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歐美大地 巖土工程監測
巖土工程監測
高層建筑結構健康嗎?監測系統說的算!
發布時間:2021-12-03 瀏覽次數:26262 來源:歐美大地

高層建筑結構受力特點

高層建筑結構體系主要包括框架結構、剪力墻結構、框架剪力墻結構和筒體結構。


01 水平力是主要控制荷載,在低層和多層建筑結構中,通常以豎向荷載控制結構設計;而在高層建筑結構中,水平荷載起著決定性作用,特別是風荷載和地震作用。

02 側向變形為控制指標,與低層和多層建筑結構不同,結構側向變形成為高層建筑結構的關鍵指標。隨著建筑結構高度的增加,水平荷載作用下的側向變形增大。因此不僅要求結構具有足夠的強度,還要求具有足夠的抗側剛度,使結構在水平荷載作用下產生的側向變形控制在安全范圍。

03 抗震性能要求高,對于高層建筑結構,除要滿足正常使用時的豎向荷載、風荷載以外,還需具有良好的抗震性能。


高層建筑的結構健康監測內容

高層建筑的結構健康監測內容主要有:

01 環境與荷載監測,主要包括溫度、濕度、雨量、風荷載、地震等;

02 變形監測,主要包括垂直度、水平度、水平位移、豎向位移、基礎沉降等;

03 應力監測,主要包括混凝土應力、鋼筋應力、鋼結構應力等;

04 振動監測,包括結構關鍵位置的水平和豎向加速度,高層建筑在風荷載和地震作用下的結構振動和動力特性是運營階段的監測重點。


廣州塔結構健康監測系統簡介

廣州塔是廣州市的地標性超高層建筑結構,位于廣州新城市中軸線與珠江景觀軸交匯處,與珠江新城中的“雙子塔”構成大三角,與珠江新城南端的廣州市歌劇院、廣東省博物館構成小三角。廣州塔高600m,其中主塔高450m,天線桅桿高150m,設計使用年限為100年。廣州塔塔體包括37層不同功能的封閉樓層,作為觀光、餐廳、電視廣播中心以及休閑娛樂區。地下室1層為停車場和管理用房,地下室2層為設備和倉庫。廣州塔用地總面積約170000m2,總建筑面積約100000m2。

廣州塔的建筑結構是由一個向上旋轉的橢圓形鋼外殼變化生成,相對于塔的頂、底部,其腰部纖維,體態生動。鋼結構外筒是結構主要的垂直承重及抗側力構件,包括三種類型的構件,即立柱、環梁和斜撐。外筒共有24根柱,由地下2層柱定位點沿直線至塔體頂部相應的柱定位點,全部采用鋼管混凝土組合柱。其結構有以下特點:

結構超高

廣州塔高達600m,是中國第一高塔,世界第五高塔,在超高層建筑發展歷史中具有重要意義。

形體奇特

廣州塔以“廣州新氣象”為主題,塔的上部和下部分別是兩個橢圓,大小橢圓用鋼管混凝土立柱連接起來,然后在中間扭轉了45°,非常有動感,建筑由不同形狀和不同方向的橢圓結合而成,形成上升體,從不同的角度看有不同的形狀和效果,形體非常奇特。

結構復雜

為了實現奇特的建筑效果,設計采用簡中筒結構,內筒為橢圓形鋼筋混凝土結構,外筒為花籃狀鋼結構,兩者之間在局部區段采用支撐鋼梁和樓層連接,在450m高空設置150m高的桅桿,結構極為復雜。


廣州塔結構健康監測系統主要由香港理工大學負責設計和實施,2009年完工)。在施工階段,選取12個關鍵截面安裝了超過50個各類傳感器進行監測;在運營階段,在主塔5個關鍵截面安裝了超過280個各類傳感器進行監測,在桅桿選取3個關鍵截面安裝了超過80個各類傳感器進行監測,這些傳感器能夠實時監測廣州塔的環境參數(溫度、濕度、降雨等)、荷載(風和地震)和響應(關鍵部位的受力、水平位移、加速度、傾斜等)。主要包括風速儀、加速度計、傾斜儀、光纖應變計、光纖溫度計、腐蝕傳感器、埋入式應變計、光纖傾斜儀、地震儀、GPS等。

廣州塔結構健康監測系統的特點

01 采用施工階段和運營階段一體化設計,運營階段所需傳感器在施工階段預埋或安裝,施工階段安裝的傳感器可以作為運營階段監測系統的一部分;

02 在鋼結構外筒、鋼筋混凝土內筒以及桅桿結構采用了集成式光纖應變和溫度傳感器監測系統,節約了大量線纜鋪裝和傳感器保護成本,提高了傳感器存活率;

03 通過聯合安裝全球定位系統和數碼攝像機,對廣州塔桅桿風敏感結構進行結構變形監測和交叉驗證;

04 在塔頂桅桿底部布置了大量光纖應變計,對超高柔性桅桿結構的應力集中和風致疲勞問題進行重點監測;

05 建立了世界首個基于超高層結構健康監測系統的基準研究平臺,通過共享監測數據對比驗證理論模型。


廣州塔結構健康監測系統所使用的傳感器主要有:風壓傳感器、位移計、加速度計、風速儀、振弦式應變計、腐蝕傳感器、傾斜儀、光纖傳感器、工業數碼相機、GPS、氣象儀、地震儀。


相關傳感器

SM-5A應變計

SM-5A振弦式應變計用于監測應變的變化,當彈性模量已知時,可評估應力變化。


SM-5A振弦式表面應變計由一根鋼弦保護管連接的兩個端塊組成。一個電磁線圈放置在位于管子中部的保護外殼中。施加在應變計上的外力改變了鋼弦的張力,從而改變鋼弦的共振頻率,并被電磁線圈讀取。

MuST FBG 應變計

MuST FBG應變計用于靜態或動態的應變監測。


多個FBG(光纖布拉格光柵)應變計可以鏈接在一條光纖線路上。用膠粘或點焊的方法,安裝在混凝土、鋼和復合材料結構上。

MuST FBG溫度計

MuST FBG 溫度傳感器適用于廣泛的應用領域。這款傳感器是傳統電信號或振弦式溫度傳感器的光纖版本,但完全無源,對環境引起的漂移具有固有的不敏感性。


安裝在結構表面上或埋入在混泥土或砂漿中,每條鏈最多12個傳感器。

SOFO VII讀數儀(光纖信號解調儀)

SOFO VII讀數儀適合現場使用的可靠、多功能光纖數據記錄儀,可測讀SOFO和FBG傳感器。


SOFO VII是一款能測量SOFO(干涉測量)和FBG(光纖布拉格光柵)傳感器的通用讀數儀(也叫光纖信號解調儀)。該系統是為靜態、長期測量而設計的。每個通道都可以針對這兩種技術中的一種進行軟件配置。SOFOVII集成在一個緊湊的鋼制機箱中,用于永久安裝在任何需要連續監測的結構中。



結構健康監測系統

結構健康監測系統,主要是由一批強震儀組成的結構臺陣,再加上應變、位移、傾斜、環境等多種傳感器組成的一整套健康診斷系統。

對于建筑結構,其運動方向主要為X軸平移、Y軸平移和X-Y扭轉。


在監測過程中,主要采用單軸/雙軸/三軸加速度傳感器,配合布線及數據采集系統,對建筑結構的平移、扭轉、層間位移及反應譜等參數進行監測。



這種采用CAT5e網線布設加速度傳感器的監測方法,能夠最大限度的減少對既有建筑的影響,安裝簡單、布設方便。


可以考慮在每層樓安裝傳感器,也可以考慮每隔幾層樓安裝傳感器。建筑物的大小和形狀將影響需要多少傳感器及其位置。衡量結構的變化有多種方法,每個結構都有自己獨特的需求。不同的傳感器安裝在整個建筑的不同關鍵位置。


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