高层建筑结构健康监测的研究与应用

2020-12-26吴天俊

工程建设与设计 2020年24期

关键词：泳池桁架挠度

吴天俊

（深圳中建院建筑科技有限公司，广东深圳518063）

1 引言

随着高层建筑建设规模的持续扩大，在高层建筑工程中使用监测手段能够对建筑结构健康状态进行衡量，可以实时监控高层建筑工程质量，有效维护和管理高层建筑工程[1]。

2 高层建筑结构健康监测系统设计

2.1 系统流程设计

通过流程分析可知，在监测高层建筑工程健康状态时，首先应当采集工程相关数据信息，通过建筑内部传感器系统实时采集数据，测定建筑工程的温度指标、应力指标和振动指标，采用信号转换方式将其转变为洁净数据[2]。信号可以借助无线通信方式，传输到数据处理中心，之后将数据传输到软件内进行分析处理，以此获取高准确度的监测数据结果。

2.2 系统功能分析

通过分析高层建筑的功能需求，将健康监测系统的功能设计集中在无线传输、数据采集分析、数据库等子系统中。通过系统分析可知，健康监测系统属于整体结构，具备不同的作用优势，协同性比较强，采用整体方式能够有效采集和处理相关数据，之后再输出结果。

2.3 系统网络框架

建筑结构健康监测系统的数据采集装置，可以分别设置在建筑的不同部位上，利用建筑物传感器采集各类数据，同时利用网络传输方式，将收集数据传输给应用服务器，之后连接数据库，存储整个数据资源。通过应用服务器，能够提供功能监控服务，同时将监控信息传输到客户端，连接客户端与报警系统。通过远程访问的方式，可以将代理服务器添加到系统中，这样能够访问内部系统，还能够实现内部与外部独立的模式，防止关键数据泄漏和被篡改。

2.4 关键硬件与数据库

在数据采集系统内，应合理选择传感器。在系统运行期间，测量传感器主要包括温度传感器、位移传感器、拉索传感器等，同时将光纤传感器应用到数据采集系统中，应用原理在于将光源传输到光纤调制器内，确保待测参数和调制区域产生作用反应，以此改变光源相位或者波长等特性，同时可以建筑物变化状态进行判断。此外，建筑数据测量还涉及超声波传感器、磁弹仪、光栅传感器。

同时，也应合理选择数据库。在数据采集系统中应用数据库技术，可以应用结构化查询语言系列数据库，由于该类数据库具备较高安全性与稳定性，同时可以支持不同语言体系，为系统开发提供便利性。将传感器实时监控画面为例，上方显示传感器列表，便于实时监控数据信息。中间层可以体现出数据信号采集与数据更新。软件下方显示位置等级、传感器编号等相关参数，其余参数可以有效调节和设置系统建立系统监控。在监测建筑结构健康状态时，需要选取地震、垂直度、温度、位移等指标，比如，高层建筑关键点监测，在建筑关键点埋设全球定位装置与光纤传感器，实现整个高层建筑结构的监控。

3 高层建筑结构健康监测系统的应用实践

3.1 项目概况

深城投中城花园位于深圳市坪山中心区坪山大道与深汕路交会处的坪山街道飞东园区。其中，3 栋结构总高149.25m，4 栋结构总高80.5m。高空泳池连接3 栋的第22 层与4 栋的第19 层。空中泳池下部支承结构为钢桁架结构形式，桁架主跨跨度约25m，宽度约10m，钢结构面积约300m2。上弦钢梁顶标高为67.48m，其下部与4 栋的连接采用可滑动转动的成品支座，连接形式为弱连接；与3 栋与劲性柱、劲性梁刚接。桁架主要杆件采用焊接H 型钢。泳池钢结构平面图如图1 所示。

图1 泳池钢结构平面图

3.2 监测内容和测点布置

监测内容和测点布置具体如下：

1）监测内容：钢桁架的挠度、应变、位移变化。具体包括：（1）GHJ-1、GHJ-2、GHJ-3、GHJ-4、GHJ-10 的挠度与应变；（2）泳池钢结构在4#楼滑动支座的水平位移。

2）钢桁架测点布置：（1）挠度测点：GHJ-1、GHJ-2、GHJ-3等共计布置 7 个精密水准仪；（2）应变测点：GHJ-1、GHJ-2、GHJ-3、GHJ-4、GHJ-10 等共计布置 30 个应变计；（3）支座水平位移测点：GHJ-1、GHJ-2 与4#楼滑动支座连接处共布置2 个测点；（4）测点走线布置：导线的收集和防护采用50mm×100mm的标准线槽，水管、两芯专用屏蔽线、两芯负载线沿桁架下弦水平布置，采集和无线收发系统布置在3#楼泳池辅助设施间。

3.3 监测数据与分析

本测试周期泳池保持满水状态，本期监测对泳池满水状态下钢桁架的受力情况提供监测数据与分析结果，对钢构的挠度、应变、位移值进行分析并与监测指标的预警值进行对比，以了解泳池钢结构的受力状态。

1）应变/应力监测数据：本监测周期内，最大压应变/应力位于GHJ-1 与3#楼刚性连接支座下弦下翼缘16#测点，最大压应变维持在-608.6～-629.6με，相应的应力值为-121.7～-125.9MPa；最大拉应变/应力位于GHJ-1 跨中下弦下翼缘的26#测点，最大拉应变维持在393.16～403.9με，相应的应力值为78.6～80.8MPa；最大拉应变/应力和压应变/应力均小于设计给定的预警值。

GHJ-1、GHJ-2 和 GHJ-3 跨中最大压应力为 21#测点，压应变-410.7～-417.1με，压应力维持在-82.1～83.4MPa，位于GHJ-3 上弦上翼缘处；最大拉应力为26#和20#2 个测点，分别位于GHJ-1 和GHJ-2 的下弦下翼缘处，应力值分别为78.6～80.8MPa 和 59.4～60.6MPa。

GHJ-1 和GHJ-2 靠近3#楼支座处截面，最大压应力为16#和12#2 个测点，分别位于GHJ-1 和GHJ-2 的下弦下翼缘处，相应的测值分别为-121.7～125.9MPa 和-91.5～-92.4MPa；最大拉应力为13#和9#测点，分别位于GHJ-1 和GHJ-2 的上弦上翼缘处，应力实测值分别为 67.0～68.4MPa 和 55.9～57.8MPa。

2）支座位移监测数据：本监测周期内GHJ-1 位移最大值-6.4mm、GHJ-2 位移最大值-4.4mm，测值均在设计允许位移范围之内。位移绝对值均很小，说明桁架支座相对于4#楼未发生明显的滑动。

3）挠度监测结果：GHJ-1、GHJ-2、GHJ-3 3 榀纵向桁架的跨中累积挠度值，满水状态下变化范围分别为：30.07～30.30mm（7#测点）、19.81～20.20mm（5#测点）、36.28～36.54mm（6#测点），本监测期间内泳池一直处于满水状态，各测点挠度变化值均较小，挠度值均在预警范围内。