一種新的無線傾角計在應急監(jiān)測中的應用

潘振雄，孔憲文，胡國保，邱澤良，吳 桐

（1、清遠市建設工程質量檢測站有限公司 廣東清遠 511500；2、廣東省建設工程質量安全檢測總站有限公司 廣州 510500）

0 引言

長沙自建房倒塌事故教訓慘痛［1］，人們愈發(fā)重視房屋安全，全國也迅速開展了自建房排查工作。大多數(shù)結構在倒塌前都是有預兆的，例如產生沉降、傾斜、結構性裂縫等。如果一開始就進行監(jiān)測，則能有效避免一些房屋安全事故的發(fā)生。

傾斜是指建筑中心線或其墻、柱等，在不同高度的點對其相應底部點的偏移現(xiàn)象，可以用基礎兩端點傾斜方向的沉降差與其距離的比值來表示。結構產生傾斜的主要原因［2-4］有土壤不均勻沉降、地基基礎設計不當或被損壞、施工誤差等。結構一旦發(fā)生傾斜形變，結構受力也會隨之發(fā)生變化（使結構產生附加的次應力），構件的承載力也會因此受到影響，進而降低結構的安全性，嚴重時甚至會導致結構整體失穩(wěn)而倒塌。因此不論是正在建的結構還是已經(jīng)建成并投入使用的結構，傾斜都是需要密切關注的重要監(jiān)測指標［5］。隨著科技的進步，傾斜監(jiān)測的方法也越來越多，許多學者對此展開了深入研究：王占武等人［6］采用投點法測量建筑物傾斜，認為在建筑周邊環(huán)境復雜時采用投點法測量建筑傾斜更為高效；譚龍等人［7］采用多種方法測量建筑傾斜，認為建筑物傾斜受施工、溫度、光照等因素影響，應綜合研判傾斜變化情況；XIA 等人［8］提出了一種使用實時應變數(shù)據(jù)計算結構變形的新方法，在廣州塔上安裝了400多個振動應變計，使用實時監(jiān)測應變數(shù)據(jù)計算結構頂部的位移和傾斜，計算出的變形與GPS 和傾角儀的測量結果非常吻合；張貴鑫［9］采用無線傾角儀監(jiān)測建筑物傾斜，在對比分析后認為該方式滿足監(jiān)測精度要求，且可節(jié)約監(jiān)測成本；ZHUANG 等人［10］演示了一種基于高分辨率外征法布里-珀羅干涉儀（EFPI）的二維光纖傾角儀，用于兩個正交維度的傾斜測量，并連續(xù)監(jiān)測重力壩傾斜角1年，其表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和實用性；MA 等人［11］使用無線傾角儀實時監(jiān)測結構在環(huán)境荷載和運行荷載下的實際傾角響應，可以有效避免重大安全事故的發(fā)生。

相比于傳統(tǒng)的傾斜監(jiān)測方法（如投點法、前方交會法、相對沉降差法、吊垂球法等），無線傾角傳感器具有安裝方便、響應速度快、精度高、無需布線等優(yōu)點。其通過無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，用戶可以在監(jiān)測云平臺上隨時隨地查看遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時也方便監(jiān)測專業(yè)人員查看監(jiān)測具體情況，在必要時刻進行預警。

近些年對于無線傾角計的研究也越來越多，本文設計了一種新的無線傾角計，并將其應用于房屋傾斜應急監(jiān)測中，同時采用傳統(tǒng)的監(jiān)測方法進行對比分析，體現(xiàn)出無線傾角計在應急監(jiān)測中的應用優(yōu)勢。

1 建筑物傾斜傳統(tǒng)測量方法

傳統(tǒng)的傾斜測量主要包含投點法、前方交會法、相對沉降差法、吊垂球法等。

1.1 投點法

如果被監(jiān)測對象所處場地較為寬敞，其外部具有明顯特征點時，可以采用投點法。其具體過程如下：在被監(jiān)測房屋結構的兩個相互垂直的豎直平面外墻上布設監(jiān)測點。確定基準點，用全站儀對準一側墻體m 的頂部觀測點a，通過盤左、盤右分中投點法來確定相應底部觀測點b；再照準另一側外墻n 頂部觀測點測c，同理確定其底部觀測點d。a、b、c、d 這4 點即為結構傾斜監(jiān)測的標志點。一段時間后，使用全站儀的望遠鏡瞄準之前標記好的監(jiān)測點a 和監(jiān)測點c，用上述方法再次確定觀測點b'和觀測點d'。測出b和b'之間以及d 和d'之間的距離△1、△2，若△1和△2同時為零，則結構沒有發(fā)生傾斜，若不為零，則結構發(fā)生了傾斜。按照矢量相加法求得水平位移值，即為傾斜量，同時也可求出傾斜度。

式中：D為結構傾斜量；i為傾斜度；H為結構高度。

在實際現(xiàn)場測量中，投點法相對而言較為簡單方便，用得較多。其可以直觀快速測量出結構的傾斜量，但在用投點法時，需要考慮觀測視野是否開闊，測點是否容易布設等問題。

1.2 前方交會法

利用前方交會法進行傾斜測量時，基準點的位置距離被監(jiān)測對象較遠，需要較大的空間進行作業(yè)，其具體操作為：

在被測結構的一側布設好基準線MN，選取監(jiān)測測點P。將兩臺全站儀架設在基準點M 和基準點N上，觀測測點P，得到∠BAP 和∠ABP 的角度值，分別記為α和β。然后根據(jù)M、N 兩點坐標以及角α和β，用前方交會公式［12］計算出測點P 坐標，一段時間后，再按上述方法得到P'的坐標，即可求出傾斜量。

前方交會法適合對圓筒型建（構）筑物進行傾斜監(jiān)測，特別是當監(jiān)測對象沒辦法埋設監(jiān)測點時，用前方交會法更合適。但是，其有一定的局限性，且計算較為復雜。

1.3 相對沉降差法

除了用上述方法直接計算結構的傾斜量以外，還可以用結構兩邊的沉降差來間接計算結構整體的傾斜度。

2 無線傾角計

2.1 無線傾角計組成及主要參數(shù)

在應急監(jiān)測中，現(xiàn)場環(huán)境復雜，接觸式的傳統(tǒng)作業(yè)手段容易對監(jiān)測人員的人身安全造成傷害；應急監(jiān)測頻率往往需要達到一小時一測，甚至十分鐘一測，在夜間亦需進行不間斷測量，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測手段大多無法在夜間進行作業(yè)，且測量頻率難以保證。因此，在應急監(jiān)測中，傳統(tǒng)的建筑傾斜監(jiān)測方法難以起到應有的作用。為了解決傳統(tǒng)傾斜監(jiān)測方法在應急監(jiān)測應用中的不足之處，本文設計了一種無線傾角計：由上蓋、硅膠密封圈、印制線路板（Printed Circuit Board，PCB）、防水Type-C 充電接口和下殼組成，以用于建筑結構應急傾斜監(jiān)測，如圖1 所示。其主要參數(shù)如表1所示。

表1 主要參數(shù)Tab.1 Main Parameter

圖1 結構設計Fig.1 Structural Design

其內置電容式加速度計，當物體受到外力作用時，傾角傳感器內部的電容也會發(fā)生變化，從而產生一個微弱的電壓，這個電壓會通過精密的放大電路放大，然后將放大后的信號送出，從而測量出物體所受的加速度大小，最后通過加速度-傾角轉換算法得到結構具體傾斜情況。電容式加速度計與其他類型的加速度計相比，具有靈敏度高、零頻響應、環(huán)境適用性好等特點，尤其是其受溫度的影響比較小。

2.2 傾角數(shù)據(jù)采集方式

現(xiàn)有的傾角儀大多采用定時監(jiān)測方式，事先預定好監(jiān)測時間，到預定時間再喚醒設備，完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)上傳后，設備再次進入休眠狀態(tài)。如果在兩次數(shù)據(jù)采集的間隔期間出現(xiàn)特殊或危險情況，設備則無法感知，容易產生監(jiān)測盲點。本文設計的無線傾角計采用定期采集結合振動喚醒模式，提前在數(shù)據(jù)接收監(jiān)測平臺內設置振動喚醒限值，若振動數(shù)據(jù)超過限值，則馬上喚醒設備，進行數(shù)據(jù)采集加報，同時，也可以將其設置成不休眠模式，進行高頻次數(shù)據(jù)采集，不間斷的監(jiān)測傾斜情況。這種數(shù)據(jù)采集方式可以有效減少數(shù)據(jù)的少報漏報。

2.3 供電方式

本文設計的無線傾角儀提供鋰電池、太陽能并用兩種供電模式，續(xù)航能力更好，因此除了可以用于短期應急監(jiān)測，還可以用于長期安全監(jiān)測。

2.4 安裝方法

外殼由水平式調整為垂立式，方便其直接安裝于結構或構件表面，安裝方式包括膨脹螺絲固定與強力片粘接，便于視現(xiàn)場工況選擇合適的安裝方法（見圖2）。

圖2 傾角計現(xiàn)場安裝Fig.2 On-site Installation of Inclinometer

無線傾角計具有一體化、免布線、低功耗、精度高等特點，可以應用于施工現(xiàn)場周邊建筑物傾斜監(jiān)測、結構健康監(jiān)測等自動化安全傾斜監(jiān)測項目。在應急監(jiān)測項目中，無線傾角計在安裝完成后即可進行無接觸式監(jiān)測，且監(jiān)測數(shù)據(jù)可高頻實時回傳，相較于傳統(tǒng)的傾斜測量方法，本文設計的無線傾角計在應急監(jiān)測工程中的時效性與安全性皆有較大的提升——與非接觸式變形監(jiān)測方法（測量機器人法、激光掃描測量法等）相比較，無需擔心居民區(qū)中房屋結構形式多樣且分布密集等因素造成的測量通視問題；與接觸式變形監(jiān)測方法（投點法、前方交會法等）相比較，可進行長期、實時高頻率監(jiān)測。

3 工程應用分析

3.1 工程概況

廣東某公寓為鋼筋混凝土框架結構，地上10 層，總高度32.3 m，占地114 m2，總建筑面積1 410 m2。該建筑發(fā)生較嚴重傾斜，建筑內部人員已全部撤離，經(jīng)專家現(xiàn)場研判后，應急小組決定將該建筑拆除。因地處鬧市，無法進行爆破作業(yè)，且需保證建筑在拆除過程中不直接倒塌，因此，需對該結構傾斜變形進行周密的實時監(jiān)測。在接受委托后，監(jiān)測小組對其傾斜變形進行連續(xù)監(jiān)測直至該結構完全拆除。

3.2 監(jiān)測方法選擇

該工程監(jiān)測項目需要監(jiān)測這個建筑拆除的全過程，如果用傳統(tǒng)的傾斜監(jiān)測方法，則無法24 h 不間斷進行監(jiān)測，而無線傾角計彌補了這一缺點，可以實時監(jiān)測結構傾斜情況，因此最終決定采用無線傾角計進行傾斜監(jiān)測，同時用全站儀投點法進行對比校核。

3.3 監(jiān)測結果

本次監(jiān)測時間從10月10日開始，10月16日結束。無線傾角計選擇安裝在房屋兩條對角棱線底部；全站儀投點法選擇上述兩條對角棱線作為監(jiān)測對象，測點分別記為為F1 與F2。因建筑物處于逐漸被拆除的階段，在10 月12 日，F(xiàn)1 測點棱線頂部被拆除，停止全站儀監(jiān)測，在10 月14 日，F(xiàn)2 測點棱線頂部被拆除，停止全站儀監(jiān)測。而無線傾角計安裝在建筑物底部，監(jiān)測數(shù)據(jù)一直持續(xù)至建筑物基本完全拆除（10 月16 日）。無線傾角計與全站儀投點法測量結果數(shù)據(jù)對比如表2所示。F1和F2測點傾角累計變化值如圖3所示。

表2 兩種傾斜測量數(shù)據(jù)對比Tab.2 Comparison of Two Tilt Measurements

圖3 F1和F2測點傾角累計變化值Fig.3 F1 and F2 Cumulative Change Value of Dip Angle of Measuring Point

從表2 中可以看出，用無線傾角計對結構進行傾斜監(jiān)測和用全站儀對結構進行傾斜監(jiān)測所測得傾角數(shù)據(jù)相差不大，兩者相對誤差最大不超過10%，平均相對誤差不超過8%，說明用無線傾角計的測量結果較為準確，可以反映出建筑物的實際傾斜變化。

溫度是影響設備監(jiān)測值的重要因素，隨著一天溫度的變化，傳感器會產生溫漂（環(huán)境溫度變化時引起晶體管參數(shù)的變化）。從無線傾角計的監(jiān)測數(shù)據(jù)（見圖3）可以看出，其監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出循環(huán)波動的趨勢，在F2測點比較明顯。因為F1測點的無線傾角計的周邊有較高建筑的遮擋，因此，受溫度影響較小，F(xiàn)2測點周邊無遮擋，受溫度變化的影響相對較大。

在這次應急監(jiān)測中，無線傾角計監(jiān)測頻率為10 min/次，持續(xù)回傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)在本次應急監(jiān)測中起到了較為關鍵的作用，為專家組判斷建筑安全狀態(tài)提供了重要依據(jù)。而使用全站儀進行傾斜監(jiān)測受到人力限制，監(jiān)測頻率較低，且隨著建筑的不斷拆除而終止。但是用無線傾角計進行傾斜監(jiān)測也有一定的局限性，其不能得出建筑的絕對傾斜量，僅能測量出在安裝無線傾角計后，建筑傾斜的變化量。因此，在采用無線傾角計測量建筑傾斜時，最好配合傳統(tǒng)測量方法共同使用。

4 結論

結構傾斜監(jiān)測是結構安全監(jiān)測中的一個重要參數(shù)。本文介紹了傳統(tǒng)常用的建筑傾斜測量方法，提出可采用無線傾角計測量結構傾斜變形，并對已發(fā)生嚴重傾斜的某建筑結構進行傾斜監(jiān)測，同時用全站儀法進行校核，將監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，驗證了無線傾角計方法的可靠性，也反映出在應急監(jiān)測中，無線傾角計的測量方法具備其獨特的優(yōu)勢，得到主要結論如下：

⑴本文設計了一種無線傾角計，該裝置由上蓋、硅膠密封圈、印制線路板、防水Type-C 充電接口和下殼組成，其中印制線路板中含有傾角傳感器、震動傳感器和定位芯片。其可以用于不同建筑物的傾斜監(jiān)測，且能大大提高監(jiān)測效率和頻率，比傳統(tǒng)監(jiān)測方法更適用于應急監(jiān)測的需求。

⑵ 將本文設計的無線傾角計應用于某實際工程。通過對比分析該裝置與全站儀測得的數(shù)據(jù)可知，無線傾角計對兩個測點的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的全站儀投點法測得數(shù)據(jù)的平均相對誤差分別不超過8%，最大相對誤差分別不超過10%。該裝置能較好的反映出建筑物的真實傾斜情況。