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高层建筑结构健康吗?监测系统说的算!
发布时间:2021-12-03 浏览次数:47937 来源:欧美大地

高层建筑结构受力特点

高层建筑结构体系主要包括框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构和筒体结构。


01 水平力是主要控制荷载,在低层和多层建筑结构中,通常以竖向荷载控制结构设计;而在高层建筑结构中,水平荷载起着决定性作用,特别是风荷载和地震作用。

02 侧向变形为控制指标,与低层和多层建筑结构不同,结构侧向变形成为高层建筑结构的关键指标。随着建筑结构高度的增加,水平荷载作用下的侧向变形增大。因此不仅要求结构具有足够的强度,还要求具有足够的抗侧刚度,使结构在水平荷载作用下产生的侧向变形控制在安全范围。

03 抗震性能要求高,对于高层建筑结构,除要满足正常使用时的竖向荷载、风荷载以外,还需具有良好的抗震性能。


高层建筑的结构健康监测内容

高层建筑的结构健康监测内容主要有:

01 环境与荷载监测,主要包括温度、湿度、雨量、风荷载、地震等;

02 变形监测,主要包括垂直度、水平度、水平位移、竖向位移、基础沉降等;

03 应力监测,主要包括混凝土应力、钢筋应力、钢结构应力等;

04 振动监测,包括结构关键位置的水平和竖向加速度,高层建筑在风荷载和地震作用下的结构振动和动力特性是运营阶段的监测重点。


广州塔结构健康监测系统简介

广州塔是广州市的地标性超高层建筑结构,位于广州新城市中轴线与珠江景观轴交汇处,与珠江新城中的“双子塔”构成大三角,与珠江新城南端的广州市歌剧院、广东省博物馆构成小三角。广州塔高600m,其中主塔高450m,天线桅杆高150m,设计使用年限为100年。广州塔塔体包括37层不同功能的封闭楼层,作为观光、餐厅、电视广播中心以及休闲娱乐区。地下室1层为停车场和管理用房,地下室2层为设备和仓库。广州塔用地总面积约170000m2,总建筑面积约100000m2

广州塔的建筑结构是由一个向上旋转的椭圆形钢外壳变化生成,相对于塔的顶、底部,其腰部纤维,体态生动。钢结构外筒是结构主要的垂直承重及抗侧力构件,包括三种类型的构件,即立柱、环梁和斜撑。外筒共有24根柱,由地下2层柱定位点沿直线至塔体顶部相应的柱定位点,全部采用钢管混凝土组合柱。其结构有以下特点:

结构超高

广州塔高达600m,是中国第一高塔,世界第五高塔,在超高层建筑发展历史中具有重要意义。

形体奇特

广州塔以“广州新气象”为主题,塔的上部和下部分别是两个椭圆,大小椭圆用钢管混凝土立柱连接起来,然后在中间扭转了45°,非常有动感,建筑由不同形状和不同方向的椭圆结合而成,形成上升体,从不同的角度看有不同的形状和效果,形体非常奇特。

结构复杂

为了实现奇特的建筑效果,设计采用简中筒结构,内筒为椭圆形钢筋混凝土结构,外筒为花篮状钢结构,两者之间在局部区段采用支撑钢梁和楼层连接,在450m高空设置150m高的桅杆,结构极为复杂。


广州塔结构健康监测系统主要由香港理工大学负责设计和实施,2009年完工)。在施工阶段,选取12个关键截面安装了超过50个各类传感器进行监测;在运营阶段,在主塔5个关键截面安装了超过280个各类传感器进行监测,在桅杆选取3个关键截面安装了超过80个各类传感器进行监测,这些传感器能够实时监测广州塔的环境参数(温度、湿度、降雨等)、荷载(风和地震)和响应(关键部位的受力、水平位移、加速度、倾斜等)。主要包括风速仪、加速度计、倾斜仪、光纤应变计、光纤温度计、腐蚀传感器、埋入式应变计、光纤倾斜仪、地震仪、GPS等。

广州塔结构健康监测系统的特点

01 采用施工阶段和运营阶段一体化设计,运营阶段所需传感器在施工阶段预埋或安装,施工阶段安装的传感器可以作为运营阶段监测系统的一部分;

02 在钢结构外筒、钢筋混凝土内筒以及桅杆结构采用了集成式光纤应变和温度传感器监测系统,节约了大量线缆铺装和传感器保护成本,提高了传感器存活率;

03 通过联合安装全球定位系统和数码摄像机,对广州塔桅杆风敏感结构进行结构变形监测和交叉验证;

04 在塔顶桅杆底部布置了大量光纤应变计,对超高柔性桅杆结构的应力集中和风致疲劳问题进行重点监测;

05 建立了世界首个基于超高层结构健康监测系统的基准研究平台,通过共享监测数据对比验证理论模型。


广州塔结构健康监测系统所使用的传感器主要有:风压传感器、位移计、加速度计、风速仪、振弦式应变计、腐蚀传感器、倾斜仪、光纤传感器、工业数码相机、GPS、气象仪、地震仪。


相关传感器

SM-5A应变计

SM-5A振弦式应变计用于监测应变的变化,当弹性模量已知时,可评估应力变化。


SM-5A振弦式表面应变计由一根钢弦保护管连接的两个端块组成。一个电磁线圈放置在位于管子中部的保护外壳中。施加在应变计上的外力改变了钢弦的张力,从而改变钢弦的共振频率,并被电磁线圈读取。

MuST FBG 应变计

MuST FBG应变计用于静态或动态的应变监测。


多个FBG(光纤布拉格光栅)应变计可以链接在一条光纤线路上。用胶粘或点焊的方法,安装在混凝土、钢和复合材料结构上。

MuST FBG温度计

MuST FBG 温度传感器适用于广泛的应用领域。这款传感器是传统电信号或振弦式温度传感器的光纤版本,但完全无源,对环境引起的漂移具有固有的不敏感性。


安装在结构表面上或埋入在混泥土或砂浆中,每条链最多12个传感器。

SOFO VII读数仪(光纤信号解调仪)

SOFO VII读数仪适合现场使用的可靠、多功能光纤数据记录仪,可测读SOFO和FBG传感器。


SOFO VII是一款能测量SOFO(干涉测量)和FBG(光纤布拉格光栅)传感器的通用读数仪(也叫光纤信号解调仪)。该系统是为静态、长期测量而设计的。每个通道都可以针对这两种技术中的一种进行软件配置。SOFOVII集成在一个紧凑的钢制机箱中,用于永久安装在任何需要连续监测的结构中。



结构健康监测系统

结构健康监测系统,主要是由一批强震仪组成的结构台阵,再加上应变、位移、倾斜、环境等多种传感器组成的一整套健康诊断系统。

对于建筑结构,其运动方向主要为X轴平移、Y轴平移和X-Y扭转。


在监测过程中,主要采用单轴/双轴/三轴加速度传感器,配合布线及数据采集系统,对建筑结构的平移、扭转、层间位移及反应谱等参数进行监测。



这种采用CAT5e网线布设加速度传感器的监测方法,能够最大限度的减少对既有建筑的影响,安装简单、布设方便。


可以考虑在每层楼安装传感器,也可以考虑每隔几层楼安装传感器。建筑物的大小和形状将影响需要多少传感器及其位置。衡量结构的变化有多种方法,每个结构都有自己独特的需求。不同的传感器安装在整个建筑的不同关键位置。


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