1引言
超高層建筑結構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、構件缺陷等因素的作用, 結構將逐漸產生損傷累積, 從而使結構的承載能力降低, 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、財產帶來巨大損失。因此, 監測和診斷超高層結構的健康狀況, 及時發現結構損傷, 對可能出現的災害進行預測, 評估服役結構的安全性、可靠性、耐久性和適用性具有非常重要的現實意義。
2超高層結構健康監測的發展狀況
2.1結構健康監測技術的發展
結構健康監測技術(Structure H ealth Monitoring, 簡稱SHM)是用探測到的響應, 結合系統的特性分析, 來評價結構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構在超常荷載前后的響應來推斷結構特性的變化, 進而探測和評價結構的損傷; 或者通過持續監測來發現結構的長期退化。結構健康監測可適用于所有種類的結構。其主要特點是集現代的計算機、無線傳感網絡、傳感、信號處理、實時數據傳輸與管理、軟件開發、結構分析與結構檢測技術、智能控制器等為一體, 多學科相互交叉。 國外在20世紀50年代開始結構健康監測研究, 主要運用于航空航天及機械等領域, 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構健康監測。至今, 國內外重大工程的結構健康監測系統集成經歷了以下幾個階段。早期, 人工監測是結構健康監測的主要方式,通過具有豐富經驗工程師的肉眼觀察、常規檢測儀器對結構進行巡查, 然后根據經驗對結構的狀態和發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, 出現了集中式在線監測,這種方式是由一臺計算機完成數據采集、信號處理和損傷識別, 主要功能于一體, 投資少, 但是由于測點數目和系統功能有限, 只能適用于空間跨度不大、測點少的結構。為了在復雜結構和空間跨度大的結構中實現健康監測, 出現了分布式在線監測, 這種系統按照數據采集、信號處理和數據管理等功能, 采用多臺計算機, 通過傳統的計算機通信手段(如RS232 \RS485等)互相合作, 形成一個完整的健康監測系統。它適用于如橋梁、超高層等復雜結構, 由于采用分布式技術, 系統相對復雜, 技術難度大, 投資較高。
集中式和分布式在線監測只能在結構現場實現健康監測, 無法實現遠離現場或多個用戶同時在線監測。遠程分布式在線監測系統的發展解決了這個問題, 它是在分布式在線監測系統的基礎上, 應用了Internet和Intranet技術, 實施遠程診斷和訪問, 充分利用了遠程技術支持和數據共享,大大提高了損傷診斷和結構健康評估的準確性。這種系統將是今后土木工程結構健康監測系統的發展趨勢。
2.2超高層結構健康監測的特點
由于健康監測在土木工程起初主要應用于橋梁結構上, 形成的橋梁的監測理論是基于歐拉梁的形式, 如曲率模態, 它只考慮了彎曲變形的影響。超高層結構體系一般采用筒中筒、框筒、框剪結構, 因此在側向荷載作用下, 還需要考慮剪切變形的影響。直接將橋梁監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, 超高層結構具有非常大的高度, 風荷載往往成為結構的控制荷載。
在側向荷載作用下, 超高層結構的水平位移過大容易引起結構損壞或失穩, 從而影響結構的可靠性和安全性, 因此對超高層結構的水平位移監測與控制是超高層健康監測的重要內容。以往橋梁或普通建筑位移監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構體系、動力特性和周邊環境, 這些方法一定程度上應用于超高層建筑結構還不太成熟, 水平位移監測相對比較難。目前, 還未有成熟的理論和技術來監測超高層的水平位移。
2.3超高層結構健康監測的應用狀況
近幾十年來, 超高層結構健康監測技術有了一定的發展, 但還未成熟, 因此結構健康監測系統還未廣泛應用于現今的超高層建筑。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 層鋼框架結構進行了長期地震監測。該鋼框架結構高86. 6 m, 平面尺寸為21.3mX27.4m。采用的監測系統準確地獲得了結構在環境激勵下的加速度和側移, 為結構的安全評估、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建立了一個真正的實時監測系統,該系統被稱作R2SHAPE, 即實時建筑狀態和性能評估的縮寫。它是加利福尼亞理工學院、美國地質調查局、數字化數據系統股份有限公司共同創建的。大樓內新的實時監測系統共有36個點, 都安裝了力平衡加速度計, 24 位模數轉換, 采樣率每秒100點。當地震發生時, 大量的數字信號通過TCP / IP協議傳輸到局域網, 這些數據被發送到異地的服務器上, 并公布于互聯網上 。在國內, 瞿偉廉等在深圳市民大廈的屋頂部分安裝了一套健康監測系統。該屋頂為長486m、寬156m 的網殼結構, 跨中豎向桁架支撐在塔上。該系統由傳感器子系統和結構分析子系統組成, 其中, 傳感器子系統測量屋頂部分的風壓和反應, 結構分析子系統分析計算結構的反應并進行安全評定。傳感器子系統包括光纖傳感器、應變片、風速儀、風壓計和加速度傳感器。結構分析子系統在監測得到的結構反應的基礎上, 可以進行屋頂結構的損傷識別、模型修正和安全評定。所有監測的信號均存儲在數據庫中, 數據庫通過局域網和Internet網實現遠程傳輸 。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方面的應用和研究。
3超高層結構健康監測系統概述
3.1功能
一般超高層結構健康監測系統具有的功能:
實時監控結構的整體和局部狀態;
對結構損傷位置和損傷程度做出診斷;
評估結構的服役情況、可靠性、耐久性以及剩余壽命;
發生臺風、地震或爆炸等突發災難事件或結構發生異常狀態時, 判斷結構的安全等級, 保證人員的生命與財產安全, 并且在事后為結構的維護和管理決策提供依據;
設計驗證與理論研究。
3.2設計原則
超高層結構健康監測系統的設計需要遵循功能要求和效益- 成本分析兩大準則。對于超高層建筑結構, 健康監測系統的功能一般為結構監控與評估、設計驗證或研究發展。當監測系統的功能確定以后, 就可以決定選擇哪些監測項目。另外, 監測項目的規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系。結構健康監測系統的成本通常比較大, 監測項目及傳感器數量越多, 監測信息就越全面, 從而系統成本就越高; 反之, 如果降低系統成本, 將由于監測信息的不足而使監測數據有效性降低。因此, 為了使系統成本更合理, 在目的與功能已經確定的基礎上,還有必要對效益與成本進行充分衡量。超高層結構的健康監測是實時、長期、連續的在線監測, 所以除了前兩大準則以外, 監測系統還必須滿足可靠性、耐久性和系統性。在建立監測系統時, 在成本允許的基礎上, 盡量選擇高可靠和高耐久的儀器設備。并且, 監測網絡的設計也需要優化, 盡量做到路徑簡潔、反應迅速; 在系統網絡布置時, 注意施工質量, 避免留下隱患。
3.3監測項目
監測系統不同的功能目標所要求的監測項目不盡相同, 主要包括以下幾方面。
1) 結構動力特性監測
對于結構的損傷或老化, 會不同程度地引起結構參數如結構質量、剛度和阻尼的變化, 進而導致結構自振頻率、振型和模態參數等變化, 結構動力監測的目的是通過監測系統來獲得結構模態參數、加速度時程記錄、頻響函數來推算結構參數的變化, 從而進行結構參數識別、模型修正和損傷識別。所以結構的動力特性監測對于結構健康監測具有巨大的工程意義的, 它是超高層結構健康監測一項主要內容。
2) 結構變形監測
超高層結構變形監測主要內容是結構水平位移。結構水平位移過大, 將會導致結構開裂、傾斜、或損傷, 甚至達到一定程度時, 因為結構加速度過大引起室內人員不適。在現有的建筑結構規范中, 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, 超高層結構水平變形曲線也是變形監測的一項重要內容, 它在一定程度上反映了結構垂直方向的剛度變化, 是損傷判斷的重要依據之一。
3) 結構局部監測
超高層局部監測的內容包括巨型柱、核心筒墻體、外伸桁架等重要構件和一些結構重要節點。這些構件或節點的強度降低或損傷容易引起結構整體的不穩定, 引起安全隱患。因此, 對這些構件的內力狀態、強度、耐久性(混凝土碳化、鋼筋腐蝕以及開裂等) 和溫度等進行監測, 及時發現損傷部位也是結構健康監測的重要內容之一。
4) 荷載監測
荷載監測目的在于記錄超高層經受的各種可變荷載及其歷程, 為結構自診斷分析提供荷載數據。一般來說, 超高層荷載監測的對象主要是風荷載和地震荷載。超高層結構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構設計中的控制荷載, 并且頻繁發生的風力作用容易引起構件或關鍵子結構發生過大的永久變形, 增加結構二階效應和屈服破壞的可能, 從而降低結構的可靠度, 因此, 抗風設計歷來是結構設計的主要內容之一?，F行結構規范對于超過一定高度的超高層結構風荷載方面的理論和規定相對還不完善。通過超高層結構的風向、風速的監測, 獲得超高層不同風場特性不僅有助于超高層結構在風場中的行為及其抗風穩定性的分析, 為結構安全、可靠性評估提供依據, 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測系統的荷載監測內容之一, 它主要的作用是記錄地震荷載及其歷程, 為環境激勵下的結構振動響應分析提供依據。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系統組成
一個完整超高層結構健康監測系統主要包括以下幾個部分: 傳感器子系統; 數據采集與傳輸子系統; 結構健康診斷與安全評估子系統;數據管理子系統。
3.4.1傳感器子系統
傳感器是進行結構健康監測的源頭, 能夠將加速度、速度、位移、應力應變和溫度等測量參數直接轉換成電子信號輸出, 擔負感知外界環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測的準確性、精確性和全面性。適用于超高層結構健康監測的傳感器系統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境的要求。
(2) 高可靠性和高耐久性。對于超高層結構健康監測系統, 一般情況下工作環境比較穩定, 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、通信等系統兼容, 具有一定的擴展性。傳感器收集到的環境和結構信號通常要經過調理器的調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理器, 在選擇傳感器時要考慮對應這種傳感器的數據輸出方式是否與后續數據采集設備和通信設備相容。另外, 由于超高層結構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構的外觀與性能。先進測試技術的發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, 不影響結構的外形和性能。需要預埋的傳感器應該易和原結構材料融合, 對原材料影響小。
由于功能、結構形式和工作環境的特征, 超高層結構健康監測的監測項目與其他重大工程結構(橋梁、道路等)有所不同。應針對不同的監測項目和不同的待測參數, 選擇相應的傳感器。
1) 結構動力特性監測的傳感器用于記錄結構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造上更容易實現, 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。用于超高層建筑結構健康監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構的基本頻率,而上限應高于希望測試的結構高階模態頻率。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) 結構變形監測的傳感器
變形監測主要是監測建筑物位置的緩慢變化或周期較長的變形。超高層結構的變形監測主要是水平位移監測, 其包括結構頂端位移監測和整體水平變形監測。傳統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, 由于超高層結構形式特殊, 這些儀器的測量方法對于超高層結構并不適用。比如: 超高層結構振動緩慢, 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, 對于如超高層結構的大型結構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, 當結構擺動或振動太大時很難捕捉到監測點, 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。超高層結構水平位移監測主要采用傾斜儀和全球定位系統(Global Position System, GPS)。
傾斜儀通常用于測量結構主要豎向承重構件(核心筒、剪力墻等與結構整體變形相一致的構件)豎向的傾角變化。它的主要優點在于不僅可以計算獲得結構頂端水平位移, 還能獲得超高層結構沿豎直方向的傾角變化。一般情況下, 超高層結構整體水平變形情況按照結構形式的不同可以分為剪切型、彎曲型、彎剪型; 復雜超高層結構往往需要設置加強層, 這時結構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、實時地監測復雜超高層結構的整體水平變形狀態, 需要設置數個或者數十個豎直分布的傾斜儀。由于超高層特殊的結構形式和健康監測的特點, 對傾角儀的性能指標(靈敏度、量程、頻帶寬度、噪聲、零位漂移和運行環境溫度等)需要仔細考慮。
目前, 應用于超高層變形監測的儀器還有GPS。GPS具有實時、動態、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在高層建筑結構健康監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測,是符合測量精度要求的。
3) 結構局部監測的傳感器
超高層結構構件監測包括對重要構件或節點的應變、耐久性、溫度、裂縫等的監測, 傳感器按照功能的不同選用。傳統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構檢測與監測中?，F今, 隨著材料科學的發展, 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、半導體材料等的監測精度、耐久性和穩定性被證明更符合超高層結構健康監測耐久性、長期性和可靠性的要求, 以后將成為超高層結構健康監測技術的重要發展趨勢之一。
4) 荷載傳感器
荷載監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構形式、環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、位置需要嚴格依據建筑結構的實際情況。
3.4.2數據采集與傳輸子系統
該系統主要包括以下三項功能: 收集傳感器輸出的數據并對數據進行信號處理, 如信號交直分析、信號濾波、信號放大、A /D 轉換(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; 存儲采集到的數據;把數據傳輸到監測中心。它的工作流程一般為: 傳感器將量測到的非電量信號轉換成容易量測的電量信號后, 通過模/數轉換, 將數值量直接輸入到計算機中。數據采集與傳輸系統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、數模轉換(A /D )卡, 數據采集儀、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據, 將各種數據信息有條理、有重點地反饋給監測人員, 并通過局域網或互聯網傳輸數據。軟件部分的設計原則是: 選擇正確的開發語言或平臺, 具有良好的運行穩定性, 選擇與目的相匹配的軟件功能, 良好的操作性。
遠程數據采集系統是基于Internet / intrane t的數據采集系統, 通過它可以將所有傳感器數據的管理和使用工作、部分現場的非實時的數據分析工作和健康診斷工作在遠程的計算機終端進行。這種結構系統更加有利于提高數據對象信息應用的時效性, 科研人員和工程技術人員即使不在控制現場, 也可以通過網絡隨時了解現場的控制系統運行情況和系統參數的實施變化, 并可根據情況通過網絡在客戶計算機上對在控制現場運行于服務器計算機的控制系統發出命令, 及時調整現場控制系統運行狀況, 從而達到遠程控制的目的。這對于超高層結構健康監測具有重要的現實意義。
3.4.3結構健康診斷評估與安全預警子系統
結構健康診斷評估與安全預警子系統的功能是根據超高層結構實時監測獲得的信息, 科學地、準確地、客觀地評價超高層結構的安全性、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, 必要時還發出預警以保證人員的生命財產安全。
(1) 損傷識別系統。它基本上可以分為以下幾類: 動力指紋分析法、模型修正法與系統識別法, 神經網絡法, 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。每座構筑物都有其動力特性, 當存在損傷時, 它的一些結構參數如剛度、質量、阻尼矩陣等會發生變化, 從而引起系統的動力特性指紋(模態參數、頻響函數)改變。因此, 可以利用損傷前后結構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, 對結構損傷進行全面、正確的分類, 建立起結構健康監測時的動力指紋庫和預估的損傷對應的數據庫, 再將損傷后的動力指紋與損傷數據庫中的損傷模式進行匹配, 從而識別損傷?，F在通常用的動力指紋有頻率、振型、振型曲率/應變模態、柔度等。模型修正法。主要原理是使用動力監測信息, 如模態參數、加速度時程數據、頻率響應函數
等, 通過條件優化約束, 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, 對結構損傷進行判別和定位。
(2) 安全評定系統。結構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安全評定和極限承載力狀態安全評定?？煽慷壤碚撝饕歉鶕到y或構件的實效模式以確定結構的極限狀態, 然后根據所定義的極限狀態確定極限荷載、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等。
3.4.4 數據管理子系統
數據管理系統的主要功能是實現對結構工作狀態監測過程中所獲取數據的存儲和管理, 通過該系統可進行數據的修改、刪除、查詢等操作。結構健康監測數據庫的性能直接影響整個監測系統使用的方便性與可靠性。數據庫按存儲方式可分為集中式數據庫和分布式數據庫。集中式數據庫把數據集中在一起進行集中管理, 減少了數據冗余和不一致性, 其弱點是系統相當龐大, 操作復雜, 開銷大, 處理不同領域問題時顯得不夠靈活,此外, 由于數據集中存儲, 大量的通信要通過主機, 易造成擁堵現象。分布式數據庫的數據分布在網絡的各個結點上, 大多數數據處理不通過主機而由網絡結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結論與展望
本文介紹了超高層結構健康監測的重要性、發展歷程、特點以及應用情況, 并結合以往大型結構健康監測的經驗和成果, 全面闡述了超高層結構健康監測系統的功能、設計準則、監測項目、健康監測系統的各組成部分的功能、特點、實現方法。健康監測在土木工程起初主要應用于橋梁結構上, 目前, 超高層結構健康監測技術主要來源于橋梁結構, 但由于兩者結構模型、監測環境、荷載作用方式、支座形式等存在差異, 橋梁結構健康監測的一些技術不完全適用超高層建筑, 因此, 超高層結構健康監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構形式, 傳統變形監測方法并不適用其水平位移的長期監測。且目前新采用的傾斜儀和GPS監測結構變形的技術還未發展成熟, 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) 基于無線通訊技術在結構健康監測中的應用將是以后結構健康監測的重點發展方向之一, 它避免了結構健康監測系統組建的布線困難,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) 傳感器的優化布置是超高層結構健康監測的一個重要問題, 處于對經濟和有效性的考慮,應該盡量做到用少的傳感器來獲取有效和全面的結構信息。
(4) 目前, 損傷識別方法有動力分析法、模型修正法、神經網絡法、遺傳算法等, 前兩者在超高層健康監測中比較常用, 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) 超高層結構健康監測的研究近年來成為了土木工程領域發展的重點課題之一, 但目前還缺少其結構健康監測系統的設計與開發的統一標準和規程。
關于結構健康監測
結構健康監測是指對工程結構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構體系的幾何特性發生改變，以及邊界條件和體系的連續性，體系的整體連續性對結構的服役能力有至關重要的作用。 結構健康監測涉及到通過分析定期采集的結構布置的傳感器陣列的動力響應數據來觀察體系隨時間推移產生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數據分析來確定結構的健康狀態。對于長期結構健康監測，通過數據定期更新來估計結構老化和惡劣服役環境對工程結構是否有能力繼續實現設計功能。
關于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司（Cavono,Inc.）是一家基于物聯網光纖傳感器技術從事土木工程結構健康監測與預警管理的高新技術企業，聚華是光纖光柵傳感器產品提供商和土木工程結構健康監測一站式解決方案優質合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領域的結構健康監測相關產品的研發、生產、推廣與應用，以提供野外光纖傳感器自動化監測產品、工程結構安全監測一站式解決方案見長。主要以光纖光柵傳感器技術、分布式光纖測溫技術、工程安全自動化云計算軟件、工程化專業領域數據分析為技術核心。www.hzjzgcls.com
超高層建筑結構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、構件缺陷等因素的作用, 結構將逐漸產生損傷累積, 從而使結構的承載能力降低, 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、財產帶來巨大損失。因此, 監測和診斷超高層結構的健康狀況, 及時發現結構損傷, 對可能出現的災害進行預測, 評估服役結構的安全性、可靠性、耐久性和適用性具有非常重要的現實意義。
2超高層結構健康監測的發展狀況
2.1結構健康監測技術的發展
結構健康監測技術(Structure H ealth Monitoring, 簡稱SHM)是用探測到的響應, 結合系統的特性分析, 來評價結構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構在超常荷載前后的響應來推斷結構特性的變化, 進而探測和評價結構的損傷; 或者通過持續監測來發現結構的長期退化。結構健康監測可適用于所有種類的結構。其主要特點是集現代的計算機、無線傳感網絡、傳感、信號處理、實時數據傳輸與管理、軟件開發、結構分析與結構檢測技術、智能控制器等為一體, 多學科相互交叉。 國外在20世紀50年代開始結構健康監測研究, 主要運用于航空航天及機械等領域, 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構健康監測。至今, 國內外重大工程的結構健康監測系統集成經歷了以下幾個階段。早期, 人工監測是結構健康監測的主要方式,通過具有豐富經驗工程師的肉眼觀察、常規檢測儀器對結構進行巡查, 然后根據經驗對結構的狀態和發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, 出現了集中式在線監測,這種方式是由一臺計算機完成數據采集、信號處理和損傷識別, 主要功能于一體, 投資少, 但是由于測點數目和系統功能有限, 只能適用于空間跨度不大、測點少的結構。為了在復雜結構和空間跨度大的結構中實現健康監測, 出現了分布式在線監測, 這種系統按照數據采集、信號處理和數據管理等功能, 采用多臺計算機, 通過傳統的計算機通信手段(如RS232 \RS485等)互相合作, 形成一個完整的健康監測系統。它適用于如橋梁、超高層等復雜結構, 由于采用分布式技術, 系統相對復雜, 技術難度大, 投資較高。
集中式和分布式在線監測只能在結構現場實現健康監測, 無法實現遠離現場或多個用戶同時在線監測。遠程分布式在線監測系統的發展解決了這個問題, 它是在分布式在線監測系統的基礎上, 應用了Internet和Intranet技術, 實施遠程診斷和訪問, 充分利用了遠程技術支持和數據共享,大大提高了損傷診斷和結構健康評估的準確性。這種系統將是今后土木工程結構健康監測系統的發展趨勢。
2.2超高層結構健康監測的特點
由于健康監測在土木工程起初主要應用于橋梁結構上, 形成的橋梁的監測理論是基于歐拉梁的形式, 如曲率模態, 它只考慮了彎曲變形的影響。超高層結構體系一般采用筒中筒、框筒、框剪結構, 因此在側向荷載作用下, 還需要考慮剪切變形的影響。直接將橋梁監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, 超高層結構具有非常大的高度, 風荷載往往成為結構的控制荷載。
在側向荷載作用下, 超高層結構的水平位移過大容易引起結構損壞或失穩, 從而影響結構的可靠性和安全性, 因此對超高層結構的水平位移監測與控制是超高層健康監測的重要內容。以往橋梁或普通建筑位移監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構體系、動力特性和周邊環境, 這些方法一定程度上應用于超高層建筑結構還不太成熟, 水平位移監測相對比較難。目前, 還未有成熟的理論和技術來監測超高層的水平位移。
2.3超高層結構健康監測的應用狀況
近幾十年來, 超高層結構健康監測技術有了一定的發展, 但還未成熟, 因此結構健康監測系統還未廣泛應用于現今的超高層建筑。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 層鋼框架結構進行了長期地震監測。該鋼框架結構高86. 6 m, 平面尺寸為21.3mX27.4m。采用的監測系統準確地獲得了結構在環境激勵下的加速度和側移, 為結構的安全評估、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建立了一個真正的實時監測系統,該系統被稱作R2SHAPE, 即實時建筑狀態和性能評估的縮寫。它是加利福尼亞理工學院、美國地質調查局、數字化數據系統股份有限公司共同創建的。大樓內新的實時監測系統共有36個點, 都安裝了力平衡加速度計, 24 位模數轉換, 采樣率每秒100點。當地震發生時, 大量的數字信號通過TCP / IP協議傳輸到局域網, 這些數據被發送到異地的服務器上, 并公布于互聯網上 。在國內, 瞿偉廉等在深圳市民大廈的屋頂部分安裝了一套健康監測系統。該屋頂為長486m、寬156m 的網殼結構, 跨中豎向桁架支撐在塔上。該系統由傳感器子系統和結構分析子系統組成, 其中, 傳感器子系統測量屋頂部分的風壓和反應, 結構分析子系統分析計算結構的反應并進行安全評定。傳感器子系統包括光纖傳感器、應變片、風速儀、風壓計和加速度傳感器。結構分析子系統在監測得到的結構反應的基礎上, 可以進行屋頂結構的損傷識別、模型修正和安全評定。所有監測的信號均存儲在數據庫中, 數據庫通過局域網和Internet網實現遠程傳輸 。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方面的應用和研究。
3超高層結構健康監測系統概述
3.1功能
一般超高層結構健康監測系統具有的功能:
實時監控結構的整體和局部狀態;
對結構損傷位置和損傷程度做出診斷;
評估結構的服役情況、可靠性、耐久性以及剩余壽命;
發生臺風、地震或爆炸等突發災難事件或結構發生異常狀態時, 判斷結構的安全等級, 保證人員的生命與財產安全, 并且在事后為結構的維護和管理決策提供依據;
設計驗證與理論研究。
3.2設計原則
超高層結構健康監測系統的設計需要遵循功能要求和效益- 成本分析兩大準則。對于超高層建筑結構, 健康監測系統的功能一般為結構監控與評估、設計驗證或研究發展。當監測系統的功能確定以后, 就可以決定選擇哪些監測項目。另外, 監測項目的規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系。結構健康監測系統的成本通常比較大, 監測項目及傳感器數量越多, 監測信息就越全面, 從而系統成本就越高; 反之, 如果降低系統成本, 將由于監測信息的不足而使監測數據有效性降低。因此, 為了使系統成本更合理, 在目的與功能已經確定的基礎上,還有必要對效益與成本進行充分衡量。超高層結構的健康監測是實時、長期、連續的在線監測, 所以除了前兩大準則以外, 監測系統還必須滿足可靠性、耐久性和系統性。在建立監測系統時, 在成本允許的基礎上, 盡量選擇高可靠和高耐久的儀器設備。并且, 監測網絡的設計也需要優化, 盡量做到路徑簡潔、反應迅速; 在系統網絡布置時, 注意施工質量, 避免留下隱患。
3.3監測項目
監測系統不同的功能目標所要求的監測項目不盡相同, 主要包括以下幾方面。
1) 結構動力特性監測
對于結構的損傷或老化, 會不同程度地引起結構參數如結構質量、剛度和阻尼的變化, 進而導致結構自振頻率、振型和模態參數等變化, 結構動力監測的目的是通過監測系統來獲得結構模態參數、加速度時程記錄、頻響函數來推算結構參數的變化, 從而進行結構參數識別、模型修正和損傷識別。所以結構的動力特性監測對于結構健康監測具有巨大的工程意義的, 它是超高層結構健康監測一項主要內容。
2) 結構變形監測
超高層結構變形監測主要內容是結構水平位移。結構水平位移過大, 將會導致結構開裂、傾斜、或損傷, 甚至達到一定程度時, 因為結構加速度過大引起室內人員不適。在現有的建筑結構規范中, 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, 超高層結構水平變形曲線也是變形監測的一項重要內容, 它在一定程度上反映了結構垂直方向的剛度變化, 是損傷判斷的重要依據之一。
3) 結構局部監測
超高層局部監測的內容包括巨型柱、核心筒墻體、外伸桁架等重要構件和一些結構重要節點。這些構件或節點的強度降低或損傷容易引起結構整體的不穩定, 引起安全隱患。因此, 對這些構件的內力狀態、強度、耐久性(混凝土碳化、鋼筋腐蝕以及開裂等) 和溫度等進行監測, 及時發現損傷部位也是結構健康監測的重要內容之一。
4) 荷載監測
荷載監測目的在于記錄超高層經受的各種可變荷載及其歷程, 為結構自診斷分析提供荷載數據。一般來說, 超高層荷載監測的對象主要是風荷載和地震荷載。超高層結構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構設計中的控制荷載, 并且頻繁發生的風力作用容易引起構件或關鍵子結構發生過大的永久變形, 增加結構二階效應和屈服破壞的可能, 從而降低結構的可靠度, 因此, 抗風設計歷來是結構設計的主要內容之一?，F行結構規范對于超過一定高度的超高層結構風荷載方面的理論和規定相對還不完善。通過超高層結構的風向、風速的監測, 獲得超高層不同風場特性不僅有助于超高層結構在風場中的行為及其抗風穩定性的分析, 為結構安全、可靠性評估提供依據, 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測系統的荷載監測內容之一, 它主要的作用是記錄地震荷載及其歷程, 為環境激勵下的結構振動響應分析提供依據。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系統組成
一個完整超高層結構健康監測系統主要包括以下幾個部分: 傳感器子系統; 數據采集與傳輸子系統; 結構健康診斷與安全評估子系統;數據管理子系統。
3.4.1傳感器子系統
傳感器是進行結構健康監測的源頭, 能夠將加速度、速度、位移、應力應變和溫度等測量參數直接轉換成電子信號輸出, 擔負感知外界環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測的準確性、精確性和全面性。適用于超高層結構健康監測的傳感器系統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境的要求。
(2) 高可靠性和高耐久性。對于超高層結構健康監測系統, 一般情況下工作環境比較穩定, 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、通信等系統兼容, 具有一定的擴展性。傳感器收集到的環境和結構信號通常要經過調理器的調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理器, 在選擇傳感器時要考慮對應這種傳感器的數據輸出方式是否與后續數據采集設備和通信設備相容。另外, 由于超高層結構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構的外觀與性能。先進測試技術的發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, 不影響結構的外形和性能。需要預埋的傳感器應該易和原結構材料融合, 對原材料影響小。
由于功能、結構形式和工作環境的特征, 超高層結構健康監測的監測項目與其他重大工程結構(橋梁、道路等)有所不同。應針對不同的監測項目和不同的待測參數, 選擇相應的傳感器。
1) 結構動力特性監測的傳感器用于記錄結構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造上更容易實現, 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。用于超高層建筑結構健康監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構的基本頻率,而上限應高于希望測試的結構高階模態頻率。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) 結構變形監測的傳感器
變形監測主要是監測建筑物位置的緩慢變化或周期較長的變形。超高層結構的變形監測主要是水平位移監測, 其包括結構頂端位移監測和整體水平變形監測。傳統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, 由于超高層結構形式特殊, 這些儀器的測量方法對于超高層結構并不適用。比如: 超高層結構振動緩慢, 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, 對于如超高層結構的大型結構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, 當結構擺動或振動太大時很難捕捉到監測點, 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。超高層結構水平位移監測主要采用傾斜儀和全球定位系統(Global Position System, GPS)。
傾斜儀通常用于測量結構主要豎向承重構件(核心筒、剪力墻等與結構整體變形相一致的構件)豎向的傾角變化。它的主要優點在于不僅可以計算獲得結構頂端水平位移, 還能獲得超高層結構沿豎直方向的傾角變化。一般情況下, 超高層結構整體水平變形情況按照結構形式的不同可以分為剪切型、彎曲型、彎剪型; 復雜超高層結構往往需要設置加強層, 這時結構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、實時地監測復雜超高層結構的整體水平變形狀態, 需要設置數個或者數十個豎直分布的傾斜儀。由于超高層特殊的結構形式和健康監測的特點, 對傾角儀的性能指標(靈敏度、量程、頻帶寬度、噪聲、零位漂移和運行環境溫度等)需要仔細考慮。
目前, 應用于超高層變形監測的儀器還有GPS。GPS具有實時、動態、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在高層建筑結構健康監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測,是符合測量精度要求的。
3) 結構局部監測的傳感器
超高層結構構件監測包括對重要構件或節點的應變、耐久性、溫度、裂縫等的監測, 傳感器按照功能的不同選用。傳統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構檢測與監測中?，F今, 隨著材料科學的發展, 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、半導體材料等的監測精度、耐久性和穩定性被證明更符合超高層結構健康監測耐久性、長期性和可靠性的要求, 以后將成為超高層結構健康監測技術的重要發展趨勢之一。
4) 荷載傳感器
荷載監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構形式、環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、位置需要嚴格依據建筑結構的實際情況。
3.4.2數據采集與傳輸子系統
該系統主要包括以下三項功能: 收集傳感器輸出的數據并對數據進行信號處理, 如信號交直分析、信號濾波、信號放大、A /D 轉換(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; 存儲采集到的數據;把數據傳輸到監測中心。它的工作流程一般為: 傳感器將量測到的非電量信號轉換成容易量測的電量信號后, 通過模/數轉換, 將數值量直接輸入到計算機中。數據采集與傳輸系統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、數模轉換(A /D )卡, 數據采集儀、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據, 將各種數據信息有條理、有重點地反饋給監測人員, 并通過局域網或互聯網傳輸數據。軟件部分的設計原則是: 選擇正確的開發語言或平臺, 具有良好的運行穩定性, 選擇與目的相匹配的軟件功能, 良好的操作性。
遠程數據采集系統是基于Internet / intrane t的數據采集系統, 通過它可以將所有傳感器數據的管理和使用工作、部分現場的非實時的數據分析工作和健康診斷工作在遠程的計算機終端進行。這種結構系統更加有利于提高數據對象信息應用的時效性, 科研人員和工程技術人員即使不在控制現場, 也可以通過網絡隨時了解現場的控制系統運行情況和系統參數的實施變化, 并可根據情況通過網絡在客戶計算機上對在控制現場運行于服務器計算機的控制系統發出命令, 及時調整現場控制系統運行狀況, 從而達到遠程控制的目的。這對于超高層結構健康監測具有重要的現實意義。
3.4.3結構健康診斷評估與安全預警子系統
結構健康診斷評估與安全預警子系統的功能是根據超高層結構實時監測獲得的信息, 科學地、準確地、客觀地評價超高層結構的安全性、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, 必要時還發出預警以保證人員的生命財產安全。
(1) 損傷識別系統。它基本上可以分為以下幾類: 動力指紋分析法、模型修正法與系統識別法, 神經網絡法, 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。每座構筑物都有其動力特性, 當存在損傷時, 它的一些結構參數如剛度、質量、阻尼矩陣等會發生變化, 從而引起系統的動力特性指紋(模態參數、頻響函數)改變。因此, 可以利用損傷前后結構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, 對結構損傷進行全面、正確的分類, 建立起結構健康監測時的動力指紋庫和預估的損傷對應的數據庫, 再將損傷后的動力指紋與損傷數據庫中的損傷模式進行匹配, 從而識別損傷?，F在通常用的動力指紋有頻率、振型、振型曲率/應變模態、柔度等。模型修正法。主要原理是使用動力監測信息, 如模態參數、加速度時程數據、頻率響應函數
等, 通過條件優化約束, 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, 對結構損傷進行判別和定位。
(2) 安全評定系統。結構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安全評定和極限承載力狀態安全評定?？煽慷壤碚撝饕歉鶕到y或構件的實效模式以確定結構的極限狀態, 然后根據所定義的極限狀態確定極限荷載、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等。
3.4.4 數據管理子系統
數據管理系統的主要功能是實現對結構工作狀態監測過程中所獲取數據的存儲和管理, 通過該系統可進行數據的修改、刪除、查詢等操作。結構健康監測數據庫的性能直接影響整個監測系統使用的方便性與可靠性。數據庫按存儲方式可分為集中式數據庫和分布式數據庫。集中式數據庫把數據集中在一起進行集中管理, 減少了數據冗余和不一致性, 其弱點是系統相當龐大, 操作復雜, 開銷大, 處理不同領域問題時顯得不夠靈活,此外, 由于數據集中存儲, 大量的通信要通過主機, 易造成擁堵現象。分布式數據庫的數據分布在網絡的各個結點上, 大多數數據處理不通過主機而由網絡結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結論與展望
本文介紹了超高層結構健康監測的重要性、發展歷程、特點以及應用情況, 并結合以往大型結構健康監測的經驗和成果, 全面闡述了超高層結構健康監測系統的功能、設計準則、監測項目、健康監測系統的各組成部分的功能、特點、實現方法。健康監測在土木工程起初主要應用于橋梁結構上, 目前, 超高層結構健康監測技術主要來源于橋梁結構, 但由于兩者結構模型、監測環境、荷載作用方式、支座形式等存在差異, 橋梁結構健康監測的一些技術不完全適用超高層建筑, 因此, 超高層結構健康監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構形式, 傳統變形監測方法并不適用其水平位移的長期監測。且目前新采用的傾斜儀和GPS監測結構變形的技術還未發展成熟, 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) 基于無線通訊技術在結構健康監測中的應用將是以后結構健康監測的重點發展方向之一, 它避免了結構健康監測系統組建的布線困難,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) 傳感器的優化布置是超高層結構健康監測的一個重要問題, 處于對經濟和有效性的考慮,應該盡量做到用少的傳感器來獲取有效和全面的結構信息。
(4) 目前, 損傷識別方法有動力分析法、模型修正法、神經網絡法、遺傳算法等, 前兩者在超高層健康監測中比較常用, 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) 超高層結構健康監測的研究近年來成為了土木工程領域發展的重點課題之一, 但目前還缺少其結構健康監測系統的設計與開發的統一標準和規程。
關于結構健康監測
結構健康監測是指對工程結構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構體系的幾何特性發生改變，以及邊界條件和體系的連續性，體系的整體連續性對結構的服役能力有至關重要的作用。 結構健康監測涉及到通過分析定期采集的結構布置的傳感器陣列的動力響應數據來觀察體系隨時間推移產生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過數據分析來確定結構的健康狀態。對于長期結構健康監測，通過數據定期更新來估計結構老化和惡劣服役環境對工程結構是否有能力繼續實現設計功能。
關于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司（Cavono,Inc.）是一家基于物聯網光纖傳感器技術從事土木工程結構健康監測與預警管理的高新技術企業，聚華是光纖光柵傳感器產品提供商和土木工程結構健康監測一站式解決方案優質合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領域的結構健康監測相關產品的研發、生產、推廣與應用，以提供野外光纖傳感器自動化監測產品、工程結構安全監測一站式解決方案見長。主要以光纖光柵傳感器技術、分布式光纖測溫技術、工程安全自動化云計算軟件、工程化專業領域數據分析為技術核心。www.hzjzgcls.com