1引言
超高层建筑结构的使用期限通常长达几十年乃至上百年。在其使用过程中, 由于超常荷载、材料老化、构件缺陷等因素的作用, 结构将逐渐产生损伤累积, 从而使结构的承载能力降低, 抵抗自然灾害的能力下降。如遇地震、台风等灾难性荷载作用时, 就可能遭受极为严重的破坏, 给国家和人民的生命、财产带来巨大损失。因此, 监测和诊断超高层结构的健康状况, 及时发现结构损伤, 对可能出现的灾害进行预测, 评估服役结构的安全性、可靠性、耐久性和适用性具有非常重要的现实意义。
2超高层结构健康监测的发展状况
2.1结构健康监测技术的发展
结构健康监测技术(Structure H ealth Monitoring, 简称SHM)是用探测到的响应, 结合系统的特性分析, 来评价结构损伤的严重性以及定位损伤位置。其基本思想是通过测量结构在超常荷载前后的响应来推断结构特性的变化, 进而探测和评价结构的损伤; 或者通过持续监测来发现结构的长期退化。结构健康监测可适用于所有种类的结构。其主要特点是集现代的计算机、无线传感网络、传感、信号处理、实时数据传输与管理、软件开发、结构分析与结构检测技术、智能控制器等为一体, 多学科相互交叉。 国外在20世纪50年代开始结构健康监测研究, 主要运用于航空航天及机械等领域, 大约在20世纪70年代末, 有国外的学者开始研究土木工程方面的结构健康监测。至今, 国内外重大工程的结构健康监测系统集成经历了以下几个阶段。早期, 人工监测是结构健康监测的主要方式,通过具有丰富经验工程师的肉眼观察、常规检测仪器对结构进行巡查, 然后根据经验对结构的状态和发展趋势做出判断和决策。后来随着计算机在土木工程中广泛应用, 出现了集中式在线监测,这种方式是由一台计算机完成数据采集、信号处理和损伤识别, 主要功能于一体, 投资少, 但是由于测点数目和系统功能有限, 只能适用于空间跨度不大、测点少的结构。为了在复杂结构和空间跨度大的结构中实现健康监测, 出现了分布式在线监测, 这种系统按照数据采集、信号处理和数据管理等功能, 采用多台计算机, 通过传统的计算机通信手段(如RS232 \RS485等)互相合作, 形成一个完整的健康监测系统。它适用于如桥梁、超高层等复杂结构, 由于采用分布式技术, 系统相对复杂, 技术难度大, 投资较高。
集中式和分布式在线监测只能在结构现场实现健康监测, 无法实现远离现场或多个用户同时在线监测。远程分布式在线监测系统的发展解决了这个问题, 它是在分布式在线监测系统的基础上, 应用了Internet和Intranet技术, 实施远程诊断和访问, 充分利用了远程技术支持和数据共享,大大提高了损伤诊断和结构健康评估的准确性。这种系统将是今后土木工程结构健康监测系统的发展趋势。
2.2超高层结构健康监测的特点
由于健康监测在土木工程起初主要应用于桥梁结构上, 形成的桥梁的监测理论是基于欧拉梁的形式, 如曲率模态, 它只考虑了弯曲变形的影响。超高层结构体系一般采用筒中筒、框筒、框剪结构, 因此在侧向荷载作用下, 还需要考虑剪切变形的影响。直接将桥梁监测理论应用于超高层还需要进一步探讨。不同于桥梁或普通建筑, 超高层结构具有非常大的高度, 风荷载往往成为结构的控制荷载。
在侧向荷载作用下, 超高层结构的水平位移过大容易引起结构损坏或失稳, 从而影响结构的可靠性和安全性, 因此对超高层结构的水平位移监测与控制是超高层健康监测的重要内容。以往桥梁或普通建筑位移监测主要使用加速度传感器、激光全站仪或位移计, 但由于超高层建筑独特的结构体系、动力特性和周边环境, 这些方法一定程度上应用于超高层建筑结构还不太成熟, 水平位移监测相对比较难。目前, 还未有成熟的理论和技术来监测超高层的水平位移。
2.3超高层结构健康监测的应用状况
近几十年来, 超高层结构健康监测技术有了一定的发展, 但还未成熟, 因此结构健康监测系统还未广泛应用于现今的超高层建筑。80年代初, 国外开始对高层建筑作长期在线监测。如M. Ce lebi等人对于1982年在美国旧金山建成的一栋24 层钢框架结构进行了长期地震监测。该钢框架结构高86. 6 m, 平面尺寸为21.3mX27.4m。采用的监测系统准确地获得了结构在环境激励下的加速度和侧移, 为结构的安全评估、维护以及抗震性能研究提供了有效的资料 。2002年初, 在加利福尼亚理工学院米利肯图书馆大楼内建立了一个真正的实时监测系统,该系统被称作R2SHAPE, 即实时建筑状态和性能评估的缩写。它是加利福尼亚理工学院、美国地质调查局、数字化数据系统股份有限公司共同创建的。大楼内新的实时监测系统共有36个点, 都安装了力平衡加速度计, 24 位模数转换, 采样率每秒100点。当地震发生时, 大量的数字信号通过TCP / IP协议传输到局域网, 这些数据被发送到异地的服务器上, 并公布于互联网上 。在国内, 瞿伟廉等在深圳市民大厦的屋顶部分安装了一套健康监测系统。该屋顶为长486m、宽156m 的网壳结构, 跨中竖向桁架支撑在塔上。该系统由传感器子系统和结构分析子系统组成, 其中, 传感器子系统测量屋顶部分的风压和反应, 结构分析子系统分析计算结构的反应并进行安全评定。传感器子系统包括光纤传感器、应变片、风速仪、风压计和加速度传感器。结构分析子系统在监测得到的结构反应的基础上, 可以进行屋顶结构的损伤识别、模型修正和安全评定。所有监测的信号均存储在数据库中, 数据库通过局域网和Internet网实现远程传输 。除此之外,深圳地王大厦、上海金茂大厦和杭州市民中心等超高层建筑也做了相关方面的应用和研究。
3超高层结构健康监测系统概述
3.1功能
一般超高层结构健康监测系统具有的功能:
实时监控结构的整体和局部状态;
对结构损伤位置和损伤程度做出诊断;
评估结构的服役情况、可靠性、耐久性以及剩余寿命;
发生台风、地震或爆炸等突发灾难事件或结构发生异常状态时, 判断结构的安全等级, 保证人员的生命与财产安全, 并且在事后为结构的维护和管理决策提供依据;
设计验证与理论研究。
3.2设计原则
超高层结构健康监测系统的设计需要遵循功能要求和效益- 成本分析两大准则。对于超高层建筑结构, 健康监测系统的功能一般为结构监控与评估、设计验证或研究发展。当监测系统的功能确定以后, 就可以决定选择哪些监测项目。另外, 监测项目的规模和仪器性能要求等的确定也需要充分衡量效益与成本的关系。结构健康监测系统的成本通常比较大, 监测项目及传感器数量越多, 监测信息就越全面, 从而系统成本就越高; 反之, 如果降低系统成本, 将由于监测信息的不足而使监测数据有效性降低。因此, 为了使系统成本更合理, 在目的与功能已经确定的基础上,还有必要对效益与成本进行充分衡量。超高层结构的健康监测是实时、长期、连续的在线监测, 所以除了前两大准则以外, 监测系统还必须满足可靠性、耐久性和系统性。在建立监测系统时, 在成本允许的基础上, 尽量选择高可靠和高耐久的仪器设备。并且, 监测网络的设计也需要优化, 尽量做到路径简洁、反应迅速; 在系统网络布置时, 注意施工质量, 避免留下隐患。
3.3监测项目
监测系统不同的功能目标所要求的监测项目不尽相同, 主要包括以下几方面。
1) 结构动力特性监测
对于结构的损伤或老化, 会不同程度地引起结构参数如结构质量、刚度和阻尼的变化, 进而导致结构自振频率、振型和模态参数等变化, 结构动力监测的目的是通过监测系统来获得结构模态参数、加速度时程记录、频响函数来推算结构参数的变化, 从而进行结构参数识别、模型修正和损伤识别。所以结构的动力特性监测对于结构健康监测具有巨大的工程意义的, 它是超高层结构健康监测一项主要内容。
2) 结构变形监测
超高层结构变形监测主要内容是结构水平位移。结构水平位移过大, 将会导致结构开裂、倾斜、或损伤, 甚至达到一定程度时, 因为结构加速度过大引起室内人员不适。在现有的建筑结构规范中, 对超高层建筑的顶端位移和层间水平位移都有严格的限制 。除此之外, 超高层结构水平变形曲线也是变形监测的一项重要内容, 它在一定程度上反映了结构垂直方向的刚度变化, 是损伤判断的重要依据之一。
3) 结构局部监测
超高层局部监测的内容包括巨型柱、核心筒墙体、外伸桁架等重要构件和一些结构重要节点。这些构件或节点的强度降低或损伤容易引起结构整体的不稳定, 引起安全隐患。因此, 对这些构件的内力状态、强度、耐久性(混凝土碳化、钢筋腐蚀以及开裂等) 和温度等进行监测, 及时发现损伤部位也是结构健康监测的重要内容之一。
4) 荷载监测
荷载监测目的在于记录超高层经受的各种可变荷载及其历程, 为结构自诊断分析提供荷载数据。一般来说, 超高层荷载监测的对象主要是风荷载和地震荷载。超高层结构属于风荷载敏感建筑。随着高度的增加, 风荷载往往成为超高层结构设计中的控制荷载, 并且频繁发生的风力作用容易引起构件或关键子结构发生过大的永久变形, 增加结构二阶效应和屈服破坏的可能, 从而降低结构的可靠度, 因此, 抗风设计历来是结构设计的主要内容之一。现行结构规范对于超过一定高度的超高层结构风荷载方面的理论和规定相对还不完善。通过超高层结构的风向、风速的监测, 获得超高层不同风场特性不仅有助于超高层结构在风场中的行为及其抗风稳定性的分析, 为结构安全、可靠性评估提供依据, 同时, 还促进了超高层抗风设计和风工程的理论研究。地震荷载也是健康监测系统的荷载监测内容之一, 它主要的作用是记录地震荷载及其历程, 为环境激励下的结构振动响应分析提供依据。并且, 获得的地震观测资料可以促进我国的地震动方面的研究。
3.4系统组成
一个完整超高层结构健康监测系统主要包括以下几个部分: 传感器子系统; 数据采集与传输子系统; 结构健康诊断与安全评估子系统;数据管理子系统。
3.4.1传感器子系统
传感器是进行结构健康监测的源头, 能够将加速度、速度、位移、应力应变和温度等测量参数直接转换成电子信号输出, 担负感知外界环境变化和收集外界信息的任务, 它的性能和布置方法直接决定了监测的准确性、精确性和全面性。适用于超高层结构健康监测的传感器系统必须具备以下几个特性:
(1) 传感器的性能指标满足测量要求。各种不同的传感器具体的要求更不相同, 主要包括量程、精确度、灵敏度、分辨率、频响范围等。除此之外, 传感器工作的温度范围、湿度范围或其他干扰范围满足使用环境的要求。
(2) 高可靠性和高耐久性。对于超高层结构健康监测系统, 一般情况下工作环境比较稳定, 但其运行周期长达几年甚至几十年, 因此, 传感器还应该具备高可靠性和耐久性。
(3) 与采集、通信等系统兼容, 具有一定的扩展性。传感器收集到的环境和结构信号通常要经过调理器的调理放大后才能被显示、传输和记录。通常不同的传感器具有相匹配的调理器, 在选择传感器时要考虑对应这种传感器的数据输出方式是否与后续数据采集设备和通信设备相容。另外, 由于超高层结构可能会有比较多的测点, 在选择采集设备时还应该考虑设备的通道扩展性, 以满足需要。
(4) 传感器元件不影响结构的外观与性能。先进测试技术的发展要求不仅要求传感器具有高精度、高可靠性和高耐久性, 而且还要求尺寸小,重量轻, 不影响结构的外形和性能。需要预埋的传感器应该易和原结构材料融合, 对原材料影响小。
由于功能、结构形式和工作环境的特征, 超高层结构健康监测的监测项目与其他重大工程结构(桥梁、道路等)有所不同。应针对不同的监测项目和不同的待测参数, 选择相应的传感器。
1) 结构动力特性监测的传感器用于记录结构在动载下的速度和加速度反应谱。振动传感器是一种换能装置, 它将振动信号转换为便于传输、放大和记录的电信号。由振动传感器的原理决定, 加速度传感器较速度传感器在构造上更容易实现, 因此加速度传感器应用更为普遍。常用加速度传感器主要包括压电式加速度计、压阻式加速度计、电容式加速度计、力平衡式加速度计等。用于超高层建筑结构健康监测的加速度仪需重点考虑有效频带和分辨率两个指标。有效频带指传感器能有效测试各种频率振动的频率范围。
该频率范围的下限应低于被测结构的基本频率,而上限应高于希望测试的结构高阶模态频率。分辨率指传感器通过放大器后能感受到的小信号水平, 可以认为是测试系统的大噪声水平。传感器的分辨率可按信噪比不小于4确定。
2) 结构变形监测的传感器
变形监测主要是监测建筑物位置的缓慢变化或周期较长的变形。超高层结构的变形监测主要是水平位移监测, 其包括结构顶端位移监测和整体水平变形监测。传统的位移测量仪器有加速度传感器、位移传感器和激光全站仪等。但是, 由于超高层结构形式特殊, 这些仪器的测量方法对于超高层结构并不适用。比如: 超高层结构振动缓慢, 通过加速度传感器测得的加速度来求位移的方法误差大, 不能满足监测精度的要求; 位移传感器是一种接触性传感器, 必须与测点直接接触, 对于如超高层结构的大型结构物测量有巨大的困难; 另外, 激光全站仪虽然精度比较高, 但是, 当结构摆动或振动太大时很难捕捉到监测点, 尤其是在恶劣天气(如台风、大雨或浓雾等)情况下激光跟踪目标困难, 实时性差。超高层结构水平位移监测主要采用倾斜仪和全球定位系统(Global Position System, GPS)。
倾斜仪通常用于测量结构主要竖向承重构件(核心筒、剪力墙等与结构整体变形相一致的构件)竖向的倾角变化。它的主要优点在于不仅可以计算获得结构顶端水平位移, 还能获得超高层结构沿竖直方向的倾角变化。一般情况下, 超高层结构整体水平变形情况按照结构形式的不同可以分为剪切型、弯曲型、弯剪型; 复杂超高层结构往往需要设置加强层, 这时结构整体水平变形通常不是简单的上述三种类型, 而是它们之间的组合。因此, 为了准确、实时地监测复杂超高层结构的整体水平变形状态, 需要设置数个或者数十个竖直分布的倾斜仪。由于超高层特殊的结构形式和健康监测的特点, 对倾角仪的性能指标(灵敏度、量程、频带宽度、噪声、零位漂移和运行环境温度等)需要仔细考虑。
目前, 应用于超高层变形监测的仪器还有GPS。GPS具有实时、动态、操作方便等突出的特点, 但是它的测量精度一直是它广泛应用的瓶颈。戴吾蛟等为了研究GPS在高层建筑结构健康监测应用中能够达到的测量精度, 设计了一个能够进行不同频率和振幅水平振动, 且能够输出精确振动位移量的振动台。其实验结果表明, 在小波去噪及多路径重复性误差模型改正后, 在开阔的弱多路径环境下, 能够测得振幅为2mm 频率、低于1H z的振动位移; 而在多路径效应较强的情况下, GPS 能够满足振幅大于20 mm 频率、低于0. 5 H z的振动位移测量要求。因此, GPS应用于这超高层的位移监测,是符合测量精度要求的。
3) 结构局部监测的传感器
超高层结构构件监测包括对重要构件或节点的应变、耐久性、温度、裂缝等的监测, 传感器按照功能的不同选用。传统的传感器有压电式力传感器、阻抗传感器、应变片等, 广泛应用于土木工程的结构检测与监测中。现今, 随着材料科学的发展, 一些智能材料例如光纤、压电材料、形状记忆合金、电阻应变丝、半导体材料等的监测精度、耐久性和稳定性被证明更符合超高层结构健康监测耐久性、长期性和可靠性的要求, 以后将成为超高层结构健康监测技术的重要发展趋势之一。
4) 荷载传感器
荷载监测的传感器按照荷载类型的不同有强震观测仪器、风速仪、风压计等。由于不同的超高层建筑的结构形式、环境荷载以及建筑特征会有所不同, 所以, 荷载传感器的性能指标和安装方法、位置需要严格依据建筑结构的实际情况。
3.4.2数据采集与传输子系统
该系统主要包括以下三项功能: 收集传感器输出的数据并对数据进行信号处理, 如信号交直分析、信号滤波、信号放大、A /D 转换(信号采集)、采样控制、信号预处理(异常值处理及标定)等信号采集的基本功能; 存储采集到的数据;把数据传输到监测中心。它的工作流程一般为: 传感器将量测到的非电量信号转换成容易量测的电量信号后, 通过模/数转换, 将数值量直接输入到计算机中。数据采集与传输系统包括硬件部分和软件部分。硬件部分主要包括传输电缆/光缆、数模转换(A /D )卡, 数据采集仪、工控机等, 对于这部分的设计除了满足正常使用, 还应该考虑性价比的原则。软件部分功能是集成并管理数据, 将各种数据信息有条理、有重点地反馈给监测人员, 并通过局域网或互联网传输数据。软件部分的设计原则是: 选择正确的开发语言或平台, 具有良好的运行稳定性, 选择与目的相匹配的软件功能, 良好的操作性。
远程数据采集系统是基于Internet / intrane t的数据采集系统, 通过它可以将所有传感器数据的管理和使用工作、部分现场的非实时的数据分析工作和健康诊断工作在远程的计算机终端进行。这种结构系统更加有利于提高数据对象信息应用的时效性, 科研人员和工程技术人员即使不在控制现场, 也可以通过网络随时了解现场的控制系统运行情况和系统参数的实施变化, 并可根据情况通过网络在客户计算机上对在控制现场运行于服务器计算机的控制系统发出命令, 及时调整现场控制系统运行状况, 从而达到远程控制的目的。这对于超高层结构健康监测具有重要的现实意义。
3.4.3结构健康诊断评估与安全预警子系统
结构健康诊断评估与安全预警子系统的功能是根据超高层结构实时监测获得的信息, 科学地、准确地、客观地评价超高层结构的安全性、耐久性和正常使用性能, 为超高层的维护与管理提供决策依据, 必要时还发出预警以保证人员的生命财产安全。
(1) 损伤识别系统。它基本上可以分为以下几类: 动力指纹分析法、模型修正法与系统识别法, 神经网络法, 遗传算法, 小波变换法等。目前,在超高层建筑应用较为广泛的为前两种方法。动力指纹分析法。每座构筑物都有其动力特性, 当存在损伤时, 它的一些结构参数如刚度、质量、阻尼矩阵等会发生变化, 从而引起系统的动力特性指纹(模态参数、频响函数)改变。因此, 可以利用损伤前后结构动力特性指纹的变化来识别损伤。动力指纹分析法的核心是, 对结构损伤进行全面、正确的分类, 建立起结构健康监测时的动力指纹库和预估的损伤对应的数据库, 再将损伤后的动力指纹与损伤数据库中的损伤模式进行匹配, 从而识别损伤。现在通常用的动力指纹有频率、振型、振型曲率/应变模态、柔度等。模型修正法。主要原理是使用动力监测信息, 如模态参数、加速度时程数据、频率响应函数
等, 通过条件优化约束, 不断修正模型中的刚度分布, 从而由测得的模型刚度的退化, 对结构损伤进行判别和定位。
(2) 安全评定系统。结构安全性评估方法常用的理论是可靠度理论。安全评定分为正常使用状态安全评定和极限承载力状态安全评定。可靠度理论主要是根据系统或构件的实效模式以确定结构的极限状态, 然后根据所定义的极限状态确定极限荷载、临界荷载和临界强度, 得出相应的实效概率、可靠度及可靠性指标, 从而进行安全性评定。目前, 安全评定方法还有层次分析法、模糊理论以及专家系统等。
3.4.4 数据管理子系统
数据管理系统的主要功能是实现对结构工作状态监测过程中所获取数据的存储和管理, 通过该系统可进行数据的修改、删除、查询等操作。结构健康监测数据库的性能直接影响整个监测系统使用的方便性与可靠性。数据库按存储方式可分为集中式数据库和分布式数据库。集中式数据库把数据集中在一起进行集中管理, 减少了数据冗余和不一致性, 其弱点是系统相当庞大, 操作复杂, 开销大, 处理不同领域问题时显得不够灵活,此外, 由于数据集中存储, 大量的通信要通过主机, 易造成拥堵现象。分布式数据库的数据分布在网络的各个结点上, 大多数数据处理不通过主机而由网络结点上的局部处理机进行, 响应速度快, 负荷可均衡分散, 偶然性故障对全局的影响小。
4结论与展望
本文介绍了超高层结构健康监测的重要性、发展历程、特点以及应用情况, 并结合以往大型结构健康监测的经验和成果, 全面阐述了超高层结构健康监测系统的功能、设计准则、监测项目、健康监测系统的各组成部分的功能、特点、实现方法。健康监测在土木工程起初主要应用于桥梁结构上, 目前, 超高层结构健康监测技术主要来源于桥梁结构, 但由于两者结构模型、监测环境、荷载作用方式、支座形式等存在差异, 桥梁结构健康监测的一些技术不完全适用超高层建筑, 因此, 超高层结构健康监测的理论和方法还需要不断地研究与实践:
(1) 由于超高层特殊的结构形式, 传统变形监测方法并不适用其水平位移的长期监测。且目前新采用的倾斜仪和GPS监测结构变形的技术还未发展成熟, 处于尝试阶段, 还未达到理想的效果, 许多问题还有待于解决。
(2) 基于无线通讯技术在结构健康监测中的应用将是以后结构健康监测的重点发展方向之一, 它避免了结构健康监测系统组建的布线困难,大幅度减少了这方面的成本, 并且不用担心信号线的老化和损坏对信号采集的影响。
(3) 传感器的优化布置是超高层结构健康监测的一个重要问题, 处于对经济和有效性的考虑,应该尽量做到用少的传感器来获取有效和全面的结构信息。
(4) 目前, 损伤识别方法有动力分析法、模型修正法、神经网络法、遗传算法等, 前两者在超高层健康监测中比较常用, 但在实际工程中应用效果往往不很理想, 未能做到对损伤精确、量化地识别, 因此超高层的损伤识别方法还需要进一步的理论研究。
(5) 超高层结构健康监测的研究近年来成为了土木工程领域发展的重点课题之一, 但目前还缺少其结构健康监测系统的设计与开发的统一标准和规程。
关于结构健康监测
结构健康监测是指对工程结构实施损伤检测和识别。 我们这里所说的损伤包括材料特性改变或结构体系的几何特性发生改变，以及边界条件和体系的连续性，体系的整体连续性对结构的服役能力有至关重要的作用。 结构健康监测涉及到通过分析定期采集的结构布置的传感器阵列的动力响应数据来观察体系随时间推移产生的变化，损伤敏感特征值的提取并通过数据分析来确定结构的健康状态。对于长期结构健康监测，通过数据定期更新来估计结构老化和恶劣服役环境对工程结构是否有能力继续实现设计功能。
关于聚华科技
杭州聚华光电科技有限公司（Cavono,Inc.）是一家基于物联网光纤传感器技术从事土木工程结构健康监测与预警管理的高新技术企业，聚华是光纤光栅传感器产品提供商和土木工程结构健康监测一站式解决方案优质合作伙伴。公司专注于桥梁、隧道、边坡、基坑、地铁、矿山、电力等土木工程领域的结构健康监测相关产品的研发、生产、推广与应用，以提供野外光纤传感器自动化监测产品、工程结构安全监测一站式解决方案见长。主要以光纤光栅传感器技术、分布式光纤测温技术、工程安全自动化云计算软件、工程化专业领域数据分析为技术核心。www.cavono.com
超高层建筑结构的使用期限通常长达几十年乃至上百年。在其使用过程中, 由于超常荷载、材料老化、构件缺陷等因素的作用, 结构将逐渐产生损伤累积, 从而使结构的承载能力降低, 抵抗自然灾害的能力下降。如遇地震、台风等灾难性荷载作用时, 就可能遭受极为严重的破坏, 给国家和人民的生命、财产带来巨大损失。因此, 监测和诊断超高层结构的健康状况, 及时发现结构损伤, 对可能出现的灾害进行预测, 评估服役结构的安全性、可靠性、耐久性和适用性具有非常重要的现实意义。
2超高层结构健康监测的发展状况
2.1结构健康监测技术的发展
结构健康监测技术(Structure H ealth Monitoring, 简称SHM)是用探测到的响应, 结合系统的特性分析, 来评价结构损伤的严重性以及定位损伤位置。其基本思想是通过测量结构在超常荷载前后的响应来推断结构特性的变化, 进而探测和评价结构的损伤; 或者通过持续监测来发现结构的长期退化。结构健康监测可适用于所有种类的结构。其主要特点是集现代的计算机、无线传感网络、传感、信号处理、实时数据传输与管理、软件开发、结构分析与结构检测技术、智能控制器等为一体, 多学科相互交叉。 国外在20世纪50年代开始结构健康监测研究, 主要运用于航空航天及机械等领域, 大约在20世纪70年代末, 有国外的学者开始研究土木工程方面的结构健康监测。至今, 国内外重大工程的结构健康监测系统集成经历了以下几个阶段。早期, 人工监测是结构健康监测的主要方式,通过具有丰富经验工程师的肉眼观察、常规检测仪器对结构进行巡查, 然后根据经验对结构的状态和发展趋势做出判断和决策。后来随着计算机在土木工程中广泛应用, 出现了集中式在线监测,这种方式是由一台计算机完成数据采集、信号处理和损伤识别, 主要功能于一体, 投资少, 但是由于测点数目和系统功能有限, 只能适用于空间跨度不大、测点少的结构。为了在复杂结构和空间跨度大的结构中实现健康监测, 出现了分布式在线监测, 这种系统按照数据采集、信号处理和数据管理等功能, 采用多台计算机, 通过传统的计算机通信手段(如RS232 \RS485等)互相合作, 形成一个完整的健康监测系统。它适用于如桥梁、超高层等复杂结构, 由于采用分布式技术, 系统相对复杂, 技术难度大, 投资较高。
集中式和分布式在线监测只能在结构现场实现健康监测, 无法实现远离现场或多个用户同时在线监测。远程分布式在线监测系统的发展解决了这个问题, 它是在分布式在线监测系统的基础上, 应用了Internet和Intranet技术, 实施远程诊断和访问, 充分利用了远程技术支持和数据共享,大大提高了损伤诊断和结构健康评估的准确性。这种系统将是今后土木工程结构健康监测系统的发展趋势。
2.2超高层结构健康监测的特点
由于健康监测在土木工程起初主要应用于桥梁结构上, 形成的桥梁的监测理论是基于欧拉梁的形式, 如曲率模态, 它只考虑了弯曲变形的影响。超高层结构体系一般采用筒中筒、框筒、框剪结构, 因此在侧向荷载作用下, 还需要考虑剪切变形的影响。直接将桥梁监测理论应用于超高层还需要进一步探讨。不同于桥梁或普通建筑, 超高层结构具有非常大的高度, 风荷载往往成为结构的控制荷载。
在侧向荷载作用下, 超高层结构的水平位移过大容易引起结构损坏或失稳, 从而影响结构的可靠性和安全性, 因此对超高层结构的水平位移监测与控制是超高层健康监测的重要内容。以往桥梁或普通建筑位移监测主要使用加速度传感器、激光全站仪或位移计, 但由于超高层建筑独特的结构体系、动力特性和周边环境, 这些方法一定程度上应用于超高层建筑结构还不太成熟, 水平位移监测相对比较难。目前, 还未有成熟的理论和技术来监测超高层的水平位移。
2.3超高层结构健康监测的应用状况
近几十年来, 超高层结构健康监测技术有了一定的发展, 但还未成熟, 因此结构健康监测系统还未广泛应用于现今的超高层建筑。80年代初, 国外开始对高层建筑作长期在线监测。如M. Ce lebi等人对于1982年在美国旧金山建成的一栋24 层钢框架结构进行了长期地震监测。该钢框架结构高86. 6 m, 平面尺寸为21.3mX27.4m。采用的监测系统准确地获得了结构在环境激励下的加速度和侧移, 为结构的安全评估、维护以及抗震性能研究提供了有效的资料 。2002年初, 在加利福尼亚理工学院米利肯图书馆大楼内建立了一个真正的实时监测系统,该系统被称作R2SHAPE, 即实时建筑状态和性能评估的缩写。它是加利福尼亚理工学院、美国地质调查局、数字化数据系统股份有限公司共同创建的。大楼内新的实时监测系统共有36个点, 都安装了力平衡加速度计, 24 位模数转换, 采样率每秒100点。当地震发生时, 大量的数字信号通过TCP / IP协议传输到局域网, 这些数据被发送到异地的服务器上, 并公布于互联网上 。在国内, 瞿伟廉等在深圳市民大厦的屋顶部分安装了一套健康监测系统。该屋顶为长486m、宽156m 的网壳结构, 跨中竖向桁架支撑在塔上。该系统由传感器子系统和结构分析子系统组成, 其中, 传感器子系统测量屋顶部分的风压和反应, 结构分析子系统分析计算结构的反应并进行安全评定。传感器子系统包括光纤传感器、应变片、风速仪、风压计和加速度传感器。结构分析子系统在监测得到的结构反应的基础上, 可以进行屋顶结构的损伤识别、模型修正和安全评定。所有监测的信号均存储在数据库中, 数据库通过局域网和Internet网实现远程传输 。除此之外,深圳地王大厦、上海金茂大厦和杭州市民中心等超高层建筑也做了相关方面的应用和研究。
3超高层结构健康监测系统概述
3.1功能
一般超高层结构健康监测系统具有的功能:
实时监控结构的整体和局部状态;
对结构损伤位置和损伤程度做出诊断;
评估结构的服役情况、可靠性、耐久性以及剩余寿命;
发生台风、地震或爆炸等突发灾难事件或结构发生异常状态时, 判断结构的安全等级, 保证人员的生命与财产安全, 并且在事后为结构的维护和管理决策提供依据;
设计验证与理论研究。
3.2设计原则
超高层结构健康监测系统的设计需要遵循功能要求和效益- 成本分析两大准则。对于超高层建筑结构, 健康监测系统的功能一般为结构监控与评估、设计验证或研究发展。当监测系统的功能确定以后, 就可以决定选择哪些监测项目。另外, 监测项目的规模和仪器性能要求等的确定也需要充分衡量效益与成本的关系。结构健康监测系统的成本通常比较大, 监测项目及传感器数量越多, 监测信息就越全面, 从而系统成本就越高; 反之, 如果降低系统成本, 将由于监测信息的不足而使监测数据有效性降低。因此, 为了使系统成本更合理, 在目的与功能已经确定的基础上,还有必要对效益与成本进行充分衡量。超高层结构的健康监测是实时、长期、连续的在线监测, 所以除了前两大准则以外, 监测系统还必须满足可靠性、耐久性和系统性。在建立监测系统时, 在成本允许的基础上, 尽量选择高可靠和高耐久的仪器设备。并且, 监测网络的设计也需要优化, 尽量做到路径简洁、反应迅速; 在系统网络布置时, 注意施工质量, 避免留下隐患。
3.3监测项目
监测系统不同的功能目标所要求的监测项目不尽相同, 主要包括以下几方面。
1) 结构动力特性监测
对于结构的损伤或老化, 会不同程度地引起结构参数如结构质量、刚度和阻尼的变化, 进而导致结构自振频率、振型和模态参数等变化, 结构动力监测的目的是通过监测系统来获得结构模态参数、加速度时程记录、频响函数来推算结构参数的变化, 从而进行结构参数识别、模型修正和损伤识别。所以结构的动力特性监测对于结构健康监测具有巨大的工程意义的, 它是超高层结构健康监测一项主要内容。
2) 结构变形监测
超高层结构变形监测主要内容是结构水平位移。结构水平位移过大, 将会导致结构开裂、倾斜、或损伤, 甚至达到一定程度时, 因为结构加速度过大引起室内人员不适。在现有的建筑结构规范中, 对超高层建筑的顶端位移和层间水平位移都有严格的限制 。除此之外, 超高层结构水平变形曲线也是变形监测的一项重要内容, 它在一定程度上反映了结构垂直方向的刚度变化, 是损伤判断的重要依据之一。
3) 结构局部监测
超高层局部监测的内容包括巨型柱、核心筒墙体、外伸桁架等重要构件和一些结构重要节点。这些构件或节点的强度降低或损伤容易引起结构整体的不稳定, 引起安全隐患。因此, 对这些构件的内力状态、强度、耐久性(混凝土碳化、钢筋腐蚀以及开裂等) 和温度等进行监测, 及时发现损伤部位也是结构健康监测的重要内容之一。
4) 荷载监测
荷载监测目的在于记录超高层经受的各种可变荷载及其历程, 为结构自诊断分析提供荷载数据。一般来说, 超高层荷载监测的对象主要是风荷载和地震荷载。超高层结构属于风荷载敏感建筑。随着高度的增加, 风荷载往往成为超高层结构设计中的控制荷载, 并且频繁发生的风力作用容易引起构件或关键子结构发生过大的永久变形, 增加结构二阶效应和屈服破坏的可能, 从而降低结构的可靠度, 因此, 抗风设计历来是结构设计的主要内容之一。现行结构规范对于超过一定高度的超高层结构风荷载方面的理论和规定相对还不完善。通过超高层结构的风向、风速的监测, 获得超高层不同风场特性不仅有助于超高层结构在风场中的行为及其抗风稳定性的分析, 为结构安全、可靠性评估提供依据, 同时, 还促进了超高层抗风设计和风工程的理论研究。地震荷载也是健康监测系统的荷载监测内容之一, 它主要的作用是记录地震荷载及其历程, 为环境激励下的结构振动响应分析提供依据。并且, 获得的地震观测资料可以促进我国的地震动方面的研究。
3.4系统组成
一个完整超高层结构健康监测系统主要包括以下几个部分: 传感器子系统; 数据采集与传输子系统; 结构健康诊断与安全评估子系统;数据管理子系统。
3.4.1传感器子系统
传感器是进行结构健康监测的源头, 能够将加速度、速度、位移、应力应变和温度等测量参数直接转换成电子信号输出, 担负感知外界环境变化和收集外界信息的任务, 它的性能和布置方法直接决定了监测的准确性、精确性和全面性。适用于超高层结构健康监测的传感器系统必须具备以下几个特性:
(1) 传感器的性能指标满足测量要求。各种不同的传感器具体的要求更不相同, 主要包括量程、精确度、灵敏度、分辨率、频响范围等。除此之外, 传感器工作的温度范围、湿度范围或其他干扰范围满足使用环境的要求。
(2) 高可靠性和高耐久性。对于超高层结构健康监测系统, 一般情况下工作环境比较稳定, 但其运行周期长达几年甚至几十年, 因此, 传感器还应该具备高可靠性和耐久性。
(3) 与采集、通信等系统兼容, 具有一定的扩展性。传感器收集到的环境和结构信号通常要经过调理器的调理放大后才能被显示、传输和记录。通常不同的传感器具有相匹配的调理器, 在选择传感器时要考虑对应这种传感器的数据输出方式是否与后续数据采集设备和通信设备相容。另外, 由于超高层结构可能会有比较多的测点, 在选择采集设备时还应该考虑设备的通道扩展性, 以满足需要。
(4) 传感器元件不影响结构的外观与性能。先进测试技术的发展要求不仅要求传感器具有高精度、高可靠性和高耐久性, 而且还要求尺寸小,重量轻, 不影响结构的外形和性能。需要预埋的传感器应该易和原结构材料融合, 对原材料影响小。
由于功能、结构形式和工作环境的特征, 超高层结构健康监测的监测项目与其他重大工程结构(桥梁、道路等)有所不同。应针对不同的监测项目和不同的待测参数, 选择相应的传感器。
1) 结构动力特性监测的传感器用于记录结构在动载下的速度和加速度反应谱。振动传感器是一种换能装置, 它将振动信号转换为便于传输、放大和记录的电信号。由振动传感器的原理决定, 加速度传感器较速度传感器在构造上更容易实现, 因此加速度传感器应用更为普遍。常用加速度传感器主要包括压电式加速度计、压阻式加速度计、电容式加速度计、力平衡式加速度计等。用于超高层建筑结构健康监测的加速度仪需重点考虑有效频带和分辨率两个指标。有效频带指传感器能有效测试各种频率振动的频率范围。
该频率范围的下限应低于被测结构的基本频率,而上限应高于希望测试的结构高阶模态频率。分辨率指传感器通过放大器后能感受到的小信号水平, 可以认为是测试系统的大噪声水平。传感器的分辨率可按信噪比不小于4确定。
2) 结构变形监测的传感器
变形监测主要是监测建筑物位置的缓慢变化或周期较长的变形。超高层结构的变形监测主要是水平位移监测, 其包括结构顶端位移监测和整体水平变形监测。传统的位移测量仪器有加速度传感器、位移传感器和激光全站仪等。但是, 由于超高层结构形式特殊, 这些仪器的测量方法对于超高层结构并不适用。比如: 超高层结构振动缓慢, 通过加速度传感器测得的加速度来求位移的方法误差大, 不能满足监测精度的要求; 位移传感器是一种接触性传感器, 必须与测点直接接触, 对于如超高层结构的大型结构物测量有巨大的困难; 另外, 激光全站仪虽然精度比较高, 但是, 当结构摆动或振动太大时很难捕捉到监测点, 尤其是在恶劣天气(如台风、大雨或浓雾等)情况下激光跟踪目标困难, 实时性差。超高层结构水平位移监测主要采用倾斜仪和全球定位系统(Global Position System, GPS)。
倾斜仪通常用于测量结构主要竖向承重构件(核心筒、剪力墙等与结构整体变形相一致的构件)竖向的倾角变化。它的主要优点在于不仅可以计算获得结构顶端水平位移, 还能获得超高层结构沿竖直方向的倾角变化。一般情况下, 超高层结构整体水平变形情况按照结构形式的不同可以分为剪切型、弯曲型、弯剪型; 复杂超高层结构往往需要设置加强层, 这时结构整体水平变形通常不是简单的上述三种类型, 而是它们之间的组合。因此, 为了准确、实时地监测复杂超高层结构的整体水平变形状态, 需要设置数个或者数十个竖直分布的倾斜仪。由于超高层特殊的结构形式和健康监测的特点, 对倾角仪的性能指标(灵敏度、量程、频带宽度、噪声、零位漂移和运行环境温度等)需要仔细考虑。
目前, 应用于超高层变形监测的仪器还有GPS。GPS具有实时、动态、操作方便等突出的特点, 但是它的测量精度一直是它广泛应用的瓶颈。戴吾蛟等为了研究GPS在高层建筑结构健康监测应用中能够达到的测量精度, 设计了一个能够进行不同频率和振幅水平振动, 且能够输出精确振动位移量的振动台。其实验结果表明, 在小波去噪及多路径重复性误差模型改正后, 在开阔的弱多路径环境下, 能够测得振幅为2mm 频率、低于1H z的振动位移; 而在多路径效应较强的情况下, GPS 能够满足振幅大于20 mm 频率、低于0. 5 H z的振动位移测量要求。因此, GPS应用于这超高层的位移监测,是符合测量精度要求的。
3) 结构局部监测的传感器
超高层结构构件监测包括对重要构件或节点的应变、耐久性、温度、裂缝等的监测, 传感器按照功能的不同选用。传统的传感器有压电式力传感器、阻抗传感器、应变片等, 广泛应用于土木工程的结构检测与监测中。现今, 随着材料科学的发展, 一些智能材料例如光纤、压电材料、形状记忆合金、电阻应变丝、半导体材料等的监测精度、耐久性和稳定性被证明更符合超高层结构健康监测耐久性、长期性和可靠性的要求, 以后将成为超高层结构健康监测技术的重要发展趋势之一。
4) 荷载传感器
荷载监测的传感器按照荷载类型的不同有强震观测仪器、风速仪、风压计等。由于不同的超高层建筑的结构形式、环境荷载以及建筑特征会有所不同, 所以, 荷载传感器的性能指标和安装方法、位置需要严格依据建筑结构的实际情况。
3.4.2数据采集与传输子系统
该系统主要包括以下三项功能: 收集传感器输出的数据并对数据进行信号处理, 如信号交直分析、信号滤波、信号放大、A /D 转换(信号采集)、采样控制、信号预处理(异常值处理及标定)等信号采集的基本功能; 存储采集到的数据;把数据传输到监测中心。它的工作流程一般为: 传感器将量测到的非电量信号转换成容易量测的电量信号后, 通过模/数转换, 将数值量直接输入到计算机中。数据采集与传输系统包括硬件部分和软件部分。硬件部分主要包括传输电缆/光缆、数模转换(A /D )卡, 数据采集仪、工控机等, 对于这部分的设计除了满足正常使用, 还应该考虑性价比的原则。软件部分功能是集成并管理数据, 将各种数据信息有条理、有重点地反馈给监测人员, 并通过局域网或互联网传输数据。软件部分的设计原则是: 选择正确的开发语言或平台, 具有良好的运行稳定性, 选择与目的相匹配的软件功能, 良好的操作性。
远程数据采集系统是基于Internet / intrane t的数据采集系统, 通过它可以将所有传感器数据的管理和使用工作、部分现场的非实时的数据分析工作和健康诊断工作在远程的计算机终端进行。这种结构系统更加有利于提高数据对象信息应用的时效性, 科研人员和工程技术人员即使不在控制现场, 也可以通过网络随时了解现场的控制系统运行情况和系统参数的实施变化, 并可根据情况通过网络在客户计算机上对在控制现场运行于服务器计算机的控制系统发出命令, 及时调整现场控制系统运行状况, 从而达到远程控制的目的。这对于超高层结构健康监测具有重要的现实意义。
3.4.3结构健康诊断评估与安全预警子系统
结构健康诊断评估与安全预警子系统的功能是根据超高层结构实时监测获得的信息, 科学地、准确地、客观地评价超高层结构的安全性、耐久性和正常使用性能, 为超高层的维护与管理提供决策依据, 必要时还发出预警以保证人员的生命财产安全。
(1) 损伤识别系统。它基本上可以分为以下几类: 动力指纹分析法、模型修正法与系统识别法, 神经网络法, 遗传算法, 小波变换法等。目前,在超高层建筑应用较为广泛的为前两种方法。动力指纹分析法。每座构筑物都有其动力特性, 当存在损伤时, 它的一些结构参数如刚度、质量、阻尼矩阵等会发生变化, 从而引起系统的动力特性指纹(模态参数、频响函数)改变。因此, 可以利用损伤前后结构动力特性指纹的变化来识别损伤。动力指纹分析法的核心是, 对结构损伤进行全面、正确的分类, 建立起结构健康监测时的动力指纹库和预估的损伤对应的数据库, 再将损伤后的动力指纹与损伤数据库中的损伤模式进行匹配, 从而识别损伤。现在通常用的动力指纹有频率、振型、振型曲率/应变模态、柔度等。模型修正法。主要原理是使用动力监测信息, 如模态参数、加速度时程数据、频率响应函数
等, 通过条件优化约束, 不断修正模型中的刚度分布, 从而由测得的模型刚度的退化, 对结构损伤进行判别和定位。
(2) 安全评定系统。结构安全性评估方法常用的理论是可靠度理论。安全评定分为正常使用状态安全评定和极限承载力状态安全评定。可靠度理论主要是根据系统或构件的实效模式以确定结构的极限状态, 然后根据所定义的极限状态确定极限荷载、临界荷载和临界强度, 得出相应的实效概率、可靠度及可靠性指标, 从而进行安全性评定。目前, 安全评定方法还有层次分析法、模糊理论以及专家系统等。
3.4.4 数据管理子系统
数据管理系统的主要功能是实现对结构工作状态监测过程中所获取数据的存储和管理, 通过该系统可进行数据的修改、删除、查询等操作。结构健康监测数据库的性能直接影响整个监测系统使用的方便性与可靠性。数据库按存储方式可分为集中式数据库和分布式数据库。集中式数据库把数据集中在一起进行集中管理, 减少了数据冗余和不一致性, 其弱点是系统相当庞大, 操作复杂, 开销大, 处理不同领域问题时显得不够灵活,此外, 由于数据集中存储, 大量的通信要通过主机, 易造成拥堵现象。分布式数据库的数据分布在网络的各个结点上, 大多数数据处理不通过主机而由网络结点上的局部处理机进行, 响应速度快, 负荷可均衡分散, 偶然性故障对全局的影响小。
4结论与展望
本文介绍了超高层结构健康监测的重要性、发展历程、特点以及应用情况, 并结合以往大型结构健康监测的经验和成果, 全面阐述了超高层结构健康监测系统的功能、设计准则、监测项目、健康监测系统的各组成部分的功能、特点、实现方法。健康监测在土木工程起初主要应用于桥梁结构上, 目前, 超高层结构健康监测技术主要来源于桥梁结构, 但由于两者结构模型、监测环境、荷载作用方式、支座形式等存在差异, 桥梁结构健康监测的一些技术不完全适用超高层建筑, 因此, 超高层结构健康监测的理论和方法还需要不断地研究与实践:
(1) 由于超高层特殊的结构形式, 传统变形监测方法并不适用其水平位移的长期监测。且目前新采用的倾斜仪和GPS监测结构变形的技术还未发展成熟, 处于尝试阶段, 还未达到理想的效果, 许多问题还有待于解决。
(2) 基于无线通讯技术在结构健康监测中的应用将是以后结构健康监测的重点发展方向之一, 它避免了结构健康监测系统组建的布线困难,大幅度减少了这方面的成本, 并且不用担心信号线的老化和损坏对信号采集的影响。
(3) 传感器的优化布置是超高层结构健康监测的一个重要问题, 处于对经济和有效性的考虑,应该尽量做到用少的传感器来获取有效和全面的结构信息。
(4) 目前, 损伤识别方法有动力分析法、模型修正法、神经网络法、遗传算法等, 前两者在超高层健康监测中比较常用, 但在实际工程中应用效果往往不很理想, 未能做到对损伤精确、量化地识别, 因此超高层的损伤识别方法还需要进一步的理论研究。
(5) 超高层结构健康监测的研究近年来成为了土木工程领域发展的重点课题之一, 但目前还缺少其结构健康监测系统的设计与开发的统一标准和规程。
关于结构健康监测
结构健康监测是指对工程结构实施损伤检测和识别。 我们这里所说的损伤包括材料特性改变或结构体系的几何特性发生改变，以及边界条件和体系的连续性，体系的整体连续性对结构的服役能力有至关重要的作用。 结构健康监测涉及到通过分析定期采集的结构布置的传感器阵列的动力响应数据来观察体系随时间推移产生的变化，损伤敏感特征值的提取并通过数据分析来确定结构的健康状态。对于长期结构健康监测，通过数据定期更新来估计结构老化和恶劣服役环境对工程结构是否有能力继续实现设计功能。
关于聚华科技
杭州聚华光电科技有限公司（Cavono,Inc.）是一家基于物联网光纤传感器技术从事土木工程结构健康监测与预警管理的高新技术企业，聚华是光纤光栅传感器产品提供商和土木工程结构健康监测一站式解决方案优质合作伙伴。公司专注于桥梁、隧道、边坡、基坑、地铁、矿山、电力等土木工程领域的结构健康监测相关产品的研发、生产、推广与应用，以提供野外光纤传感器自动化监测产品、工程结构安全监测一站式解决方案见长。主要以光纤光栅传感器技术、分布式光纤测温技术、工程安全自动化云计算软件、工程化专业领域数据分析为技术核心。www.cavono.com