1引言
超高層建筑結(jié)構(gòu)的使用期限通常長達幾十年乃至上百年。在其使用過程中, 由于超常荷載、材料老化、構(gòu)件缺陷等因素的作用, 結(jié)構(gòu)將逐漸產(chǎn)生損傷累積, 從而使結(jié)構(gòu)的承載能力降低, 抵抗自然災害的能力下降。如遇地震、臺風等災難性荷載作用時, 就可能遭受極為嚴重的破壞, 給國家和人民的生命、財產(chǎn)帶來巨大損失。因此, 監(jiān)測和診斷超高層結(jié)構(gòu)的健康狀況, 及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷, 對可能出現(xiàn)的災害進行預測, 評估服役結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、耐久性和適用性具有非常重要的現(xiàn)實意義。
2超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展狀況
2.1結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)(Structure H ealth Monitoring, 簡稱SHM)是用探測到的響應, 結(jié)合系統(tǒng)的特性分析, 來評價結(jié)構(gòu)損傷的嚴重性以及定位損傷位置。其基本思想是通過測量結(jié)構(gòu)在超常荷載前后的響應來推斷結(jié)構(gòu)特性的變化, 進而探測和評價結(jié)構(gòu)的損傷; 或者通過持續(xù)監(jiān)測來發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長期退化。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可適用于所有種類的結(jié)構(gòu)。其主要特點是集現(xiàn)代的計算機、無線傳感網(wǎng)絡、傳感、信號處理、實時數(shù)據(jù)傳輸與管理、軟件開發(fā)、結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)、智能控制器等為一體, 多學科相互交叉。 國外在20世紀50年代開始結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究, 主要運用于航空航天及機械等領(lǐng)域, 大約在20世紀70年代末, 有國外的學者開始研究土木工程方面的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。至今, 國內(nèi)外重大工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)集成經(jīng)歷了以下幾個階段。早期, 人工監(jiān)測是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主要方式,通過具有豐富經(jīng)驗工程師的肉眼觀察、常規(guī)檢測儀器對結(jié)構(gòu)進行巡查, 然后根據(jù)經(jīng)驗對結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和發(fā)展趨勢做出判斷和決策。后來隨著計算機在土木工程中廣泛應用, 出現(xiàn)了集中式在線監(jiān)測,這種方式是由一臺計算機完成數(shù)據(jù)采集、信號處理和損傷識別, 主要功能于一體, 投資少, 但是由于測點數(shù)目和系統(tǒng)功能有限, 只能適用于空間跨度不大、測點少的結(jié)構(gòu)。為了在復雜結(jié)構(gòu)和空間跨度大的結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)健康監(jiān)測, 出現(xiàn)了分布式在線監(jiān)測, 這種系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)采集、信號處理和數(shù)據(jù)管理等功能, 采用多臺計算機, 通過傳統(tǒng)的計算機通信手段(如RS232 \RS485等)互相合作, 形成一個完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)。它適用于如橋梁、超高層等復雜結(jié)構(gòu), 由于采用分布式技術(shù), 系統(tǒng)相對復雜, 技術(shù)難度大, 投資較高。
集中式和分布式在線監(jiān)測只能在結(jié)構(gòu)現(xiàn)場實現(xiàn)健康監(jiān)測, 無法實現(xiàn)遠離現(xiàn)場或多個用戶同時在線監(jiān)測。遠程分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展解決了這個問題, 它是在分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 應用了Internet和Intranet技術(shù), 實施遠程診斷和訪問, 充分利用了遠程技術(shù)支持和數(shù)據(jù)共享,大大提高了損傷診斷和結(jié)構(gòu)健康評估的準確性。這種系統(tǒng)將是今后土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
2.2超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的特點
由于健康監(jiān)測在土木工程起初主要應用于橋梁結(jié)構(gòu)上, 形成的橋梁的監(jiān)測理論是基于歐拉梁的形式, 如曲率模態(tài), 它只考慮了彎曲變形的影響。超高層結(jié)構(gòu)體系一般采用筒中筒、框筒、框剪結(jié)構(gòu), 因此在側(cè)向荷載作用下, 還需要考慮剪切變形的影響。直接將橋梁監(jiān)測理論應用于超高層還需要進一步探討。不同于橋梁或普通建筑, 超高層結(jié)構(gòu)具有非常大的高度, 風荷載往往成為結(jié)構(gòu)的控制荷載。
在側(cè)向荷載作用下, 超高層結(jié)構(gòu)的水平位移過大容易引起結(jié)構(gòu)損壞或失穩(wěn), 從而影響結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性, 因此對超高層結(jié)構(gòu)的水平位移監(jiān)測與控制是超高層健康監(jiān)測的重要內(nèi)容。以往橋梁或普通建筑位移監(jiān)測主要使用加速度傳感器、激光全站儀或位移計, 但由于超高層建筑獨特的結(jié)構(gòu)體系、動力特性和周邊環(huán)境, 這些方法一定程度上應用于超高層建筑結(jié)構(gòu)還不太成熟, 水平位移監(jiān)測相對比較難。目前, 還未有成熟的理論和技術(shù)來監(jiān)測超高層的水平位移。
2.3超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應用狀況
近幾十年來, 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)有了一定的發(fā)展, 但還未成熟, 因此結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)還未廣泛應用于現(xiàn)今的超高層建筑。80年代初, 國外開始對高層建筑作長期在線監(jiān)測。如M. Ce lebi等人對于1982年在美國舊金山建成的一棟24 層鋼框架結(jié)構(gòu)進行了長期地震監(jiān)測。該鋼框架結(jié)構(gòu)高86. 6 m, 平面尺寸為21.3mX27.4m。采用的監(jiān)測系統(tǒng)準確地獲得了結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵下的加速度和側(cè)移, 為結(jié)構(gòu)的安全評估、維護以及抗震性能研究提供了有效的資料 。2002年初, 在加利福尼亞理工學院米利肯圖書館大樓內(nèi)建立了一個真正的實時監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)被稱作R2SHAPE, 即實時建筑狀態(tài)和性能評估的縮寫。它是加利福尼亞理工學院、美國地質(zhì)調(diào)查局、數(shù)字化數(shù)據(jù)系統(tǒng)股份有限公司共同創(chuàng)建的。大樓內(nèi)新的實時監(jiān)測系統(tǒng)共有36個點, 都安裝了力平衡加速度計, 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換, 采樣率每秒100點。當?shù)卣鸢l(fā)生時, 大量的數(shù)字信號通過TCP / IP協(xié)議傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng), 這些數(shù)據(jù)被發(fā)送到異地的服務器上, 并公布于互聯(lián)網(wǎng)上 。在國內(nèi), 瞿偉廉等在深圳市民大廈的屋頂部分安裝了一套健康監(jiān)測系統(tǒng)。該屋頂為長486m、寬156m 的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu), 跨中豎向桁架支撐在塔上。該系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)組成, 其中, 傳感器子系統(tǒng)測量屋頂部分的風壓和反應, 結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)分析計算結(jié)構(gòu)的反應并進行安全評定。傳感器子系統(tǒng)包括光纖傳感器、應變片、風速儀、風壓計和加速度傳感器。結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)在監(jiān)測得到的結(jié)構(gòu)反應的基礎(chǔ)上, 可以進行屋頂結(jié)構(gòu)的損傷識別、模型修正和安全評定。所有監(jiān)測的信號均存儲在數(shù)據(jù)庫中, 數(shù)據(jù)庫通過局域網(wǎng)和Internet網(wǎng)實現(xiàn)遠程傳輸 。除此之外,深圳地王大廈、上海金茂大廈和杭州市民中心等超高層建筑也做了相關(guān)方面的應用和研究。
3超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)概述
3.1功能
一般超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)具有的功能:
實時監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體和局部狀態(tài);
對結(jié)構(gòu)損傷位置和損傷程度做出診斷;
評估結(jié)構(gòu)的服役情況、可靠性、耐久性以及剩余壽命;
發(fā)生臺風、地震或爆炸等突發(fā)災難事件或結(jié)構(gòu)發(fā)生異常狀態(tài)時, 判斷結(jié)構(gòu)的安全等級, 保證人員的生命與財產(chǎn)安全, 并且在事后為結(jié)構(gòu)的維護和管理決策提供依據(jù);
設計驗證與理論研究。
3.2設計原則
超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計需要遵循功能要求和效益- 成本分析兩大準則。對于超高層建筑結(jié)構(gòu), 健康監(jiān)測系統(tǒng)的功能一般為結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評估、設計驗證或研究發(fā)展。當監(jiān)測系統(tǒng)的功能確定以后, 就可以決定選擇哪些監(jiān)測項目。另外, 監(jiān)測項目的規(guī)模和儀器性能要求等的確定也需要充分衡量效益與成本的關(guān)系。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的成本通常比較大, 監(jiān)測項目及傳感器數(shù)量越多, 監(jiān)測信息就越全面, 從而系統(tǒng)成本就越高; 反之, 如果降低系統(tǒng)成本, 將由于監(jiān)測信息的不足而使監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性降低。因此, 為了使系統(tǒng)成本更合理, 在目的與功能已經(jīng)確定的基礎(chǔ)上,還有必要對效益與成本進行充分衡量。超高層結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測是實時、長期、連續(xù)的在線監(jiān)測, 所以除了前兩大準則以外, 監(jiān)測系統(tǒng)還必須滿足可靠性、耐久性和系統(tǒng)性。在建立監(jiān)測系統(tǒng)時, 在成本允許的基礎(chǔ)上, 盡量選擇高可靠和高耐久的儀器設備。并且, 監(jiān)測網(wǎng)絡的設計也需要優(yōu)化, 盡量做到路徑簡潔、反應迅速; 在系統(tǒng)網(wǎng)絡布置時, 注意施工質(zhì)量, 避免留下隱患。
3.3監(jiān)測項目
監(jiān)測系統(tǒng)不同的功能目標所要求的監(jiān)測項目不盡相同, 主要包括以下幾方面。
1) 結(jié)構(gòu)動力特性監(jiān)測
對于結(jié)構(gòu)的損傷或老化, 會不同程度地引起結(jié)構(gòu)參數(shù)如結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度和阻尼的變化, 進而導致結(jié)構(gòu)自振頻率、振型和模態(tài)參數(shù)等變化, 結(jié)構(gòu)動力監(jiān)測的目的是通過監(jiān)測系統(tǒng)來獲得結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)、加速度時程記錄、頻響函數(shù)來推算結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化, 從而進行結(jié)構(gòu)參數(shù)識別、模型修正和損傷識別。所以結(jié)構(gòu)的動力特性監(jiān)測對于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測具有巨大的工程意義的, 它是超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測一項主要內(nèi)容。
2) 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測
超高層結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測主要內(nèi)容是結(jié)構(gòu)水平位移。結(jié)構(gòu)水平位移過大, 將會導致結(jié)構(gòu)開裂、傾斜、或損傷, 甚至達到一定程度時, 因為結(jié)構(gòu)加速度過大引起室內(nèi)人員不適。在現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范中, 對超高層建筑的頂端位移和層間水平位移都有嚴格的限制 。除此之外, 超高層結(jié)構(gòu)水平變形曲線也是變形監(jiān)測的一項重要內(nèi)容, 它在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)垂直方向的剛度變化, 是損傷判斷的重要依據(jù)之一。
3) 結(jié)構(gòu)局部監(jiān)測
超高層局部監(jiān)測的內(nèi)容包括巨型柱、核心筒墻體、外伸桁架等重要構(gòu)件和一些結(jié)構(gòu)重要節(jié)點。這些構(gòu)件或節(jié)點的強度降低或損傷容易引起結(jié)構(gòu)整體的不穩(wěn)定, 引起安全隱患。因此, 對這些構(gòu)件的內(nèi)力狀態(tài)、強度、耐久性(混凝土碳化、鋼筋腐蝕以及開裂等) 和溫度等進行監(jiān)測, 及時發(fā)現(xiàn)損傷部位也是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。
4) 荷載監(jiān)測
荷載監(jiān)測目的在于記錄超高層經(jīng)受的各種可變荷載及其歷程, 為結(jié)構(gòu)自診斷分析提供荷載數(shù)據(jù)。一般來說, 超高層荷載監(jiān)測的對象主要是風荷載和地震荷載。超高層結(jié)構(gòu)屬于風荷載敏感建筑。隨著高度的增加, 風荷載往往成為超高層結(jié)構(gòu)設計中的控制荷載, 并且頻繁發(fā)生的風力作用容易引起構(gòu)件或關(guān)鍵子結(jié)構(gòu)發(fā)生過大的永久變形, 增加結(jié)構(gòu)二階效應和屈服破壞的可能, 從而降低結(jié)構(gòu)的可靠度, 因此, 抗風設計歷來是結(jié)構(gòu)設計的主要內(nèi)容之一?，F(xiàn)行結(jié)構(gòu)規(guī)范對于超過一定高度的超高層結(jié)構(gòu)風荷載方面的理論和規(guī)定相對還不完善。通過超高層結(jié)構(gòu)的風向、風速的監(jiān)測, 獲得超高層不同風場特性不僅有助于超高層結(jié)構(gòu)在風場中的行為及其抗風穩(wěn)定性的分析, 為結(jié)構(gòu)安全、可靠性評估提供依據(jù), 同時, 還促進了超高層抗風設計和風工程的理論研究。地震荷載也是健康監(jiān)測系統(tǒng)的荷載監(jiān)測內(nèi)容之一, 它主要的作用是記錄地震荷載及其歷程, 為環(huán)境激勵下的結(jié)構(gòu)振動響應分析提供依據(jù)。并且, 獲得的地震觀測資料可以促進我國的地震動方面的研究。
3.4系統(tǒng)組成
一個完整超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要包括以下幾個部分: 傳感器子系統(tǒng); 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng); 結(jié)構(gòu)健康診斷與安全評估子系統(tǒng);數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。
3.4.1傳感器子系統(tǒng)
傳感器是進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的源頭, 能夠?qū)⒓铀俣?、速度、位移、應力應變和溫度等測量參數(shù)直接轉(zhuǎn)換成電子信號輸出, 擔負感知外界環(huán)境變化和收集外界信息的任務, 它的性能和布置方法直接決定了監(jiān)測的準確性、精確性和全面性。適用于超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的傳感器系統(tǒng)必須具備以下幾個特性:
(1) 傳感器的性能指標滿足測量要求。各種不同的傳感器具體的要求更不相同, 主要包括量程、精確度、靈敏度、分辨率、頻響范圍等。除此之外, 傳感器工作的溫度范圍、濕度范圍或其他干擾范圍滿足使用環(huán)境的要求。
(2) 高可靠性和高耐久性。對于超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng), 一般情況下工作環(huán)境比較穩(wěn)定, 但其運行周期長達幾年甚至幾十年, 因此, 傳感器還應該具備高可靠性和耐久性。
(3) 與采集、通信等系統(tǒng)兼容, 具有一定的擴展性。傳感器收集到的環(huán)境和結(jié)構(gòu)信號通常要經(jīng)過調(diào)理器的調(diào)理放大后才能被顯示、傳輸和記錄。通常不同的傳感器具有相匹配的調(diào)理器, 在選擇傳感器時要考慮對應這種傳感器的數(shù)據(jù)輸出方式是否與后續(xù)數(shù)據(jù)采集設備和通信設備相容。另外, 由于超高層結(jié)構(gòu)可能會有比較多的測點, 在選擇采集設備時還應該考慮設備的通道擴展性, 以滿足需要。
(4) 傳感器元件不影響結(jié)構(gòu)的外觀與性能。先進測試技術(shù)的發(fā)展要求不僅要求傳感器具有高精度、高可靠性和高耐久性, 而且還要求尺寸小,重量輕, 不影響結(jié)構(gòu)的外形和性能。需要預埋的傳感器應該易和原結(jié)構(gòu)材料融合, 對原材料影響小。
由于功能、結(jié)構(gòu)形式和工作環(huán)境的特征, 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的監(jiān)測項目與其他重大工程結(jié)構(gòu)(橋梁、道路等)有所不同。應針對不同的監(jiān)測項目和不同的待測參數(shù), 選擇相應的傳感器。
1) 結(jié)構(gòu)動力特性監(jiān)測的傳感器用于記錄結(jié)構(gòu)在動載下的速度和加速度反應譜。振動傳感器是一種換能裝置, 它將振動信號轉(zhuǎn)換為便于傳輸、放大和記錄的電信號。由振動傳感器的原理決定, 加速度傳感器較速度傳感器在構(gòu)造上更容易實現(xiàn), 因此加速度傳感器應用更為普遍。常用加速度傳感器主要包括壓電式加速度計、壓阻式加速度計、電容式加速度計、力平衡式加速度計等。用于超高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的加速度儀需重點考慮有效頻帶和分辨率兩個指標。有效頻帶指傳感器能有效測試各種頻率振動的頻率范圍。
該頻率范圍的下限應低于被測結(jié)構(gòu)的基本頻率,而上限應高于希望測試的結(jié)構(gòu)高階模態(tài)頻率。分辨率指傳感器通過放大器后能感受到的小信號水平, 可以認為是測試系統(tǒng)的大噪聲水平。傳感器的分辨率可按信噪比不小于4確定。
2) 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的傳感器
變形監(jiān)測主要是監(jiān)測建筑物位置的緩慢變化或周期較長的變形。超高層結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測主要是水平位移監(jiān)測, 其包括結(jié)構(gòu)頂端位移監(jiān)測和整體水平變形監(jiān)測。傳統(tǒng)的位移測量儀器有加速度傳感器、位移傳感器和激光全站儀等。但是, 由于超高層結(jié)構(gòu)形式特殊, 這些儀器的測量方法對于超高層結(jié)構(gòu)并不適用。比如: 超高層結(jié)構(gòu)振動緩慢, 通過加速度傳感器測得的加速度來求位移的方法誤差大, 不能滿足監(jiān)測精度的要求; 位移傳感器是一種接觸性傳感器, 必須與測點直接接觸, 對于如超高層結(jié)構(gòu)的大型結(jié)構(gòu)物測量有巨大的困難; 另外, 激光全站儀雖然精度比較高, 但是, 當結(jié)構(gòu)擺動或振動太大時很難捕捉到監(jiān)測點, 尤其是在惡劣天氣(如臺風、大雨或濃霧等)情況下激光跟蹤目標困難, 實時性差。超高層結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測主要采用傾斜儀和全球定位系統(tǒng)(Global Position System, GPS)。
傾斜儀通常用于測量結(jié)構(gòu)主要豎向承重構(gòu)件(核心筒、剪力墻等與結(jié)構(gòu)整體變形相一致的構(gòu)件)豎向的傾角變化。它的主要優(yōu)點在于不僅可以計算獲得結(jié)構(gòu)頂端水平位移, 還能獲得超高層結(jié)構(gòu)沿豎直方向的傾角變化。一般情況下, 超高層結(jié)構(gòu)整體水平變形情況按照結(jié)構(gòu)形式的不同可以分為剪切型、彎曲型、彎剪型; 復雜超高層結(jié)構(gòu)往往需要設置加強層, 這時結(jié)構(gòu)整體水平變形通常不是簡單的上述三種類型, 而是它們之間的組合。因此, 為了準確、實時地監(jiān)測復雜超高層結(jié)構(gòu)的整體水平變形狀態(tài), 需要設置數(shù)個或者數(shù)十個豎直分布的傾斜儀。由于超高層特殊的結(jié)構(gòu)形式和健康監(jiān)測的特點, 對傾角儀的性能指標(靈敏度、量程、頻帶寬度、噪聲、零位漂移和運行環(huán)境溫度等)需要仔細考慮。
目前, 應用于超高層變形監(jiān)測的儀器還有GPS。GPS具有實時、動態(tài)、操作方便等突出的特點, 但是它的測量精度一直是它廣泛應用的瓶頸。戴吾蛟等為了研究GPS在高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應用中能夠達到的測量精度, 設計了一個能夠進行不同頻率和振幅水平振動, 且能夠輸出精確振動位移量的振動臺。其實驗結(jié)果表明, 在小波去噪及多路徑重復性誤差模型改正后, 在開闊的弱多路徑環(huán)境下, 能夠測得振幅為2mm 頻率、低于1H z的振動位移; 而在多路徑效應較強的情況下, GPS 能夠滿足振幅大于20 mm 頻率、低于0. 5 H z的振動位移測量要求。因此, GPS應用于這超高層的位移監(jiān)測,是符合測量精度要求的。
3) 結(jié)構(gòu)局部監(jiān)測的傳感器
超高層結(jié)構(gòu)構(gòu)件監(jiān)測包括對重要構(gòu)件或節(jié)點的應變、耐久性、溫度、裂縫等的監(jiān)測, 傳感器按照功能的不同選用。傳統(tǒng)的傳感器有壓電式力傳感器、阻抗傳感器、應變片等, 廣泛應用于土木工程的結(jié)構(gòu)檢測與監(jiān)測中。現(xiàn)今, 隨著材料科學的發(fā)展, 一些智能材料例如光纖、壓電材料、形狀記憶合金、電阻應變絲、半導體材料等的監(jiān)測精度、耐久性和穩(wěn)定性被證明更符合超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測耐久性、長期性和可靠性的要求, 以后將成為超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的重要發(fā)展趨勢之一。
4) 荷載傳感器
荷載監(jiān)測的傳感器按照荷載類型的不同有強震觀測儀器、風速儀、風壓計等。由于不同的超高層建筑的結(jié)構(gòu)形式、環(huán)境荷載以及建筑特征會有所不同, 所以, 荷載傳感器的性能指標和安裝方法、位置需要嚴格依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的實際情況。
3.4.2數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)
該系統(tǒng)主要包括以下三項功能: 收集傳感器輸出的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行信號處理, 如信號交直分析、信號濾波、信號放大、A /D 轉(zhuǎn)換(信號采集)、采樣控制、信號預處理(異常值處理及標定)等信號采集的基本功能; 存儲采集到的數(shù)據(jù);把數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。它的工作流程一般為: 傳感器將量測到的非電量信號轉(zhuǎn)換成容易量測的電量信號后, 通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換, 將數(shù)值量直接輸入到計算機中。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。硬件部分主要包括傳輸電纜/光纜、數(shù)模轉(zhuǎn)換(A /D )卡, 數(shù)據(jù)采集儀、工控機等, 對于這部分的設計除了滿足正常使用, 還應該考慮性價比的原則。軟件部分功能是集成并管理數(shù)據(jù), 將各種數(shù)據(jù)信息有條理、有重點地反饋給監(jiān)測人員, 并通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。軟件部分的設計原則是: 選擇正確的開發(fā)語言或平臺, 具有良好的運行穩(wěn)定性, 選擇與目的相匹配的軟件功能, 良好的操作性。
遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于Internet / intrane t的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 通過它可以將所有傳感器數(shù)據(jù)的管理和使用工作、部分現(xiàn)場的非實時的數(shù)據(jù)分析工作和健康診斷工作在遠程的計算機終端進行。這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)更加有利于提高數(shù)據(jù)對象信息應用的時效性, 科研人員和工程技術(shù)人員即使不在控制現(xiàn)場, 也可以通過網(wǎng)絡隨時了解現(xiàn)場的控制系統(tǒng)運行情況和系統(tǒng)參數(shù)的實施變化, 并可根據(jù)情況通過網(wǎng)絡在客戶計算機上對在控制現(xiàn)場運行于服務器計算機的控制系統(tǒng)發(fā)出命令, 及時調(diào)整現(xiàn)場控制系統(tǒng)運行狀況, 從而達到遠程控制的目的。這對于超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義。
3.4.3結(jié)構(gòu)健康診斷評估與安全預警子系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)健康診斷評估與安全預警子系統(tǒng)的功能是根據(jù)超高層結(jié)構(gòu)實時監(jiān)測獲得的信息, 科學地、準確地、客觀地評價超高層結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和正常使用性能, 為超高層的維護與管理提供決策依據(jù), 必要時還發(fā)出預警以保證人員的生命財產(chǎn)安全。
(1) 損傷識別系統(tǒng)。它基本上可以分為以下幾類: 動力指紋分析法、模型修正法與系統(tǒng)識別法, 神經(jīng)網(wǎng)絡法, 遺傳算法, 小波變換法等。目前,在超高層建筑應用較為廣泛的為前兩種方法。動力指紋分析法。每座構(gòu)筑物都有其動力特性, 當存在損傷時, 它的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)如剛度、質(zhì)量、阻尼矩陣等會發(fā)生變化, 從而引起系統(tǒng)的動力特性指紋(模態(tài)參數(shù)、頻響函數(shù))改變。因此, 可以利用損傷前后結(jié)構(gòu)動力特性指紋的變化來識別損傷。動力指紋分析法的核心是, 對結(jié)構(gòu)損傷進行全面、正確的分類, 建立起結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測時的動力指紋庫和預估的損傷對應的數(shù)據(jù)庫, 再將損傷后的動力指紋與損傷數(shù)據(jù)庫中的損傷模式進行匹配, 從而識別損傷?，F(xiàn)在通常用的動力指紋有頻率、振型、振型曲率/應變模態(tài)、柔度等。模型修正法。主要原理是使用動力監(jiān)測信息, 如模態(tài)參數(shù)、加速度時程數(shù)據(jù)、頻率響應函數(shù)
等, 通過條件優(yōu)化約束, 不斷修正模型中的剛度分布, 從而由測得的模型剛度的退化, 對結(jié)構(gòu)損傷進行判別和定位。
(2) 安全評定系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)安全性評估方法常用的理論是可靠度理論。安全評定分為正常使用狀態(tài)安全評定和極限承載力狀態(tài)安全評定?？煽慷壤碚撝饕歉鶕?jù)系統(tǒng)或構(gòu)件的實效模式以確定結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài), 然后根據(jù)所定義的極限狀態(tài)確定極限荷載、臨界荷載和臨界強度, 得出相應的實效概率、可靠度及可靠性指標, 從而進行安全性評定。目前, 安全評定方法還有層次分析法、模糊理論以及專家系統(tǒng)等。
3.4.4 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)
數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)監(jiān)測過程中所獲取數(shù)據(jù)的存儲和管理, 通過該系統(tǒng)可進行數(shù)據(jù)的修改、刪除、查詢等操作。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的性能直接影響整個監(jiān)測系統(tǒng)使用的方便性與可靠性。數(shù)據(jù)庫按存儲方式可分為集中式數(shù)據(jù)庫和分布式數(shù)據(jù)庫。集中式數(shù)據(jù)庫把數(shù)據(jù)集中在一起進行集中管理, 減少了數(shù)據(jù)冗余和不一致性, 其弱點是系統(tǒng)相當龐大, 操作復雜, 開銷大, 處理不同領(lǐng)域問題時顯得不夠靈活,此外, 由于數(shù)據(jù)集中存儲, 大量的通信要通過主機, 易造成擁堵現(xiàn)象。分布式數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分布在網(wǎng)絡的各個結(jié)點上, 大多數(shù)數(shù)據(jù)處理不通過主機而由網(wǎng)絡結(jié)點上的局部處理機進行, 響應速度快, 負荷可均衡分散, 偶然性故障對全局的影響小。
4結(jié)論與展望
本文介紹了超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要性、發(fā)展歷程、特點以及應用情況, 并結(jié)合以往大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的經(jīng)驗和成果, 全面闡述了超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的功能、設計準則、監(jiān)測項目、健康監(jiān)測系統(tǒng)的各組成部分的功能、特點、實現(xiàn)方法。健康監(jiān)測在土木工程起初主要應用于橋梁結(jié)構(gòu)上, 目前, 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)主要來源于橋梁結(jié)構(gòu), 但由于兩者結(jié)構(gòu)模型、監(jiān)測環(huán)境、荷載作用方式、支座形式等存在差異, 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一些技術(shù)不完全適用超高層建筑, 因此, 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的理論和方法還需要不斷地研究與實踐:
(1) 由于超高層特殊的結(jié)構(gòu)形式, 傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法并不適用其水平位移的長期監(jiān)測。且目前新采用的傾斜儀和GPS監(jiān)測結(jié)構(gòu)變形的技術(shù)還未發(fā)展成熟, 處于嘗試階段, 還未達到理想的效果, 許多問題還有待于解決。
(2) 基于無線通訊技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應用將是以后結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重點發(fā)展方向之一, 它避免了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)組建的布線困難,大幅度減少了這方面的成本, 并且不用擔心信號線的老化和損壞對信號采集的影響。
(3) 傳感器的優(yōu)化布置是超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一個重要問題, 處于對經(jīng)濟和有效性的考慮,應該盡量做到用少的傳感器來獲取有效和全面的結(jié)構(gòu)信息。
(4) 目前, 損傷識別方法有動力分析法、模型修正法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、遺傳算法等, 前兩者在超高層健康監(jiān)測中比較常用, 但在實際工程中應用效果往往不很理想, 未能做到對損傷精確、量化地識別, 因此超高層的損傷識別方法還需要進一步的理論研究。
(5) 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究近年來成為了土木工程領(lǐng)域發(fā)展的重點課題之一, 但目前還缺少其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計與開發(fā)的統(tǒng)一標準和規(guī)程。
關(guān)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是指對工程結(jié)構(gòu)實施損傷檢測和識別。 我們這里所說的損傷包括材料特性改變或結(jié)構(gòu)體系的幾何特性發(fā)生改變，以及邊界條件和體系的連續(xù)性，體系的整體連續(xù)性對結(jié)構(gòu)的服役能力有至關(guān)重要的作用。 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測涉及到通過分析定期采集的結(jié)構(gòu)布置的傳感器陣列的動力響應數(shù)據(jù)來觀察體系隨時間推移產(chǎn)生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數(shù)據(jù)分析來確定結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。對于長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)定期更新來估計結(jié)構(gòu)老化和惡劣服役環(huán)境對工程結(jié)構(gòu)是否有能力繼續(xù)實現(xiàn)設計功能。
關(guān)于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司（Cavono,Inc.）是一家基于物聯(lián)網(wǎng)光纖傳感器技術(shù)從事土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預警管理的高新技術(shù)企業(yè)，聚華是光纖光柵傳感器產(chǎn)品提供商和土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測一站式解決方案優(yōu)質(zhì)合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、推廣與應用，以提供野外光纖傳感器自動化監(jiān)測產(chǎn)品、工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測一站式解決方案見長。主要以光纖光柵傳感器技術(shù)、分布式光纖測溫技術(shù)、工程安全自動化云計算軟件、工程化專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)分析為技術(shù)核心。www.skhhsst.net
超高層建筑結(jié)構(gòu)的使用期限通常長達幾十年乃至上百年。在其使用過程中, 由于超常荷載、材料老化、構(gòu)件缺陷等因素的作用, 結(jié)構(gòu)將逐漸產(chǎn)生損傷累積, 從而使結(jié)構(gòu)的承載能力降低, 抵抗自然災害的能力下降。如遇地震、臺風等災難性荷載作用時, 就可能遭受極為嚴重的破壞, 給國家和人民的生命、財產(chǎn)帶來巨大損失。因此, 監(jiān)測和診斷超高層結(jié)構(gòu)的健康狀況, 及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷, 對可能出現(xiàn)的災害進行預測, 評估服役結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、耐久性和適用性具有非常重要的現(xiàn)實意義。
2超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展狀況
2.1結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)(Structure H ealth Monitoring, 簡稱SHM)是用探測到的響應, 結(jié)合系統(tǒng)的特性分析, 來評價結(jié)構(gòu)損傷的嚴重性以及定位損傷位置。其基本思想是通過測量結(jié)構(gòu)在超常荷載前后的響應來推斷結(jié)構(gòu)特性的變化, 進而探測和評價結(jié)構(gòu)的損傷; 或者通過持續(xù)監(jiān)測來發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長期退化。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可適用于所有種類的結(jié)構(gòu)。其主要特點是集現(xiàn)代的計算機、無線傳感網(wǎng)絡、傳感、信號處理、實時數(shù)據(jù)傳輸與管理、軟件開發(fā)、結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)、智能控制器等為一體, 多學科相互交叉。 國外在20世紀50年代開始結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究, 主要運用于航空航天及機械等領(lǐng)域, 大約在20世紀70年代末, 有國外的學者開始研究土木工程方面的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。至今, 國內(nèi)外重大工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)集成經(jīng)歷了以下幾個階段。早期, 人工監(jiān)測是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主要方式,通過具有豐富經(jīng)驗工程師的肉眼觀察、常規(guī)檢測儀器對結(jié)構(gòu)進行巡查, 然后根據(jù)經(jīng)驗對結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和發(fā)展趨勢做出判斷和決策。后來隨著計算機在土木工程中廣泛應用, 出現(xiàn)了集中式在線監(jiān)測,這種方式是由一臺計算機完成數(shù)據(jù)采集、信號處理和損傷識別, 主要功能于一體, 投資少, 但是由于測點數(shù)目和系統(tǒng)功能有限, 只能適用于空間跨度不大、測點少的結(jié)構(gòu)。為了在復雜結(jié)構(gòu)和空間跨度大的結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)健康監(jiān)測, 出現(xiàn)了分布式在線監(jiān)測, 這種系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)采集、信號處理和數(shù)據(jù)管理等功能, 采用多臺計算機, 通過傳統(tǒng)的計算機通信手段(如RS232 \RS485等)互相合作, 形成一個完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)。它適用于如橋梁、超高層等復雜結(jié)構(gòu), 由于采用分布式技術(shù), 系統(tǒng)相對復雜, 技術(shù)難度大, 投資較高。
集中式和分布式在線監(jiān)測只能在結(jié)構(gòu)現(xiàn)場實現(xiàn)健康監(jiān)測, 無法實現(xiàn)遠離現(xiàn)場或多個用戶同時在線監(jiān)測。遠程分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展解決了這個問題, 它是在分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 應用了Internet和Intranet技術(shù), 實施遠程診斷和訪問, 充分利用了遠程技術(shù)支持和數(shù)據(jù)共享,大大提高了損傷診斷和結(jié)構(gòu)健康評估的準確性。這種系統(tǒng)將是今后土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
2.2超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的特點
由于健康監(jiān)測在土木工程起初主要應用于橋梁結(jié)構(gòu)上, 形成的橋梁的監(jiān)測理論是基于歐拉梁的形式, 如曲率模態(tài), 它只考慮了彎曲變形的影響。超高層結(jié)構(gòu)體系一般采用筒中筒、框筒、框剪結(jié)構(gòu), 因此在側(cè)向荷載作用下, 還需要考慮剪切變形的影響。直接將橋梁監(jiān)測理論應用于超高層還需要進一步探討。不同于橋梁或普通建筑, 超高層結(jié)構(gòu)具有非常大的高度, 風荷載往往成為結(jié)構(gòu)的控制荷載。
在側(cè)向荷載作用下, 超高層結(jié)構(gòu)的水平位移過大容易引起結(jié)構(gòu)損壞或失穩(wěn), 從而影響結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性, 因此對超高層結(jié)構(gòu)的水平位移監(jiān)測與控制是超高層健康監(jiān)測的重要內(nèi)容。以往橋梁或普通建筑位移監(jiān)測主要使用加速度傳感器、激光全站儀或位移計, 但由于超高層建筑獨特的結(jié)構(gòu)體系、動力特性和周邊環(huán)境, 這些方法一定程度上應用于超高層建筑結(jié)構(gòu)還不太成熟, 水平位移監(jiān)測相對比較難。目前, 還未有成熟的理論和技術(shù)來監(jiān)測超高層的水平位移。
2.3超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應用狀況
近幾十年來, 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)有了一定的發(fā)展, 但還未成熟, 因此結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)還未廣泛應用于現(xiàn)今的超高層建筑。80年代初, 國外開始對高層建筑作長期在線監(jiān)測。如M. Ce lebi等人對于1982年在美國舊金山建成的一棟24 層鋼框架結(jié)構(gòu)進行了長期地震監(jiān)測。該鋼框架結(jié)構(gòu)高86. 6 m, 平面尺寸為21.3mX27.4m。采用的監(jiān)測系統(tǒng)準確地獲得了結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵下的加速度和側(cè)移, 為結(jié)構(gòu)的安全評估、維護以及抗震性能研究提供了有效的資料 。2002年初, 在加利福尼亞理工學院米利肯圖書館大樓內(nèi)建立了一個真正的實時監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)被稱作R2SHAPE, 即實時建筑狀態(tài)和性能評估的縮寫。它是加利福尼亞理工學院、美國地質(zhì)調(diào)查局、數(shù)字化數(shù)據(jù)系統(tǒng)股份有限公司共同創(chuàng)建的。大樓內(nèi)新的實時監(jiān)測系統(tǒng)共有36個點, 都安裝了力平衡加速度計, 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換, 采樣率每秒100點。當?shù)卣鸢l(fā)生時, 大量的數(shù)字信號通過TCP / IP協(xié)議傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng), 這些數(shù)據(jù)被發(fā)送到異地的服務器上, 并公布于互聯(lián)網(wǎng)上 。在國內(nèi), 瞿偉廉等在深圳市民大廈的屋頂部分安裝了一套健康監(jiān)測系統(tǒng)。該屋頂為長486m、寬156m 的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu), 跨中豎向桁架支撐在塔上。該系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)組成, 其中, 傳感器子系統(tǒng)測量屋頂部分的風壓和反應, 結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)分析計算結(jié)構(gòu)的反應并進行安全評定。傳感器子系統(tǒng)包括光纖傳感器、應變片、風速儀、風壓計和加速度傳感器。結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)在監(jiān)測得到的結(jié)構(gòu)反應的基礎(chǔ)上, 可以進行屋頂結(jié)構(gòu)的損傷識別、模型修正和安全評定。所有監(jiān)測的信號均存儲在數(shù)據(jù)庫中, 數(shù)據(jù)庫通過局域網(wǎng)和Internet網(wǎng)實現(xiàn)遠程傳輸 。除此之外,深圳地王大廈、上海金茂大廈和杭州市民中心等超高層建筑也做了相關(guān)方面的應用和研究。
3超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)概述
3.1功能
一般超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)具有的功能:
實時監(jiān)控結(jié)構(gòu)的整體和局部狀態(tài);
對結(jié)構(gòu)損傷位置和損傷程度做出診斷;
評估結(jié)構(gòu)的服役情況、可靠性、耐久性以及剩余壽命;
發(fā)生臺風、地震或爆炸等突發(fā)災難事件或結(jié)構(gòu)發(fā)生異常狀態(tài)時, 判斷結(jié)構(gòu)的安全等級, 保證人員的生命與財產(chǎn)安全, 并且在事后為結(jié)構(gòu)的維護和管理決策提供依據(jù);
設計驗證與理論研究。
3.2設計原則
超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計需要遵循功能要求和效益- 成本分析兩大準則。對于超高層建筑結(jié)構(gòu), 健康監(jiān)測系統(tǒng)的功能一般為結(jié)構(gòu)監(jiān)控與評估、設計驗證或研究發(fā)展。當監(jiān)測系統(tǒng)的功能確定以后, 就可以決定選擇哪些監(jiān)測項目。另外, 監(jiān)測項目的規(guī)模和儀器性能要求等的確定也需要充分衡量效益與成本的關(guān)系。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的成本通常比較大, 監(jiān)測項目及傳感器數(shù)量越多, 監(jiān)測信息就越全面, 從而系統(tǒng)成本就越高; 反之, 如果降低系統(tǒng)成本, 將由于監(jiān)測信息的不足而使監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性降低。因此, 為了使系統(tǒng)成本更合理, 在目的與功能已經(jīng)確定的基礎(chǔ)上,還有必要對效益與成本進行充分衡量。超高層結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測是實時、長期、連續(xù)的在線監(jiān)測, 所以除了前兩大準則以外, 監(jiān)測系統(tǒng)還必須滿足可靠性、耐久性和系統(tǒng)性。在建立監(jiān)測系統(tǒng)時, 在成本允許的基礎(chǔ)上, 盡量選擇高可靠和高耐久的儀器設備。并且, 監(jiān)測網(wǎng)絡的設計也需要優(yōu)化, 盡量做到路徑簡潔、反應迅速; 在系統(tǒng)網(wǎng)絡布置時, 注意施工質(zhì)量, 避免留下隱患。
3.3監(jiān)測項目
監(jiān)測系統(tǒng)不同的功能目標所要求的監(jiān)測項目不盡相同, 主要包括以下幾方面。
1) 結(jié)構(gòu)動力特性監(jiān)測
對于結(jié)構(gòu)的損傷或老化, 會不同程度地引起結(jié)構(gòu)參數(shù)如結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度和阻尼的變化, 進而導致結(jié)構(gòu)自振頻率、振型和模態(tài)參數(shù)等變化, 結(jié)構(gòu)動力監(jiān)測的目的是通過監(jiān)測系統(tǒng)來獲得結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)、加速度時程記錄、頻響函數(shù)來推算結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化, 從而進行結(jié)構(gòu)參數(shù)識別、模型修正和損傷識別。所以結(jié)構(gòu)的動力特性監(jiān)測對于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測具有巨大的工程意義的, 它是超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測一項主要內(nèi)容。
2) 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測
超高層結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測主要內(nèi)容是結(jié)構(gòu)水平位移。結(jié)構(gòu)水平位移過大, 將會導致結(jié)構(gòu)開裂、傾斜、或損傷, 甚至達到一定程度時, 因為結(jié)構(gòu)加速度過大引起室內(nèi)人員不適。在現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范中, 對超高層建筑的頂端位移和層間水平位移都有嚴格的限制 。除此之外, 超高層結(jié)構(gòu)水平變形曲線也是變形監(jiān)測的一項重要內(nèi)容, 它在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)垂直方向的剛度變化, 是損傷判斷的重要依據(jù)之一。
3) 結(jié)構(gòu)局部監(jiān)測
超高層局部監(jiān)測的內(nèi)容包括巨型柱、核心筒墻體、外伸桁架等重要構(gòu)件和一些結(jié)構(gòu)重要節(jié)點。這些構(gòu)件或節(jié)點的強度降低或損傷容易引起結(jié)構(gòu)整體的不穩(wěn)定, 引起安全隱患。因此, 對這些構(gòu)件的內(nèi)力狀態(tài)、強度、耐久性(混凝土碳化、鋼筋腐蝕以及開裂等) 和溫度等進行監(jiān)測, 及時發(fā)現(xiàn)損傷部位也是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要內(nèi)容之一。
4) 荷載監(jiān)測
荷載監(jiān)測目的在于記錄超高層經(jīng)受的各種可變荷載及其歷程, 為結(jié)構(gòu)自診斷分析提供荷載數(shù)據(jù)。一般來說, 超高層荷載監(jiān)測的對象主要是風荷載和地震荷載。超高層結(jié)構(gòu)屬于風荷載敏感建筑。隨著高度的增加, 風荷載往往成為超高層結(jié)構(gòu)設計中的控制荷載, 并且頻繁發(fā)生的風力作用容易引起構(gòu)件或關(guān)鍵子結(jié)構(gòu)發(fā)生過大的永久變形, 增加結(jié)構(gòu)二階效應和屈服破壞的可能, 從而降低結(jié)構(gòu)的可靠度, 因此, 抗風設計歷來是結(jié)構(gòu)設計的主要內(nèi)容之一?，F(xiàn)行結(jié)構(gòu)規(guī)范對于超過一定高度的超高層結(jié)構(gòu)風荷載方面的理論和規(guī)定相對還不完善。通過超高層結(jié)構(gòu)的風向、風速的監(jiān)測, 獲得超高層不同風場特性不僅有助于超高層結(jié)構(gòu)在風場中的行為及其抗風穩(wěn)定性的分析, 為結(jié)構(gòu)安全、可靠性評估提供依據(jù), 同時, 還促進了超高層抗風設計和風工程的理論研究。地震荷載也是健康監(jiān)測系統(tǒng)的荷載監(jiān)測內(nèi)容之一, 它主要的作用是記錄地震荷載及其歷程, 為環(huán)境激勵下的結(jié)構(gòu)振動響應分析提供依據(jù)。并且, 獲得的地震觀測資料可以促進我國的地震動方面的研究。
3.4系統(tǒng)組成
一個完整超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要包括以下幾個部分: 傳感器子系統(tǒng); 數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng); 結(jié)構(gòu)健康診斷與安全評估子系統(tǒng);數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。
3.4.1傳感器子系統(tǒng)
傳感器是進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的源頭, 能夠?qū)⒓铀俣?、速度、位移、應力應變和溫度等測量參數(shù)直接轉(zhuǎn)換成電子信號輸出, 擔負感知外界環(huán)境變化和收集外界信息的任務, 它的性能和布置方法直接決定了監(jiān)測的準確性、精確性和全面性。適用于超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的傳感器系統(tǒng)必須具備以下幾個特性:
(1) 傳感器的性能指標滿足測量要求。各種不同的傳感器具體的要求更不相同, 主要包括量程、精確度、靈敏度、分辨率、頻響范圍等。除此之外, 傳感器工作的溫度范圍、濕度范圍或其他干擾范圍滿足使用環(huán)境的要求。
(2) 高可靠性和高耐久性。對于超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng), 一般情況下工作環(huán)境比較穩(wěn)定, 但其運行周期長達幾年甚至幾十年, 因此, 傳感器還應該具備高可靠性和耐久性。
(3) 與采集、通信等系統(tǒng)兼容, 具有一定的擴展性。傳感器收集到的環(huán)境和結(jié)構(gòu)信號通常要經(jīng)過調(diào)理器的調(diào)理放大后才能被顯示、傳輸和記錄。通常不同的傳感器具有相匹配的調(diào)理器, 在選擇傳感器時要考慮對應這種傳感器的數(shù)據(jù)輸出方式是否與后續(xù)數(shù)據(jù)采集設備和通信設備相容。另外, 由于超高層結(jié)構(gòu)可能會有比較多的測點, 在選擇采集設備時還應該考慮設備的通道擴展性, 以滿足需要。
(4) 傳感器元件不影響結(jié)構(gòu)的外觀與性能。先進測試技術(shù)的發(fā)展要求不僅要求傳感器具有高精度、高可靠性和高耐久性, 而且還要求尺寸小,重量輕, 不影響結(jié)構(gòu)的外形和性能。需要預埋的傳感器應該易和原結(jié)構(gòu)材料融合, 對原材料影響小。
由于功能、結(jié)構(gòu)形式和工作環(huán)境的特征, 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的監(jiān)測項目與其他重大工程結(jié)構(gòu)(橋梁、道路等)有所不同。應針對不同的監(jiān)測項目和不同的待測參數(shù), 選擇相應的傳感器。
1) 結(jié)構(gòu)動力特性監(jiān)測的傳感器用于記錄結(jié)構(gòu)在動載下的速度和加速度反應譜。振動傳感器是一種換能裝置, 它將振動信號轉(zhuǎn)換為便于傳輸、放大和記錄的電信號。由振動傳感器的原理決定, 加速度傳感器較速度傳感器在構(gòu)造上更容易實現(xiàn), 因此加速度傳感器應用更為普遍。常用加速度傳感器主要包括壓電式加速度計、壓阻式加速度計、電容式加速度計、力平衡式加速度計等。用于超高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的加速度儀需重點考慮有效頻帶和分辨率兩個指標。有效頻帶指傳感器能有效測試各種頻率振動的頻率范圍。
該頻率范圍的下限應低于被測結(jié)構(gòu)的基本頻率,而上限應高于希望測試的結(jié)構(gòu)高階模態(tài)頻率。分辨率指傳感器通過放大器后能感受到的小信號水平, 可以認為是測試系統(tǒng)的大噪聲水平。傳感器的分辨率可按信噪比不小于4確定。
2) 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的傳感器
變形監(jiān)測主要是監(jiān)測建筑物位置的緩慢變化或周期較長的變形。超高層結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測主要是水平位移監(jiān)測, 其包括結(jié)構(gòu)頂端位移監(jiān)測和整體水平變形監(jiān)測。傳統(tǒng)的位移測量儀器有加速度傳感器、位移傳感器和激光全站儀等。但是, 由于超高層結(jié)構(gòu)形式特殊, 這些儀器的測量方法對于超高層結(jié)構(gòu)并不適用。比如: 超高層結(jié)構(gòu)振動緩慢, 通過加速度傳感器測得的加速度來求位移的方法誤差大, 不能滿足監(jiān)測精度的要求; 位移傳感器是一種接觸性傳感器, 必須與測點直接接觸, 對于如超高層結(jié)構(gòu)的大型結(jié)構(gòu)物測量有巨大的困難; 另外, 激光全站儀雖然精度比較高, 但是, 當結(jié)構(gòu)擺動或振動太大時很難捕捉到監(jiān)測點, 尤其是在惡劣天氣(如臺風、大雨或濃霧等)情況下激光跟蹤目標困難, 實時性差。超高層結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測主要采用傾斜儀和全球定位系統(tǒng)(Global Position System, GPS)。
傾斜儀通常用于測量結(jié)構(gòu)主要豎向承重構(gòu)件(核心筒、剪力墻等與結(jié)構(gòu)整體變形相一致的構(gòu)件)豎向的傾角變化。它的主要優(yōu)點在于不僅可以計算獲得結(jié)構(gòu)頂端水平位移, 還能獲得超高層結(jié)構(gòu)沿豎直方向的傾角變化。一般情況下, 超高層結(jié)構(gòu)整體水平變形情況按照結(jié)構(gòu)形式的不同可以分為剪切型、彎曲型、彎剪型; 復雜超高層結(jié)構(gòu)往往需要設置加強層, 這時結(jié)構(gòu)整體水平變形通常不是簡單的上述三種類型, 而是它們之間的組合。因此, 為了準確、實時地監(jiān)測復雜超高層結(jié)構(gòu)的整體水平變形狀態(tài), 需要設置數(shù)個或者數(shù)十個豎直分布的傾斜儀。由于超高層特殊的結(jié)構(gòu)形式和健康監(jiān)測的特點, 對傾角儀的性能指標(靈敏度、量程、頻帶寬度、噪聲、零位漂移和運行環(huán)境溫度等)需要仔細考慮。
目前, 應用于超高層變形監(jiān)測的儀器還有GPS。GPS具有實時、動態(tài)、操作方便等突出的特點, 但是它的測量精度一直是它廣泛應用的瓶頸。戴吾蛟等為了研究GPS在高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應用中能夠達到的測量精度, 設計了一個能夠進行不同頻率和振幅水平振動, 且能夠輸出精確振動位移量的振動臺。其實驗結(jié)果表明, 在小波去噪及多路徑重復性誤差模型改正后, 在開闊的弱多路徑環(huán)境下, 能夠測得振幅為2mm 頻率、低于1H z的振動位移; 而在多路徑效應較強的情況下, GPS 能夠滿足振幅大于20 mm 頻率、低于0. 5 H z的振動位移測量要求。因此, GPS應用于這超高層的位移監(jiān)測,是符合測量精度要求的。
3) 結(jié)構(gòu)局部監(jiān)測的傳感器
超高層結(jié)構(gòu)構(gòu)件監(jiān)測包括對重要構(gòu)件或節(jié)點的應變、耐久性、溫度、裂縫等的監(jiān)測, 傳感器按照功能的不同選用。傳統(tǒng)的傳感器有壓電式力傳感器、阻抗傳感器、應變片等, 廣泛應用于土木工程的結(jié)構(gòu)檢測與監(jiān)測中。現(xiàn)今, 隨著材料科學的發(fā)展, 一些智能材料例如光纖、壓電材料、形狀記憶合金、電阻應變絲、半導體材料等的監(jiān)測精度、耐久性和穩(wěn)定性被證明更符合超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測耐久性、長期性和可靠性的要求, 以后將成為超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的重要發(fā)展趨勢之一。
4) 荷載傳感器
荷載監(jiān)測的傳感器按照荷載類型的不同有強震觀測儀器、風速儀、風壓計等。由于不同的超高層建筑的結(jié)構(gòu)形式、環(huán)境荷載以及建筑特征會有所不同, 所以, 荷載傳感器的性能指標和安裝方法、位置需要嚴格依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的實際情況。
3.4.2數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)
該系統(tǒng)主要包括以下三項功能: 收集傳感器輸出的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行信號處理, 如信號交直分析、信號濾波、信號放大、A /D 轉(zhuǎn)換(信號采集)、采樣控制、信號預處理(異常值處理及標定)等信號采集的基本功能; 存儲采集到的數(shù)據(jù);把數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。它的工作流程一般為: 傳感器將量測到的非電量信號轉(zhuǎn)換成容易量測的電量信號后, 通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換, 將數(shù)值量直接輸入到計算機中。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。硬件部分主要包括傳輸電纜/光纜、數(shù)模轉(zhuǎn)換(A /D )卡, 數(shù)據(jù)采集儀、工控機等, 對于這部分的設計除了滿足正常使用, 還應該考慮性價比的原則。軟件部分功能是集成并管理數(shù)據(jù), 將各種數(shù)據(jù)信息有條理、有重點地反饋給監(jiān)測人員, 并通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。軟件部分的設計原則是: 選擇正確的開發(fā)語言或平臺, 具有良好的運行穩(wěn)定性, 選擇與目的相匹配的軟件功能, 良好的操作性。
遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于Internet / intrane t的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 通過它可以將所有傳感器數(shù)據(jù)的管理和使用工作、部分現(xiàn)場的非實時的數(shù)據(jù)分析工作和健康診斷工作在遠程的計算機終端進行。這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)更加有利于提高數(shù)據(jù)對象信息應用的時效性, 科研人員和工程技術(shù)人員即使不在控制現(xiàn)場, 也可以通過網(wǎng)絡隨時了解現(xiàn)場的控制系統(tǒng)運行情況和系統(tǒng)參數(shù)的實施變化, 并可根據(jù)情況通過網(wǎng)絡在客戶計算機上對在控制現(xiàn)場運行于服務器計算機的控制系統(tǒng)發(fā)出命令, 及時調(diào)整現(xiàn)場控制系統(tǒng)運行狀況, 從而達到遠程控制的目的。這對于超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義。
3.4.3結(jié)構(gòu)健康診斷評估與安全預警子系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)健康診斷評估與安全預警子系統(tǒng)的功能是根據(jù)超高層結(jié)構(gòu)實時監(jiān)測獲得的信息, 科學地、準確地、客觀地評價超高層結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和正常使用性能, 為超高層的維護與管理提供決策依據(jù), 必要時還發(fā)出預警以保證人員的生命財產(chǎn)安全。
(1) 損傷識別系統(tǒng)。它基本上可以分為以下幾類: 動力指紋分析法、模型修正法與系統(tǒng)識別法, 神經(jīng)網(wǎng)絡法, 遺傳算法, 小波變換法等。目前,在超高層建筑應用較為廣泛的為前兩種方法。動力指紋分析法。每座構(gòu)筑物都有其動力特性, 當存在損傷時, 它的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)如剛度、質(zhì)量、阻尼矩陣等會發(fā)生變化, 從而引起系統(tǒng)的動力特性指紋(模態(tài)參數(shù)、頻響函數(shù))改變。因此, 可以利用損傷前后結(jié)構(gòu)動力特性指紋的變化來識別損傷。動力指紋分析法的核心是, 對結(jié)構(gòu)損傷進行全面、正確的分類, 建立起結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測時的動力指紋庫和預估的損傷對應的數(shù)據(jù)庫, 再將損傷后的動力指紋與損傷數(shù)據(jù)庫中的損傷模式進行匹配, 從而識別損傷?，F(xiàn)在通常用的動力指紋有頻率、振型、振型曲率/應變模態(tài)、柔度等。模型修正法。主要原理是使用動力監(jiān)測信息, 如模態(tài)參數(shù)、加速度時程數(shù)據(jù)、頻率響應函數(shù)
等, 通過條件優(yōu)化約束, 不斷修正模型中的剛度分布, 從而由測得的模型剛度的退化, 對結(jié)構(gòu)損傷進行判別和定位。
(2) 安全評定系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)安全性評估方法常用的理論是可靠度理論。安全評定分為正常使用狀態(tài)安全評定和極限承載力狀態(tài)安全評定?？煽慷壤碚撝饕歉鶕?jù)系統(tǒng)或構(gòu)件的實效模式以確定結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài), 然后根據(jù)所定義的極限狀態(tài)確定極限荷載、臨界荷載和臨界強度, 得出相應的實效概率、可靠度及可靠性指標, 從而進行安全性評定。目前, 安全評定方法還有層次分析法、模糊理論以及專家系統(tǒng)等。
3.4.4 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)
數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)監(jiān)測過程中所獲取數(shù)據(jù)的存儲和管理, 通過該系統(tǒng)可進行數(shù)據(jù)的修改、刪除、查詢等操作。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的性能直接影響整個監(jiān)測系統(tǒng)使用的方便性與可靠性。數(shù)據(jù)庫按存儲方式可分為集中式數(shù)據(jù)庫和分布式數(shù)據(jù)庫。集中式數(shù)據(jù)庫把數(shù)據(jù)集中在一起進行集中管理, 減少了數(shù)據(jù)冗余和不一致性, 其弱點是系統(tǒng)相當龐大, 操作復雜, 開銷大, 處理不同領(lǐng)域問題時顯得不夠靈活,此外, 由于數(shù)據(jù)集中存儲, 大量的通信要通過主機, 易造成擁堵現(xiàn)象。分布式數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分布在網(wǎng)絡的各個結(jié)點上, 大多數(shù)數(shù)據(jù)處理不通過主機而由網(wǎng)絡結(jié)點上的局部處理機進行, 響應速度快, 負荷可均衡分散, 偶然性故障對全局的影響小。
4結(jié)論與展望
本文介紹了超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要性、發(fā)展歷程、特點以及應用情況, 并結(jié)合以往大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的經(jīng)驗和成果, 全面闡述了超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的功能、設計準則、監(jiān)測項目、健康監(jiān)測系統(tǒng)的各組成部分的功能、特點、實現(xiàn)方法。健康監(jiān)測在土木工程起初主要應用于橋梁結(jié)構(gòu)上, 目前, 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)主要來源于橋梁結(jié)構(gòu), 但由于兩者結(jié)構(gòu)模型、監(jiān)測環(huán)境、荷載作用方式、支座形式等存在差異, 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一些技術(shù)不完全適用超高層建筑, 因此, 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的理論和方法還需要不斷地研究與實踐:
(1) 由于超高層特殊的結(jié)構(gòu)形式, 傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法并不適用其水平位移的長期監(jiān)測。且目前新采用的傾斜儀和GPS監(jiān)測結(jié)構(gòu)變形的技術(shù)還未發(fā)展成熟, 處于嘗試階段, 還未達到理想的效果, 許多問題還有待于解決。
(2) 基于無線通訊技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應用將是以后結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重點發(fā)展方向之一, 它避免了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)組建的布線困難,大幅度減少了這方面的成本, 并且不用擔心信號線的老化和損壞對信號采集的影響。
(3) 傳感器的優(yōu)化布置是超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一個重要問題, 處于對經(jīng)濟和有效性的考慮,應該盡量做到用少的傳感器來獲取有效和全面的結(jié)構(gòu)信息。
(4) 目前, 損傷識別方法有動力分析法、模型修正法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、遺傳算法等, 前兩者在超高層健康監(jiān)測中比較常用, 但在實際工程中應用效果往往不很理想, 未能做到對損傷精確、量化地識別, 因此超高層的損傷識別方法還需要進一步的理論研究。
(5) 超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究近年來成為了土木工程領(lǐng)域發(fā)展的重點課題之一, 但目前還缺少其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計與開發(fā)的統(tǒng)一標準和規(guī)程。
關(guān)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是指對工程結(jié)構(gòu)實施損傷檢測和識別。 我們這里所說的損傷包括材料特性改變或結(jié)構(gòu)體系的幾何特性發(fā)生改變，以及邊界條件和體系的連續(xù)性，體系的整體連續(xù)性對結(jié)構(gòu)的服役能力有至關(guān)重要的作用。 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測涉及到通過分析定期采集的結(jié)構(gòu)布置的傳感器陣列的動力響應數(shù)據(jù)來觀察體系隨時間推移產(chǎn)生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數(shù)據(jù)分析來確定結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。對于長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)定期更新來估計結(jié)構(gòu)老化和惡劣服役環(huán)境對工程結(jié)構(gòu)是否有能力繼續(xù)實現(xiàn)設計功能。
關(guān)于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司（Cavono,Inc.）是一家基于物聯(lián)網(wǎng)光纖傳感器技術(shù)從事土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預警管理的高新技術(shù)企業(yè)，聚華是光纖光柵傳感器產(chǎn)品提供商和土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測一站式解決方案優(yōu)質(zhì)合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、推廣與應用，以提供野外光纖傳感器自動化監(jiān)測產(chǎn)品、工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測一站式解決方案見長。主要以光纖光柵傳感器技術(shù)、分布式光纖測溫技術(shù)、工程安全自動化云計算軟件、工程化專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)分析為技術(shù)核心。www.skhhsst.net