一种新的无线倾角计在应急监测中的应用

潘振雄，孔宪文，胡国保，邱泽良，吴 桐

（1、清远市建设工程质量检测站有限公司 广东清远 511500；2、广东省建设工程质量安全检测总站有限公司 广州 510500）

0 引言

长沙自建房倒塌事故教训惨痛［1］，人们愈发重视房屋安全，全国也迅速开展了自建房排查工作。大多数结构在倒塌前都是有预兆的，例如产生沉降、倾斜、结构性裂缝等。如果一开始就进行监测，则能有效避免一些房屋安全事故的发生。

倾斜是指建筑中心线或其墙、柱等，在不同高度的点对其相应底部点的偏移现象，可以用基础两端点倾斜方向的沉降差与其距离的比值来表示。结构产生倾斜的主要原因［2-4］有土壤不均匀沉降、地基基础设计不当或被损坏、施工误差等。结构一旦发生倾斜形变，结构受力也会随之发生变化（使结构产生附加的次应力），构件的承载力也会因此受到影响，进而降低结构的安全性，严重时甚至会导致结构整体失稳而倒塌。因此不论是正在建的结构还是已经建成并投入使用的结构，倾斜都是需要密切关注的重要监测指标［5］。随着科技的进步，倾斜监测的方法也越来越多，许多学者对此展开了深入研究：王占武等人［6］采用投点法测量建筑物倾斜，认为在建筑周边环境复杂时采用投点法测量建筑倾斜更为高效；谭龙等人［7］采用多种方法测量建筑倾斜，认为建筑物倾斜受施工、温度、光照等因素影响，应综合研判倾斜变化情况；XIA 等人［8］提出了一种使用实时应变数据计算结构变形的新方法，在广州塔上安装了400多个振动应变计，使用实时监测应变数据计算结构顶部的位移和倾斜，计算出的变形与GPS 和倾角仪的测量结果非常吻合；张贵鑫［9］采用无线倾角仪监测建筑物倾斜，在对比分析后认为该方式满足监测精度要求，且可节约监测成本；ZHUANG 等人［10］演示了一种基于高分辨率外征法布里-珀罗干涉仪（EFPI）的二维光纤倾角仪，用于两个正交维度的倾斜测量，并连续监测重力坝倾斜角1年，其表现出优异的稳定性和实用性；MA 等人［11］使用无线倾角仪实时监测结构在环境荷载和运行荷载下的实际倾角响应，可以有效避免重大安全事故的发生。

相比于传统的倾斜监测方法（如投点法、前方交会法、相对沉降差法、吊垂球法等），无线倾角传感器具有安装方便、响应速度快、精度高、无需布线等优点。其通过无线网络传输数据，用户可以在监测云平台上随时随地查看远程监测数据，同时也方便监测专业人员查看监测具体情况，在必要时刻进行预警。

近些年对于无线倾角计的研究也越来越多，本文设计了一种新的无线倾角计，并将其应用于房屋倾斜应急监测中，同时采用传统的监测方法进行对比分析，体现出无线倾角计在应急监测中的应用优势。

1 建筑物倾斜传统测量方法

传统的倾斜测量主要包含投点法、前方交会法、相对沉降差法、吊垂球法等。

1.1 投点法

如果被监测对象所处场地较为宽敞，其外部具有明显特征点时，可以采用投点法。其具体过程如下：在被监测房屋结构的两个相互垂直的竖直平面外墙上布设监测点。确定基准点，用全站仪对准一侧墙体m 的顶部观测点a，通过盘左、盘右分中投点法来确定相应底部观测点b；再照准另一侧外墙n 顶部观测点测c，同理确定其底部观测点d。a、b、c、d 这4 点即为结构倾斜监测的标志点。一段时间后，使用全站仪的望远镜瞄准之前标记好的监测点a 和监测点c，用上述方法再次确定观测点b'和观测点d'。测出b和b'之间以及d 和d'之间的距离△1、△2，若△1和△2同时为零，则结构没有发生倾斜，若不为零，则结构发生了倾斜。按照矢量相加法求得水平位移值，即为倾斜量，同时也可求出倾斜度。

式中：D为结构倾斜量；i为倾斜度；H为结构高度。

在实际现场测量中，投点法相对而言较为简单方便，用得较多。其可以直观快速测量出结构的倾斜量，但在用投点法时，需要考虑观测视野是否开阔，测点是否容易布设等问题。

1.2 前方交会法

利用前方交会法进行倾斜测量时，基准点的位置距离被监测对象较远，需要较大的空间进行作业，其具体操作为：

在被测结构的一侧布设好基准线MN，选取监测测点P。将两台全站仪架设在基准点M 和基准点N上，观测测点P，得到∠BAP 和∠ABP 的角度值，分别记为α和β。然后根据M、N 两点坐标以及角α和β，用前方交会公式［12］计算出测点P 坐标，一段时间后，再按上述方法得到P'的坐标，即可求出倾斜量。

前方交会法适合对圆筒型建（构）筑物进行倾斜监测，特别是当监测对象没办法埋设监测点时，用前方交会法更合适。但是，其有一定的局限性，且计算较为复杂。

1.3 相对沉降差法

除了用上述方法直接计算结构的倾斜量以外，还可以用结构两边的沉降差来间接计算结构整体的倾斜度。

2 无线倾角计

2.1 无线倾角计组成及主要参数

在应急监测中，现场环境复杂，接触式的传统作业手段容易对监测人员的人身安全造成伤害；应急监测频率往往需要达到一小时一测，甚至十分钟一测，在夜间亦需进行不间断测量，传统的人工监测手段大多无法在夜间进行作业，且测量频率难以保证。因此，在应急监测中，传统的建筑倾斜监测方法难以起到应有的作用。为了解决传统倾斜监测方法在应急监测应用中的不足之处，本文设计了一种无线倾角计：由上盖、硅胶密封圈、印制线路板（Printed Circuit Board，PCB）、防水Type-C 充电接口和下壳组成，以用于建筑结构应急倾斜监测，如图1 所示。其主要参数如表1所示。

表1 主要参数Tab.1 Main Parameter

图1 结构设计Fig.1 Structural Design

其内置电容式加速度计，当物体受到外力作用时，倾角传感器内部的电容也会发生变化，从而产生一个微弱的电压，这个电压会通过精密的放大电路放大，然后将放大后的信号送出，从而测量出物体所受的加速度大小，最后通过加速度-倾角转换算法得到结构具体倾斜情况。电容式加速度计与其他类型的加速度计相比，具有灵敏度高、零频响应、环境适用性好等特点，尤其是其受温度的影响比较小。

2.2 倾角数据采集方式

现有的倾角仪大多采用定时监测方式，事先预定好监测时间，到预定时间再唤醒设备，完成数据采集和数据上传后，设备再次进入休眠状态。如果在两次数据采集的间隔期间出现特殊或危险情况，设备则无法感知，容易产生监测盲点。本文设计的无线倾角计采用定期采集结合振动唤醒模式，提前在数据接收监测平台内设置振动唤醒限值，若振动数据超过限值，则马上唤醒设备，进行数据采集加报，同时，也可以将其设置成不休眠模式，进行高频次数据采集，不间断的监测倾斜情况。这种数据采集方式可以有效减少数据的少报漏报。

2.3 供电方式

本文设计的无线倾角仪提供锂电池、太阳能并用两种供电模式，续航能力更好，因此除了可以用于短期应急监测，还可以用于长期安全监测。

2.4 安装方法

外壳由水平式调整为垂立式，方便其直接安装于结构或构件表面，安装方式包括膨胀螺丝固定与强力片粘接，便于视现场工况选择合适的安装方法（见图2）。

图2 倾角计现场安装Fig.2 On-site Installation of Inclinometer

无线倾角计具有一体化、免布线、低功耗、精度高等特点，可以应用于施工现场周边建筑物倾斜监测、结构健康监测等自动化安全倾斜监测项目。在应急监测项目中，无线倾角计在安装完成后即可进行无接触式监测，且监测数据可高频实时回传，相较于传统的倾斜测量方法，本文设计的无线倾角计在应急监测工程中的时效性与安全性皆有较大的提升——与非接触式变形监测方法（测量机器人法、激光扫描测量法等）相比较，无需担心居民区中房屋结构形式多样且分布密集等因素造成的测量通视问题；与接触式变形监测方法（投点法、前方交会法等）相比较，可进行长期、实时高频率监测。

3 工程应用分析

3.1 工程概况

广东某公寓为钢筋混凝土框架结构，地上10 层，总高度32.3 m，占地114 m2，总建筑面积1 410 m2。该建筑发生较严重倾斜，建筑内部人员已全部撤离，经专家现场研判后，应急小组决定将该建筑拆除。因地处闹市，无法进行爆破作业，且需保证建筑在拆除过程中不直接倒塌，因此，需对该结构倾斜变形进行周密的实时监测。在接受委托后，监测小组对其倾斜变形进行连续监测直至该结构完全拆除。

3.2 监测方法选择

该工程监测项目需要监测这个建筑拆除的全过程，如果用传统的倾斜监测方法，则无法24 h 不间断进行监测，而无线倾角计弥补了这一缺点，可以实时监测结构倾斜情况，因此最终决定采用无线倾角计进行倾斜监测，同时用全站仪投点法进行对比校核。

3.3 监测结果

本次监测时间从10月10日开始，10月16日结束。无线倾角计选择安装在房屋两条对角棱线底部；全站仪投点法选择上述两条对角棱线作为监测对象，测点分别记为为F1 与F2。因建筑物处于逐渐被拆除的阶段，在10 月12 日，F1 测点棱线顶部被拆除，停止全站仪监测，在10 月14 日，F2 测点棱线顶部被拆除，停止全站仪监测。而无线倾角计安装在建筑物底部，监测数据一直持续至建筑物基本完全拆除（10 月16 日）。无线倾角计与全站仪投点法测量结果数据对比如表2所示。F1和F2测点倾角累计变化值如图3所示。

表2 两种倾斜测量数据对比Tab.2 Comparison of Two Tilt Measurements

图3 F1和F2测点倾角累计变化值Fig.3 F1 and F2 Cumulative Change Value of Dip Angle of Measuring Point

从表2 中可以看出，用无线倾角计对结构进行倾斜监测和用全站仪对结构进行倾斜监测所测得倾角数据相差不大，两者相对误差最大不超过10%，平均相对误差不超过8%，说明用无线倾角计的测量结果较为准确，可以反映出建筑物的实际倾斜变化。

温度是影响设备监测值的重要因素，随着一天温度的变化，传感器会产生温漂（环境温度变化时引起晶体管参数的变化）。从无线倾角计的监测数据（见图3）可以看出，其监测数据呈现出循环波动的趋势，在F2测点比较明显。因为F1测点的无线倾角计的周边有较高建筑的遮挡，因此，受温度影响较小，F2测点周边无遮挡，受温度变化的影响相对较大。

在这次应急监测中，无线倾角计监测频率为10 min/次，持续回传的监测数据在本次应急监测中起到了较为关键的作用，为专家组判断建筑安全状态提供了重要依据。而使用全站仪进行倾斜监测受到人力限制，监测频率较低，且随着建筑的不断拆除而终止。但是用无线倾角计进行倾斜监测也有一定的局限性，其不能得出建筑的绝对倾斜量，仅能测量出在安装无线倾角计后，建筑倾斜的变化量。因此，在采用无线倾角计测量建筑倾斜时，最好配合传统测量方法共同使用。

4 结论

结构倾斜监测是结构安全监测中的一个重要参数。本文介绍了传统常用的建筑倾斜测量方法，提出可采用无线倾角计测量结构倾斜变形，并对已发生严重倾斜的某建筑结构进行倾斜监测，同时用全站仪法进行校核，将监测数据对比分析，验证了无线倾角计方法的可靠性，也反映出在应急监测中，无线倾角计的测量方法具备其独特的优势，得到主要结论如下：

⑴本文设计了一种无线倾角计，该装置由上盖、硅胶密封圈、印制线路板、防水Type-C 充电接口和下壳组成，其中印制线路板中含有倾角传感器、震动传感器和定位芯片。其可以用于不同建筑物的倾斜监测，且能大大提高监测效率和频率，比传统监测方法更适用于应急监测的需求。

⑵ 将本文设计的无线倾角计应用于某实际工程。通过对比分析该装置与全站仪测得的数据可知，无线倾角计对两个测点的数据与传统的全站仪投点法测得数据的平均相对误差分别不超过8%，最大相对误差分别不超过10%。该装置能较好的反映出建筑物的真实倾斜情况。