超高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究

申國軍 董秀良 羅玉堂

（鶴壁市平安建設(shè)工程檢測咨詢有限公司，河南 鶴壁458000）

0 引言

隨著經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為了滿足社會需要，大量的新型、復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)在土木工程中出現(xiàn)，很多因素都會對建筑結(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、錯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，要加強建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，設(shè)計完善的監(jiān)測系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)檢測作為一項檢測技術(shù)能夠有效的評價施工質(zhì)量以及既有建筑的結(jié)構(gòu)性能，檢測方法有人工現(xiàn)場測量、試驗和無損檢測，而對于大型的超高層建筑僅僅采用檢測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，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

1.1 超高層建筑結(jié)構(gòu)特點

超高層建筑耗資多，占地面積和體積較大，服役時間長，對耐久性要求較高，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、運營期和老化期。施工期間主要考慮豎向變形差異，因為其承重構(gòu)件的豎向變形差異會直接影響施工質(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)生的彈性變形會有附加變形，并隨著時間逐步增加，所以是不可忽略的；施工過程引起的結(jié)構(gòu)形式改變，會引起內(nèi)力和變形的變化。所以超高層建筑不僅進行設(shè)計時的理論分析，還要實施全面監(jiān)測，進而掌握施工情況。

超高層建筑由于主要受水平荷載的影響，所以對風(fēng)力較為敏感，風(fēng)對超高層結(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，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)測內(nèi)容和要點

超高層健康監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點開發(fā)的，主要的監(jiān)測內(nèi)容有氣候環(huán)境監(jiān)測、結(jié)構(gòu)荷載監(jiān)測和結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測。施工階段主要隨著施工進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)計要求相對比，及時的采取糾偏措施，并根據(jù)工程進度需要有計劃的提前做好各種條件下的計算分析，提供各階段的監(jiān)測報告。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)，對結(jié)構(gòu)進行狀態(tài)識別和安全性評定，包括構(gòu)件的安全評定和整體安全評定。

超高層建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)要能夠同時滿足施工期和運營期的特點，監(jiān)測項目必須同時包括施工期和運營期間的檢測內(nèi)容，能夠?qū)蓚€時期的監(jiān)測數(shù)據(jù)實行無縫連接，保證施工期間的數(shù)據(jù)服務(wù)于運營期，施工時埋設(shè)好監(jiān)測點，并預(yù)留出運營期的監(jiān)測原件和設(shè)備位置。施工階段和使用階段很多監(jiān)測內(nèi)容是相同的，施工階段是控制危險，使用階段則是發(fā)現(xiàn)危險，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)化測點的布置，指導(dǎo)施工中結(jié)構(gòu)標(biāo)高和構(gòu)件長度的控制。以往的建筑結(jié)構(gòu)分析時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上部結(jié)構(gòu)的影響，存在較大的誤差。采用有限元軟件進行計算分析時可以只對已施工的階段分析，不影響未施工結(jié)構(gòu)，每個階段完成后程序?qū)⒔Y(jié)果累加到當(dāng)前階段中，能夠更加接近實際工程狀況。

在施工分析中混凝土?xí)S著時間的推移，受到徐變和收縮的影響，澆筑后強度逐漸增強，一段時間后才能達到最大值，所以混凝土的彈性變形會比理論分析值略小。由徐變引起的變形與荷載成線性關(guān)系，高強度混凝土的應(yīng)變會較小，荷載作用一個月后徐變發(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，施工順序為先核心筒后框架，基本進度為每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，會產(chǎn)生彈性變形，隨著時間的增加混凝土構(gòu)件會出現(xiàn)徐變和收縮變形，建筑結(jié)構(gòu)標(biāo)高會與設(shè)計標(biāo)高產(chǎn)生一定的差異，處理不當(dāng)會成為安全隱患，影響施工質(zhì)量。豎向變形的變化一般采用補償?shù)姆绞竭M行處理，在施工中豎向預(yù)留一定的尺寸，保證實際標(biāo)高和設(shè)計標(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行或分階段進行，對已施工的樓層設(shè)計標(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?？梢酝瑫r進行平差和拋高調(diào)整，使樓層實際高度和設(shè)計高度誤差趨近于零。

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)計理論計算控制的，因為混凝土構(gòu)件會發(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，腰桁架負責(zé)水平力的傳遞，整體性較差，在施工中此部分應(yīng)力會產(chǎn)生一定的波動。

2.4 施工期監(jiān)測點的布置

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)濟因素，要恰當(dāng)?shù)倪x擇監(jiān)測點，以節(jié)約監(jiān)測費用，監(jiān)測點的設(shè)置原則為對結(jié)構(gòu)整體變化能夠完整的描述，測點得出的信息對于結(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)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的框架

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

健康監(jiān)測系統(tǒng)的步驟為根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力機制和所采用的材料確定監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測位置；根據(jù)監(jiān)測項目和監(jiān)測內(nèi)容選擇傳感器；建立傳感器系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集；設(shè)計監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；設(shè)計監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲和管理；分析得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進行安全評價和預(yù)警。

3.2 監(jiān)測項目及傳感器測點位置

氣象環(huán)境的監(jiān)測包括溫度、氣壓、濕度和雨量，監(jiān)測點設(shè)在核心筒施工界面，并隨施工進度調(diào)整位置；風(fēng)環(huán)境的監(jiān)測包括風(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)測屬于荷載監(jiān)測，記錄地震荷載及歷程，采用強震儀以觸發(fā)方式實時監(jiān)測；風(fēng)壓監(jiān)測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、動力特性監(jiān)測、塔樓垂直度監(jiān)測、豎向變形監(jiān)測和塔樓頂部水平位移監(jiān)測等。

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

［2］李勇,閆維明,陳彥江,等.基于傾角測試的橋梁變形實時監(jiān)測研究[J].振動與沖擊,2013,32(5)：65-69.

［3］李愛群,繆長青,李兆霞,等.潤揚長江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,33(5)：544-548.

［4］瞿偉廉,滕軍,項海帆等.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[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2006,27(1)：1-8,15.