高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究與應(yīng)用

孟 琳

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路工程系，陜西西安，710018）

高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究與應(yīng)用

孟 琳

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路工程系，陜西西安，710018）

對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的監(jiān)控都是針對(duì)某個(gè)特定建筑進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此對(duì)特定的土木工程項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，以此更好的保障建筑工程質(zhì)量和使用者的安全。正是基于此，本文設(shè)計(jì)了比較通用的土木工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)，并從數(shù)據(jù)采集、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)雀鱾€(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此可方便對(duì)對(duì)建筑監(jiān)控的快速構(gòu)造，避免重復(fù)開(kāi)發(fā)等問(wèn)題，并將設(shè)計(jì)的通過(guò)的結(jié)果運(yùn)用到實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)的案例中進(jìn)行測(cè)試，取得良好的效果。

結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集；高層建筑；應(yīng)用展望

隨著我國(guó)高層建筑的建設(shè)以及信息化水平提高，對(duì)高層建筑工程使用情況的監(jiān)測(cè)也成為衡量土木工程建設(shè)的重要手段，并借助信息化，實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑工程質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以此更好的對(duì)高層建筑工程實(shí)行維護(hù)和管理，防止事故的發(fā)生。本文構(gòu)建了可通用的高層建筑工程監(jiān)控系統(tǒng)，并將其運(yùn)用到實(shí)際的工程中進(jìn)行測(cè)試。

1 系統(tǒng)整體流程設(shè)計(jì)

以一般的高層建筑工程為例，我們可以將健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案分成四個(gè)不同的步驟，其具體的如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體的流程設(shè)計(jì)

通過(guò)上述的流程分析，我們可以看出，對(duì)高層建筑工程健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，首先是實(shí)現(xiàn)對(duì)工程中的相關(guān)基本數(shù)據(jù)的采集，而對(duì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)時(shí)通過(guò)安裝在建筑中的傳感器系統(tǒng)，對(duì)建筑工程振動(dòng)、應(yīng)力或溫度等相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定，并通過(guò)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，將信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，從而轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清理處理，變成比較干凈的數(shù)據(jù)；無(wú)線傳輸則數(shù)將信號(hào)通過(guò)無(wú)線通信的方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心；最后是將數(shù)據(jù)送到軟件中進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析和處理，從而得到相關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果。

2 系統(tǒng)需求分析

根據(jù)高層建筑工程設(shè)計(jì)的思路，會(huì)綜合考慮很多方面的因素。因此，我們對(duì)高層建筑工程的結(jié)構(gòu)監(jiān)控則主要體現(xiàn)在工作環(huán)境、工作狀態(tài)、局部的結(jié)構(gòu)性能等幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

2.1 工作環(huán)境監(jiān)控

對(duì)工作環(huán)境的監(jiān)控，則主要包括對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度和地震負(fù)荷等進(jìn)行綜合檢測(cè)。其中對(duì)風(fēng)向、風(fēng)速的檢測(cè)，主要的目的是獲取高層建筑不同部位的鳳向和風(fēng)速，從而針對(duì)不同的風(fēng)速做出不同的振動(dòng)響應(yīng)；對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)則主要是為高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)的耐久性的使用提供評(píng)價(jià)依據(jù)；地震負(fù)載分析則是對(duì)高層建筑工程所能夠承受的振動(dòng)進(jìn)行分析，從而對(duì)震后的健康狀態(tài)做出分析和評(píng)估。

2.2 工作狀態(tài)的監(jiān)控

對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，則主要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中的主承受支座、建筑的結(jié)合形狀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如在不同的風(fēng)向下，高層建筑可能會(huì)發(fā)生一定的偏向，從而導(dǎo)致高層建筑的幾何形體變形，并出現(xiàn)一定的偏移；對(duì)建筑物整體的震動(dòng)監(jiān)測(cè)。其中的自振特性和建筑的剛度、質(zhì)量和相關(guān)的分布有著很大的關(guān)系，因此，對(duì)該指標(biāo)的檢測(cè)也是對(duì)高層建筑質(zhì)量的很好的監(jiān)控。其他的還包括承重的構(gòu)件、支座反力等的監(jiān)測(cè)。

2.3 對(duì)局部結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)

該部分則主要包括其中的構(gòu)件的檢測(cè)，其中包括因?yàn)榛炷恋氖湛s而引起的相關(guān)應(yīng)力重分布，局部的結(jié)構(gòu)損傷而帶來(lái)的應(yīng)力的變化。而耐久性的監(jiān)測(cè)則主要包括對(duì)高層建筑中的相關(guān)鋼筋的腐蝕情況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。附屬的監(jiān)控則主要對(duì)建筑中的其他附屬的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控。

3 系統(tǒng)功能分析

通過(guò)上述的功能需求分析，我們將該系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)主要數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、無(wú)線傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。其功能框架如圖2所示。

圖2 工程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)上述的系統(tǒng)，我們可以看出該系統(tǒng)作為一個(gè)有機(jī)的整體，即有著各自的功能，同時(shí)也相互的協(xié)同，從而通過(guò)這樣一個(gè)整體完成對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集到處理，再到結(jié)果的輸出。

4 系統(tǒng)整體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)置在建筑的各個(gè)不同的部位上，通過(guò)高層建筑物上的傳感器采集，將收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞絺魉偷綉?yīng)用服務(wù)器，而后和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，以此負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)的保存。同時(shí)應(yīng)用服務(wù)器則提供具體的功能監(jiān)控，并將監(jiān)控的信息傳輸?shù)娇蛻舳?，而客戶端則和報(bào)警系統(tǒng)連接，當(dāng)相關(guān)的數(shù)據(jù)超出設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)時(shí)候，其則會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)報(bào)警。而采用遠(yuǎn)程訪問(wèn)的方式，在其中增加一代理服務(wù)器，其主要的目的是將對(duì)內(nèi)部的訪問(wèn)和外部分開(kāi)，以避免關(guān)鍵的數(shù)據(jù)被篡改或泄漏。其具體的網(wǎng)絡(luò)布局如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

5 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件和數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇

5.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中傳感器的選擇

在該系統(tǒng)，其測(cè)量主要包括位移、溫度等各種不同類型的傳感器，同時(shí)還包括對(duì)拉索等的測(cè)量的傳感器。在該系統(tǒng)中，我們選用當(dāng)前比較新型的光纖傳感器。其基本的原理是將光源送入到光纖調(diào)制器當(dāng)中，從而使得其待測(cè)的參數(shù)和調(diào)制區(qū)相互作用，從而使得光源的相關(guān)特性發(fā)生變化，如波長(zhǎng)、相位等。從從而判斷建筑物變化。

其具體的工作原理圖如圖4所示。

圖4 光纖傳感器原理圖

同時(shí)，為測(cè)量其他的數(shù)據(jù)，還包括磁彈儀、超聲波傳感器以及光柵傳感器。

5.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇

對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的使用，通常采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，這主要是因?yàn)樵摂?shù)據(jù)庫(kù)在安全性方面非常高，并且該系統(tǒng)支持不同的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，因此方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。同時(shí)，我們以傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)控的界面為例的實(shí)現(xiàn)為例，其最上方表示的是傳感器

圖5 高層建筑關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測(cè)

的列表，可方便對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。中間層則主要用于對(duì)數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)信號(hào)的采集的體現(xiàn)；軟件的最下面則為相關(guān)的工作參數(shù)，其主要包括傳感器的編號(hào)、位置等級(jí)等，其中的部分參數(shù)應(yīng)用于對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的調(diào)節(jié)和設(shè)置。

以某超高層建筑為例，其中建筑主體結(jié)構(gòu)屋蓋高度達(dá)588m，塔尖高度達(dá) 646m，屬于現(xiàn)行的大型地標(biāo)性的建筑。選取垂直度、塔頂水平位移、溫度、地震、關(guān)鍵位置應(yīng)力應(yīng)變等作為健康監(jiān)測(cè)指標(biāo)。以對(duì)該高層建筑中的關(guān)鍵點(diǎn)的檢測(cè)為例。具體的傳感器布局點(diǎn)如圖5所示。

通過(guò)在上述的關(guān)鍵點(diǎn)埋設(shè)GFRP 封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器，并分別選擇在1層、10層、26層、48層、64層……112層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)整體樓層的監(jiān)控。通過(guò)在上述的布局下，在施工期間，核心筒的位移在159.55mm。

通過(guò)對(duì)該通用系統(tǒng)的使用，取得了良好的效果，并具有很強(qiáng)的實(shí)用性，可在工程建筑中進(jìn)行推廣。而隨著在建筑工程的進(jìn)步，對(duì)傳感器和數(shù)據(jù)采集的要求也越來(lái)越高，對(duì)建筑監(jiān)測(cè)指標(biāo)也越來(lái)越多，從而該系統(tǒng)可被運(yùn)用到土木建設(shè)中的各個(gè)階段，進(jìn)一步促進(jìn)建筑的發(fā)展。

[1] 劉昱;王濤;弭艷;肖輝衡;高巖;;基于應(yīng)變式力傳感器的橋梁無(wú)線動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的研究[A];中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)第十三屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2011年

[2] 丁華平;基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的泰州長(zhǎng)江公路大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究[D];南京大學(xué);2011年

[3] 李順龍;李宏偉;李惠;歐進(jìn)萍;王江;考慮溫濕度影響的橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率分析[J];天津建設(shè)科技;2008年03期

孟琳（1979.10-），女，漢族，陜西西安，碩士研究生，主要從事建筑工程技術(shù)方向的教學(xué)工作。

Research and application of structural health monitoring

Meng Lin
(Shaanxi College of Communication Technology Department of Xi'an Highway Engineering,Shaanxi,710018)

The monitoring of tall building structures are monitored for a particular building,in order to carry on the real-time monitoring of civil engineering project specific,guarantee construction engineering to better quality and the safety of users.Based on this,this paper designs the structure of civil engineering detection system in general,and carries on the design from the various data acquisition, wireless transmission and so on,which can be quickly constructed on construction monitoring,to avoid duplication of development and other issues,and the design of the results are applied to the actual building structures in the case of for testing,and achieved good results.

structural monitoring;data acquisition;high-rise building;application prospect