高层建筑结构健康监测的研究与应用

孟 琳

（陕西交通职业技术学院公路工程系，陕西西安，710018）

高层建筑结构健康监测的研究与应用

孟 琳

（陕西交通职业技术学院公路工程系，陕西西安，710018）

对高层建筑结构的监控都是针对某个特定建筑进行监测，以此对特定的土木工程项目进行实时的监控，以此更好的保障建筑工程质量和使用者的安全。正是基于此，本文设计了比较通用的土木工程结构检测系统，并从数据采集、无线网络传输等各个方面进行设计，以此可方便对对建筑监控的快速构造，避免重复开发等问题，并将设计的通过的结果运用到实际的建筑结构的案例中进行测试，取得良好的效果。

结构监测；数据采集；高层建筑；应用展望

随着我国高层建筑的建设以及信息化水平提高，对高层建筑工程使用情况的监测也成为衡量土木工程建设的重要手段，并借助信息化，实现对高层建筑工程质量的实时监控，以此更好的对高层建筑工程实行维护和管理，防止事故的发生。本文构建了可通用的高层建筑工程监控系统，并将其运用到实际的工程中进行测试。

1 系统整体流程设计

以一般的高层建筑工程为例，我们可以将健康监测系统整体设计方案分成四个不同的步骤，其具体的如图1所示。

图1 系统整体的流程设计

通过上述的流程分析，我们可以看出，对高层建筑工程健康状态的监测，首先是实现对工程中的相关基本数据的采集，而对数据采集的实现时通过安装在建筑中的传感器系统，对建筑工程振动、应力或温度等相关指标的测定，并通过信号的转换，将信号经过模数信号的转换，从而转换成数据，同时对数据进行清理处理，变成比较干净的数据；无线传输则数将信号通过无线通信的方式传输到数据处理中心；最后是将数据送到软件中进行实时的分析和处理，从而得到相关的监测数据结果。

2 系统需求分析

根据高层建筑工程设计的思路，会综合考虑很多方面的因素。因此，我们对高层建筑工程的结构监控则主要体现在工作环境、工作状态、局部的结构性能等几个方面实现监控。

2.1 工作环境监控

对工作环境的监控，则主要包括对风速、风向、环境温度和地震负荷等进行综合检测。其中对风向、风速的检测，主要的目的是获取高层建筑不同部位的凤向和风速，从而针对不同的风速做出不同的振动响应；对环境的监测则主要是为高层建筑的钢结构的耐久性的使用提供评价依据；地震负载分析则是对高层建筑工程所能够承受的振动进行分析，从而对震后的健康状态做出分析和评估。

2.2 工作状态的监控

对高层建筑结构的状态的监测，则主要对建筑结构中的主承受支座、建筑的结合形状进行监测。如在不同的风向下，高层建筑可能会发生一定的偏向，从而导致高层建筑的几何形体变形，并出现一定的偏移；对建筑物整体的震动监测。其中的自振特性和建筑的刚度、质量和相关的分布有着很大的关系，因此，对该指标的检测也是对高层建筑质量的很好的监控。其他的还包括承重的构件、支座反力等的监测。

2.3 对局部结构的监测

该部分则主要包括其中的构件的检测，其中包括因为混凝土的收缩而引起的相关应力重分布，局部的结构损伤而带来的应力的变化。而耐久性的监测则主要包括对高层建筑中的相关钢筋的腐蚀情况等进行监测。附属的监控则主要对建筑中的其他附属的建筑结构进行监控。

3 系统功能分析

通过上述的功能需求分析，我们将该系统的功能设计主要数据采集子系统、无线传输子系统、数据分析子系统、数据库系统。其功能框架如图2所示。

图2 工程监控系统架构设计

通过上述的系统，我们可以看出该系统作为一个有机的整体，即有着各自的功能，同时也相互的协同，从而通过这样一个整体完成对相关数据的采集到处理，再到结果的输出。

4 系统整体的网络拓扑图

该系统的数据采集装置设置在建筑的各个不同的部位上，通过高层建筑物上的传感器采集，将收集到的数据通过网络传输的方式传送到应用服务器，而后和数据库进行连接，以此负责对整个数据的保存。同时应用服务器则提供具体的功能监控，并将监控的信息传输到客户端，而客户端则和报警系统连接，当相关的数据超出设计的数据时候，其则会自动出现报警。而采用远程访问的方式，在其中增加一代理服务器，其主要的目的是将对内部的访问和外部分开，以避免关键的数据被篡改或泄漏。其具体的网络布局如图3所示。

图3 系统网络拓扑

5 系统关键硬件和数据库的选择

5.1 数据采集系统中传感器的选择

在该系统，其测量主要包括位移、温度等各种不同类型的传感器，同时还包括对拉索等的测量的传感器。在该系统中，我们选用当前比较新型的光纤传感器。其基本的原理是将光源送入到光纤调制器当中，从而使得其待测的参数和调制区相互作用，从而使得光源的相关特性发生变化，如波长、相位等。从从而判断建筑物变化。

其具体的工作原理图如图4所示。

图4 光纤传感器原理图

同时，为测量其他的数据，还包括磁弹仪、超声波传感器以及光栅传感器。

5.2 数据库的选择

对系统数据库的使用，通常采用SQL Server 2008数据库系统，这主要是因为该数据库在安全性方面非常高，并且该系统支持不同的开发语言，因此方便对系统进行开发。同时，我们以传感器的实时监控的界面为例的实现为例，其最上方表示的是传感器

图5 高层建筑关键点监测

的列表，可方便对相关的数据进行实时的监控。中间层则主要用于对数据更新、数据信号的采集的体现；软件的最下面则为相关的工作参数，其主要包括传感器的编号、位置等级等，其中的部分参数应用于对系统监测的调节和设置。

以某超高层建筑为例，其中建筑主体结构屋盖高度达588m，塔尖高度达 646m，属于现行的大型地标性的建筑。选取垂直度、塔顶水平位移、温度、地震、关键位置应力应变等作为健康监测指标。以对该高层建筑中的关键点的检测为例。具体的传感器布局点如图5所示。

通过在上述的关键点埋设GFRP 封装光纤光栅应变传感器，并分别选择在1层、10层、26层、48层、64层……112层，从而实现对对整体楼层的监控。通过在上述的布局下，在施工期间，核心筒的位移在159.55mm。

通过对该通用系统的使用，取得了良好的效果，并具有很强的实用性，可在工程建筑中进行推广。而随着在建筑工程的进步，对传感器和数据采集的要求也越来越高，对建筑监测指标也越来越多，从而该系统可被运用到土木建设中的各个阶段，进一步促进建筑的发展。

[1] 刘昱;王涛;弭艳;肖辉衡;高岩;;基于应变式力传感器的桥梁无线动态测试系统的研究[A];中国仪器仪表学会第十三届青年学术会议论文集[C];2011年

[2] 丁华平;基于无线传感器网络的泰州长江公路大桥结构健康监测研究[D];南京大学;2011年

[3] 李顺龙;李宏伟;李惠;欧进萍;王江;考虑温湿度影响的桥梁结构模态频率分析[J];天津建设科技;2008年03期

孟琳（1979.10-），女，汉族，陕西西安，硕士研究生，主要从事建筑工程技术方向的教学工作。

Research and application of structural health monitoring

Meng Lin
(Shaanxi College of Communication Technology Department of Xi'an Highway Engineering,Shaanxi,710018)

The monitoring of tall building structures are monitored for a particular building,in order to carry on the real-time monitoring of civil engineering project specific,guarantee construction engineering to better quality and the safety of users.Based on this,this paper designs the structure of civil engineering detection system in general,and carries on the design from the various data acquisition, wireless transmission and so on,which can be quickly constructed on construction monitoring,to avoid duplication of development and other issues,and the design of the results are applied to the actual building structures in the case of for testing,and achieved good results.

structural monitoring;data acquisition;high-rise building;application prospect