超高层建筑结构健康监测研究

申国军 董秀良 罗玉堂

（鹤壁市平安建设工程检测咨询有限公司，河南 鹤壁458000）

0 引言

随着经济和科学技术的发展，为了满足社会需要，大量的新型、复杂的建筑结构在土木工程中出现，很多因素都会对建筑结构正常使用造成影响，包括环境荷载，耐久性问题包括疲劳效应和材料老化等，人为因素包括战争、错误的决策和恐怖主义等。为了保证超高层复杂结构在日常生活办公中能够安全的使用，要加强建筑结构的健康监测，设计完善的监测系统。

结构检测作为一项检测技术能够有效的评价施工质量以及既有建筑的结构性能，检测方法有人工现场测量、试验和无损检测，而对于大型的超高层建筑仅仅采用检测的方式已不能满足结构安全性需要，要采取结构的安全性监测，通过有线或无线的手段采集和处理数据，诊断出结构的健康状况。

1 超高层建筑结构的相关特点

1.1 超高层建筑结构特点

超高层建筑耗资多，占地面积和体积较大，服役时间长，对耐久性要求较高，使用期间受环境影响材料容易老化损伤，容易发生危险事故，灾情难以控制，这也突出了结构安全保障和灾情预警的重要性。

超高层建筑可以分为施工期、运营期和老化期。施工期间主要考虑竖向变形差异，因为其承重构件的竖向变形差异会直接影响施工质量；徐变和收缩因素，超高层建筑中混凝土材料受到徐变和收缩应力的影响，产生的弹性变形会有附加变形，并随着时间逐步增加，所以是不可忽略的；施工过程引起的结构形式改变，会引起内力和变形的变化。所以超高层建筑不仅进行设计时的理论分析，还要实施全面监测，进而掌握施工情况。

超高层建筑由于主要受水平荷载的影响，所以对风力较为敏感，风对超高层结构的破坏主要为在风作用下出现裂缝或残余变形，建筑外部装修部分如玻璃幕墙、装饰的破坏，在风振作用下产生摆动，引起人体不适，产期风荷载作用下的疲劳破坏等。除了风荷载外，超高层建筑还要注意材料老化、构件损伤等问题。

1.2 超高层建筑监测内容和要点

超高层健康监测系统是根据其结构特点开发的，主要的监测内容有气候环境监测、结构荷载监测和结构响应监测。施工阶段主要随着施工进度安装传感器和采集传输设备，主要以人工操作为主，将监测数据导入数据管理系统，经过分析后和设计要求相对比，及时的采取纠偏措施，并根据工程进度需要有计划的提前做好各种条件下的计算分析，提供各阶段的监测报告。使用阶段通过中心服务器调用数据管理系统数据，对结构进行状态识别和安全性评定，包括构件的安全评定和整体安全评定。

超高层建筑结构监测系统要能够同时满足施工期和运营期的特点，监测项目必须同时包括施工期和运营期间的检测内容，能够将两个时期的监测数据实行无缝连接，保证施工期间的数据服务于运营期，施工时埋设好监测点，并预留出运营期的监测原件和设备位置。施工阶段和使用阶段很多监测内容是相同的，施工阶段是控制危险，使用阶段则是发现危险，两者相互结合才能构成完整的安全监控体系。

2 超高层建筑施工阶段分析

2.1 施工过程的分析

施工过程分析能够作为施工监控的理论依据，引导和优化测点的布置，指导施工中结构标高和构件长度的控制。以往的建筑结构分析时荷载以分阶段施加的方式累加，这种方式忽略了施工阶段对上部结构的影响，存在较大的误差。采用有限元软件进行计算分析时可以只对已施工的阶段分析，不影响未施工结构，每个阶段完成后程序将结果累加到当前阶段中，能够更加接近实际工程状况。

在施工分析中混凝土会随着时间的推移，受到徐变和收缩的影响，浇筑后强度逐渐增强，一段时间后才能达到最大值，所以混凝土的弹性变形会比理论分析值略小。由徐变引起的变形与荷载成线性关系，高强度混凝土的应变会较小，荷载作用一个月后徐变发展为总徐变量的一半，2～5年后才收敛。

以某高层建筑为例，施工顺序为先核心筒后框架，基本进度为每6天完成普通楼层一层，设备和避难层10天完成一层，核心筒内混凝土楼板滞后核心筒一层，巨柱滞后核心筒3层，外部楼板要滞后巨柱两层后装部件和伸臂要在主体完成后进行。

2.2 构件竖向变形分析

超高层建筑在施工期间承受竖向荷载较大，会产生弹性变形，随着时间的增加混凝土构件会出现徐变和收缩变形，建筑结构标高会与设计标高产生一定的差异，处理不当会成为安全隐患，影响施工质量。竖向变形的变化一般采用补偿的方式进行处理，在施工中竖向预留一定的尺寸，保证实际标高和设计标高相一致。施工预留高度是根据施工前变形、施工后变形和施工总变形综合分析得到的。

施工中为了使楼层高度和设计标高相吻合，一般采用平差或抛高的方法，平差根据施工具体情况可以逐层进行或分阶段进行，对已施工的楼层设计标高调整，调整值参考施工前变形。抛高是提高楼层的施工高度，调整值根据施工后变形确定。可以同时进行平差和抛高调整，使楼层实际高度和设计高度误差趋近于零。

2.3 构件应力分析

施工期间构件的应力是无法通过结构设计理论计算控制的，因为混凝土构件会发生徐变和收缩，上部荷载不断增加，混凝土浇筑前后钢结构的构件内力不断变化，建筑结构的构件应力都处于相对复杂的状态。

核心筒在施工中各角由剪力墙连接成为桶状结构，迎风面和背风面分别承受拉力和压力，在竖向荷载和水平荷载共同作用下背风面的构件总压力较大。外框架部分柱之间是由桁架连接，腰桁架负责水平力的传递，整体性较差，在施工中此部分应力会产生一定的波动。

2.4 施工期监测点的布置

传感器布置越多，越能更好的描述结构的变形情况，但考虑到经济因素，要恰当的选择监测点，以节约监测费用，监测点的设置原则为对结构整体变化能够完整的描述，测点得出的信息对于结构局部变化较为敏感，在满足这些条件的基础上，尽量减少传感器的数量。

3 结构健康监测系统设计

3.1 结构健康监测系统的框架

健康监测系统的目标是保证结构的施工和运营安全性，掌握结构的整体使用状态变化，为结构的安全评定提供技术支持，其基本思路为在自动化数据采集的基础上，通过监测结构的受力和变形状态，推断结构的特性变化，探测和评价结构的损伤，从而评估结构构件和整体的安全使用状态。

健康监测系统的步骤为根据结构的受力机制和所采用的材料确定监测内容、监测位置；根据监测项目和监测内容选择传感器；建立传感器系统进行数据采集；设计监测数据传输系统；设计监测数据的存储和管理；分析得到的监测数据，并进行安全评价和预警。

3.2 监测项目及传感器测点位置

气象环境的监测包括温度、气压、湿度和雨量，监测点设在核心筒施工界面，并随施工进度调整位置；风环境的监测包括风速、风向等，采用刚性固定支架安装在核心筒施工界面处；地震监测属于荷载监测，记录地震荷载及历程，采用强震仪以触发方式实时监测；风压监测传感器装在幕墙表面处；关键位置的应力和应变监测包括巨柱、核心筒、伸臂桁架、腰桁架、斜撑、塔冠和桅杆支座等；另外还有温度监测、动力特性监测、塔楼垂直度监测、竖向变形监测和塔楼顶部水平位移监测等。

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