覃 浩,赵 鸣

(同济大学土木工程学院,上海 200092)

超高层建筑安全监测系统设计原则

覃 浩,赵 鸣

(同济大学土木工程学院,上海 200092)

超高层建筑施工期间,建筑结构的刚度、加载方式等都随着施工过程不断发生变化,导致结构构件的内力不断变化。长期受到荷载和环境的作用,结构的安全性和耐久性不断发生变化。安全监测系统可以实时在线地反映结构构件的受力状态,能保障超高层建筑安全施工、正常服役。在此以某建筑为例,根据安全监测系统架构的四个方面——传感器布置,无线数据传输,云计算平台和网站信息发布——介绍其安全监测系统的构成,探讨安全监测系统中传感器的布置原则与选型原则,以及基于结构可靠度给出监测目标的预警阈值。

超高层建筑；结构健康监测；传感器；设计原则；预警阈值

随着工程技术的发展和城市化进程的加快,建筑结构朝着更高、更复杂的方向发展,超高层结构安全问题也越来越多地受到社会各界的关注。

超高层建筑具有耗资巨大、结构形式复杂、工期长、使用年限长的特点,施工期间,建筑结构的刚度、加载方式等都随着施工过程不断发生变化,并导致结构构件的内力不断变化。服役期间,结构也将长期受到荷载和环境的作用,结构的安全性和耐久性也不断发生变化。超高层施工和服役期间发生事故都会带来生命财产的巨大损失,因此,监测和诊断超高层结构的健康状态,评估结构的安全性、可靠性具有非常重要的现实意义[1]。

在结构的安全监测系统中,传感器的布置方案是进行监测的关键,传感器布置良好才能采集到合理有效的数据,这直接影响监测的可靠性[2]。针对高层建筑,在实际监测中要布置多个测点,测点的确定需要理论分析,较有影响的传感器布置方法主要有：模态动能法[3-4],原点留数法[3],有效独立法[5]等。

目前传感器的布置方法,其计算过程复杂,花费时间比较多,效率较低,且一般需要布置非常多的传感器。本文针对传感器布置,提出超高层建筑安全监测系统的设计原则。

1 安全监测系统的组成

结构安全监测系统应采用模块化设计,可分为四层子系统[6-7]：

1.1 传感器系统

包括加速度计、风向风速仪、位移计、温度计、应变计及连接介面,利用传感元件和数据采集设备,全天候、不间断地监测结构整体工作状态。

1.2 数据采集和传输系统

包括信息采集器及相应的数据存储设备等,安装于待测结构中,数据采集后通过网络实时传送。

1.3 数据分析和监控系统

包括高性能计算机及分析软件,在计算机硬件和软件系统的支持和控制下,通过对测试和采集到的数据进行实时分析及加工处理,判断损伤的发生位置和程度,向工作人员显示建筑结构的整体和局部安全状态。

1.4 信息发布系统

成立安全监测系统的网站,通过监测数据的表格和图形化显示,可以直观地看到建筑结构实时的结构安全监测信息,最后在网上发布监测信息。

由此四层子系统组成的安全监测系统按运行和网络传输流程可分解如图1所示。

图1 结构安全监测系统的组成

2 安全监测系统设计原则

安全监测系统的设计首先应该考虑建立该系统的目的和功能,对于特定的结构,建立安全监测系统的目的可以是结构安全性监控和评估或是设计验证,也可以是研究发展。确定了目的,才能针对需要监测的物理量选择合适的传感器,确保监测的有效性；其次,监测系统的规模以及采用的传感设备和通信设备需要考虑经济性；目前,安全监测系统正处于高速发展中,为了今后与其他系统的联合,系统应具有开放性。

2.1 有效性原则

传感器的布置与安全监测系统的目的密切相关,应根据监测目的,对结构进行分析,结合结构特点,确定需要监测的物理量。最终确定监测的物理量应当有效地反映结构现状,针对监测目的给出评估结果。这里的有效性既意味着传感器能够有效地监测到需要的物理量,也意味着监测得到的数据能针对监测目的给出有效的评估结果。

1)传感器布置能够有效监测到需要监测的物理量。应针对需要监测的物理量的量程、精度、灵敏度选择合适的传感器,传感器的布置需要考虑施工以及恶劣环境因素的影响,如高温、高湿度的环境,保证能够正确无漏地采集监测数据。

2)监测得到的数据能够反映建筑结构的实际问题或者经计算后能够反映建筑结构的实际问题。

3)通过监测得到的数据能够有效地对建筑结构进行安全性评估。目前，安全监测系统设计规范还不完善,部分监测系统一味地追求传感器的数量和对结构完整的监测,监测得到的数据并不能对结构进行评估,浪费了人力物力。

4)安全监测系统必须有专家参与设计,以减少系统的不确定性。专家能够基于结构分析的结果,给出最简便有效的传感器布置方案,避免浪费。

2.2 经济性原则

目前安全监测系统的成本较高,极大地限制了安全监测系统的发展。因此,安全监测系统应满足经济性原则。

1)尽量使用低成本的传感器。安全监测系统的造价比较昂贵,而传感器是监测系统的核心,为了节约成本,保证经济性,应选用低成本的传感器。

2)选用安装方便的传感器以及安装方便的位置,以节省人力物力。

3)监测系统应使维护比较方便。首先系统能够在线自检,给维护人员提供系统损伤的位置；另外,埋入式传感器设置备用测点,外置式传感器尽可能加以保护。

4)监测系统要求使用方便：部分项目中,由于现场施工的影响,不太利于有线传输数据,此时应使用无线传输数据。无线传输也能使系统调试、维护更方便。

5)提前确定结构维护策略,以节约结构维护费用。结构维护策略应当是安全监测系统的一部分,提前确定能够在结构出现损伤时及时维护,避免严重损伤时的高额费用。

2.3 开放性原则

结构安全监测是多学科理论、方法和技术相互结合交叉的一个新兴研究领域,正处于高速发展时期,未来监测系统可能会与其他各种技术相融合,因此系统需要满足开放性原则。

1)系统应使新的传感器可以方便地增加。对采集到的数据进行分析后,会进行损伤识别和有限元模型的修正,需要监测的物理量可能会增加。

2)保证传播手段的丰富性,结构安全性信息发布可以和其他系统联合。在安全监测系统中,各类仪器应留有备用接口,方便与其他系统联合。

3)系统信息可以融合到BIM、IOT、RRM等技术中。

此外,系统应该尽早安装,以便其在施工期间可以进行施工安全性监测,并作为后续服役阶段的结构安全监测系统使用；同时应进行标准化设计,作为结构设计的一部分。

3 安全监测系统设计

3.1 工程背景

某工程项目位于江苏省徐州市,总建筑面积约为23万m2,框架-核心筒结构,原设计为地下室3层,主楼53层。在该项目工程施工过程中,发现主体结构主要承载钢管混凝土柱的浇筑工艺出现问题,此时地下车库结构施工已完成,地上主楼结构施工至地面以上第7层。对主体结构的钢管混凝土柱密实性进行超声波检测与取芯检测,发现部分钢管混凝土柱存在内部混凝土不密实情况,对其中的62根钢管混凝土柱进行加固处理。但是,由于该项目受现场检测条件限制,在实现既有钢管混凝土柱的全数检测的基础上,难以实现该柱所有部位的全数检测。因此,实际工程中仍可能存在混凝土密实度不足的部位,这些缺陷隐患对主体结构的安全性依然存在未知影响。

为保障该建筑在后续施工过程以及服役阶段的安全性,对该工程的高层建筑的结构响应,特别是地下室及底层钢管混凝土柱的响应进行实时监测。

3.2 传感器选型

目前传感器的种类很多,要根据所需监测的目的,综合考虑测量对象和测量环境、测量精度和灵敏度、测量的稳定性,选择最合适的传感器。在该项目中,监测内容为：关键构件应力应变、层间位移角和结构整体的动力特性,经过比较和优选,选用SJ-GBY型工具式表面应变传感器测量监测构件的应力应变,选用基于MEMS传感器技术倾角仪监测层间位移角,选用力平衡式加速度仪监测楼层的加速度。

3.3 传感器布置

3.3.1 传感器实用布置方法

传统的布置方法计算过程复杂,花费时间比较多,效率较低,一般需要布置非常多的传感器,且部分监测信息在实际工程中,无法直接对结构安全性进行评定,因此需要一种能运用到实际工程中的传感器布置方法。传感器应布置在：

1)静力分析中内力较大的构件。指结构在施工和使用阶段构件内力达到极限承载力一定百分比,梁、柱、墙等结构构件根据不同楼层不同部位,确定不同的比例。

2)结构已存在的损坏处,包括已修补的部位。

3)施工过程模拟验算中内力变化较大的构件。超高层建筑在施工期间是一个变结构、变刚度、变荷载,以及材料特性不断变化的时变结构体系[8]。施工过程中可能会出现内力急剧变化的构件,这种构件在初期监测中内力很小,容易被忽略,但随着施工的进行,内力迅速增大,影响结构安全性。

4)动力分析中受力性质发生改变的构件。构件受力性质的改变会使构件产生疲劳损伤,在监测过程中应引起重视。

5)结构关键性构件。在连续性倒塌分析和敏感性分析中,重要性系数较高的构件[9]。

3.3.2 构件应变及层间位移监测

本项目中应变监测点主要布置在钢管混凝土柱上,包括钢管混凝土柱的外表面与内部混凝土。为获得可靠的钢管内混凝土压应力数据,应充分利用前期钢管混凝土密实度检测的测点取芯孔布置监测点。层间位移的监测：每层选取若干钢管混凝土柱,在柱顶和柱底分别布置倾角仪,监测层间位移角。

3.3.3 结构动力特性监测

动力加速度测点全部布置在各施工关键阶段的主体结构顶层,由于主体结构断面呈方形,沿结构各向最外侧边柱与核心筒最外侧墙面位置处选择8个断面,每个断面布置铅垂方向以及水平两个方向各一台加速度计。通过每层一系列加速度仪的监测结果,对结构的动力特性进行监测,评估结构安全性。

3.4 无线传输

施工期间,不便架设有线传输系统,故采用GPRS无线传输网络,将数据传输到远端服务器上。具体实现方法是将钢管混凝土柱上布置的应变传感器集成一个GPRS传输模块,每一层的倾角仪传感器集成一个GPRS传输模块,以实现互联网远程监测和数据实时采集。

3.5 云计算服务器

每个采集点使用不同的通信频段,分别与对应的无线收发器进行数据传输,所有无线收发器通过高速传输线路接入至中心路由器,中心路由器通过千兆网将数据传输至数据服务器。

数据中心除了具备数据服务器外,另设一个WEB服务器,WEB服务器向Internet网提供WEB服务,注册的用户可以登陆服务器网站查看数据。

WEB服务器建立防火墙,与数据服务器通过内部局域网连接,数据服务器不可直接由Internet访问,以防止受到网络攻击使数据遭到破坏。

3.6 网上发布监测信息

成立安全监测系统的网站,通过监测数据的表格和图形化显示,可以直观地看到建筑结构实时的安全监测信息。对结构的安全状态进行分级预警,针对不同的预警级别,网站上给出不同的提醒或者警示。达到了超高层建筑智能化监控的目的。

4 基于可靠度的分级预警策略

各类工程结构中,包括钢管混凝土结构,在其设计、施工、运营等各阶段都不可避免存在大量的不确定因素,如结构的物理性质、几何参数等结构本身的属性和结构所承担的荷载。由于各种因素的随机性,把力学问题和统计方法结合起来处理工程问题,已日益受到工程师们的重视。

可靠度是从概率意义上度量结构可靠性大小的尺度,比安全度的含义更广泛,更能反映结构的可靠程度。在监测预警系统中,基于可靠度的预警策略,能更加准确的对结构安全进行预警。

4.1 可靠度分析

结构的极限状态通过描述结构的功能函数定义。设X1,X2,…,Xn为影响结构功能的n个随机变量,结构功能函数可表达为：

(1)

显然,当Z=0时,结构处于极限状态；极限状态Z=0将随机变量空间划分为两个区域：安全域,Z>0；失效域,Z<0。

我们通常用计算结构在规定时间内和规定条件下不满足预定要求的概率,即结构失效概率,来描述结构可靠度问题。表达式为[10]：

(2)

经过数年的发展,在结构可靠度分析领域主要形成四类计算方法,分别是矩方法、数字模拟方法、函数替代方法和概率密度演化方法。每一类方法都有各自的优点与应用范围,矩方法计算原理简单,计算效率高,但是针对复杂问题往往精度不够,甚至不能得到正确结果。数字模拟方法通用性很好,唯一的缺点是计算的效率较低,很难应用于工程实际中。函数替代方法主要用于解决工程中具有隐式状态函数的结构可靠度分析问题[11]。但这三种方法无法解决经典的结构体系可靠度分析的问题：组合爆炸和相关失效。

近几年,概率密度演化法成功地应用于结构可靠度分析领域。此方法通过结构响应的概率密度函数获得结构的可靠度,一方面结构响应的概率密度函数包含结构中所有的概率信息;另一方面不用担心状态函数的复杂形式。

考虑广义概率密度演化方程,以点演化途径求解此可靠度问题[12]：

(3)

其中,Z表示所感兴趣的单个物理量,针对本例框架核心筒,层间位移角是我们所感兴趣的物理量Z,即作为判定结构可靠度的指标。Θ为随机因素的集合,包括结构参数的随机性,荷载随机性。

(4)

其中,θq是一个随机变量组成的向量。可以将一段时间监测目标的监测数据作为状态空间,则此监测物理量即为一个分布已知的随机变量,即：

(5)

其中随机变量Xj1,Xj2,…,Xjn的状态空间是基于监测得到的数据。

(6)

即可得到层间位移角Z的概率密度函数。则失效概率：

Pf=Pz(zi-zlim>0)

(7)

式中,zi为第i层层间位移角,zlim为层间位移角限值,可针对不同目标要求确定合理的限值。据上式可得到每层层间位移角的失效概率,也可得到对应的可靠度β。取所有楼层的最小可靠度作为整体结构可靠度。

4.2 预警阈值

结构可靠度评估的安全控制准则是可靠指标不小于目标可靠指标。目标可靠度的确定应以达到结构可靠与经济上的最佳平衡为原则,一般需考虑以下四个因素：1)公众心理；2)结构重要性；3)结构破坏性质；4)社会经济承受力[10]。

文献[10]指出,对于工程结构来说,可以认为年失效概率小于1×10-4是较安全的,年失效概率小于1×10-5是安全的,年失效概率小于1×10-6则是很安全的。一般结构的实际基准期为50年,因此当结构的设计基准期内失效概率分别小于5×10-3,5×10-4,5×10-5时,可以认为结构较安全、安全和很安全,相应的可靠度指标约为2.5～4.0。

根据上述,考虑公众心理、本例结构重要性、本例结构破坏性质及社会经济承受力等因素,参考失效概率5×10-3,5×10-4,5×10-5,可以得到相应正态分布条件下的可靠度,制定本例监测系统分级预警的可靠度指标,见表1。利用广义概率密度演化法计算得到整体结构的可靠度,即可根据表1不同预警级别可靠度指标进行预警。

表1 不同预警状态对应的可靠度指标

5 结 语

1)本文以某建筑为例,介绍其安全监测系统的构成,包括传感器布置,无线数据传输,云计算平台和网站信息发布四个部分;具有安装方便,能实时监测超高层建筑施工时期和运营时期的应力、应变的特点。此监测系统也可以方便地运用到其他工程中,具有重要的工程运用价值。

2)探讨并给出了安全监测系统的设计原则为有效性、经济性、开放性,对结构安全监测系统的设计有着指导意义,保证了系统有效经济的运行、监测,同时也有着和其他系统相结合的潜力,从而有力地推动了安全监测的研究。

3)本文给出的实例,详细地阐述了安全监测系统各部分的组成,传感器的安装位置,监测数据的采集、传输、分析,基于可靠性的分级预警阈值,是一个安全监测系统的典型案例,具有极大的参考价值。

4)本文存在的不足以及后期研究的方向如下：首先,目前安全监测系统的设计原则是基于工程师多年的经验制定的,希望通过概率密度演化法,引入一些理论分析与研究,用于支持本文所提出的设计原则；其次,将监测量作为概率密度演化分析方法实施工程中的基本随机变量,此引入的监测量与结构体系可靠度变化的敏感性问题,需要进一步研究；最后,由于在结构随机响应的密度演化分析方法中,多维随机变量空间中离散代表点的选取对分析过程的精度和效率是非常重要的,针对本问题,如何进行选点才能达到预警所需要的精度,需要进一步的研究。

[1] 熊海贝,张俊杰. 超高层结构健康监测系统概述[J].结构工程师,2010,26(1):144-150.

[2] 马莎莎. 高层建筑结构健康监测中传感器优化布置研究[D].安徽：合肥工业大学，2012.

[3]PapadopoulosM,GariciaE.Sensorplacementmethodologiesfordynamictesting[J].AIAAJournal,1998,36:256-163.

[4] Udwadia FE. Methodology for optimum sensor locations for parameter identification in dynamic systems[J]. Journal of Engineering Mechanics-ASEC,1994, (120):368-390.

[5] Kammer DC. Sensor placement for on-orbit modal identification and correlation of large space structures[J].J of Guidance and Control Dynamics,1991(14):251-259.

[6] 李惠,周文松,欧进萍,等. 大型桥梁结构智能健康检测系统集成技术研究[J].土木工程学报,2006(2):46-52．

[7] 唐冬玥,赵鸣.潮间带五桩基础风电塔安全监测[C]∥第23届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅲ册).北京：中国力学学会工程力学编辑部，2014:487-490.

[8] 周绪红,黄湘湘,王毅红.钢框架-钢筋混凝土核心筒竖向变形差异的计算[J].建筑结构学报,2005,26(2):66-73．

[9] 郑阳.结构抗连续性倒塌关键构件的评价方法及敏感性分析[D].杭州：浙江大学，2013．

[10] 李国强,黄宏伟,吴迅,等.工程结构荷载与可靠度设计原理[M].北京：中国建筑工业出版社,2005.

[11] 刘令波.基于概率密度演化的非线性随机结构可靠度分析[D].大连：大连理工大学，2013.

[12] 陈建兵,李杰.结构随机地震反应与可靠度的概率密度演化分析研究进展[J].工程力学,2014(4):1-10.

Design Discipline of the Safty Monitoring System for the Super-High-Rise Buildings

QINHao,ZHAOMing

2016-11-07

覃 浩(1992—)，男，湖北宜昌人，硕士在读。

TP274

B

1008-3707(2017)01-0010-05