖形(位移、矢量、振動等動態(tài)圖形)實時呈現(xiàn)；同時可對建筑物的垂直(及水平)剖面的時序動態(tài)變化的圖形實時回放。直觀地了解結(jié)構(gòu)損傷和建構(gòu)的整體變形特征，反映建筑物結(jié)構(gòu)動態(tài)變化的演變過程?！跋到y(tǒng)”直接觀測到建筑物不同高程各部位的相對變化，并對各測點構(gòu)建結(jié)構(gòu)的瞬間運動軌道跟蹤。圖像實時給出在災(zāi)害事件作用下建筑物各部位的瞬時運動圖。

各測點的數(shù)據(jù)采集率可根據(jù)災(zāi)害天氣、突發(fā)事件的需要，數(shù)據(jù)采樣速率可以0.01， 0.1， 1.0， 10，20，50，100次/秒/每測點，由遠程指揮中心遙測任意選用?！跋到y(tǒng)”設(shè)有遠程指揮中心，一般在待測建筑物的10～100 Km以外，可以遠程指揮，對建筑物災(zāi)害性事件的現(xiàn)場與遠程相結(jié)合的指揮。同時，平時對系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和技術(shù)參數(shù)調(diào)試。

由于傳感子系統(tǒng)一般選擇放在建筑物室內(nèi)安裝，所以運行中減少惡劣氣候環(huán)境的影響，獲得的數(shù)據(jù)偽信息干擾少。系統(tǒng)精度可達亳米或亞毫米級。例如，選擇傳感器的靈敏度0.1角秒、量程可以達到±2度。實現(xiàn)在亞毫米的精度條件下的大量程、高頻采樣的結(jié)合。

“系統(tǒng)”通過高速、連續(xù)數(shù)采，對建筑物結(jié)構(gòu)各重要部位的傾變(或沉降不均等)變化的連續(xù)監(jiān)測，得到建筑物的瞬間而又連續(xù)的水平(或垂直)位移變形和振動數(shù)據(jù)，運用系統(tǒng)的回放動能，經(jīng)過PC機的實時計算和分析，為實現(xiàn)觀測系統(tǒng)對建筑物的實時“診斷”、事后“會診”。

“系統(tǒng)”自2005年運行至今，獲得零故障率的高速數(shù)采運行。在獲得監(jiān)控各參數(shù)的海量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進行計算和分析。將其計算出的前三階振型及其頻率和阻尼比的結(jié)果，與理論設(shè)計值進行對比；實現(xiàn)對建筑物結(jié)構(gòu)進行“粗指紋”健康診斷；可推動建筑物營運安全“指紋特征”、 健康診斷領(lǐng)域的發(fā)展。

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