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阅读 1037 次 浅谈健康监测在超高层建筑中的应用

摘要:超高层建筑具有投资大、结构形式复杂、施工周期长、使用年限长等特点,使得结构施工期间的位移变形控制以及结构运营期间的安全性、适用性和耐久性要求更加严格。本文主要阐述了健康监测在超高层建筑中的研究与应用,介绍了应力应变、位移变形、环境温度、风、振动等在北方地区超高层建筑需要监测的参数以及采用的采集设备,同时介绍了健康监测系统的组成。...

浅谈健康监测在超高层建筑中的应用

李建华

(陕西延长石油房地产公司)

 

   工程概况

   延长石油科研中心大楼位于陕西省西安市高新区,西邻唐延路,南接科技八路,是集办公、科研为一体的城市综合体,该项目占地面积31570.82平方米(47.35亩),总建筑面积为217618.86平方米,地下65537.16平方米,地上152091.70平方米。本项目塔冠总高(含航空障碍灯)217.30平方米。塔楼底部东端和五层高的商业裙房相连。塔楼东侧有42层高的外凸玻璃中庭,从救援平台顺势倾斜而下,和裙房玻璃天窗相连。建成后将成为西安市标志性建筑之一。

 

图1. 延长石油科研中心大楼效果图

    延长石油科研中心大楼结构主要由六部分组成:塔楼结构、中庭结构、主入口雨棚、裙房以及三层地下室组成。塔楼结构高度195.45米,地上46层,地下3层。幕墙结构高约180米,外凸并依附于塔楼。主入口雨篷中间无柱,跨度42.8米。裙房5层,高22.8米,分南北两个主体,主体间隔约27米的中庭,通过若干室内连桥相接,裙楼东侧设连体结构报告厅。

    一、监测内容

    延长石油科研中心大楼施工监测和健康监测的重点结构部位为塔楼、中庭采光幕墙结构、主入口雨棚结构以及裙房间连桥结构。

    1、塔楼部分

 

                      图2.塔楼结构体系组成图                   图3.塔楼结构监测参数示意图

    塔楼采用框架-核心筒结构体系,其中外框架采用钢管混凝土柱+型钢梁结构,核心筒部分为混凝土剪力墙结构。利用12层、27层、42层三个避难层,在第27层设置加强层(伸臂桁架+环带桁架),在第12层外框周边设置腰桁架楼面系统采用组合楼板和钢组合梁。

    2、中庭采光幕墙钢结构

    中庭结构体系分为顶区块03,02和底区块01两部分。顶部中庭包含区块02、03,采用了钢板梁和受拉悬吊钢板的体系;底部区块01由抗震缝分为两段。一段由塔楼以及和塔楼相连的裙房和主入口结构提供重力和水平支撑,一段由独立裙房结构提供重力和水平支撑。

4. 幕墙钢结构监测参数示意图

    顶区块03,02中庭幕墙的重力荷载由悬挂在避难层受拉杆件承担,水平风和地震荷载由铰接与塔楼钢筋混凝土筒体结构的水平钢板梁传递。

    底部区块采用了门式拉索主桁架和箱型次梁体系,中庭幕墙的重力荷载由悬挂在避难层受拉杆件、门式拉索主桁架和箱型次梁共同承担,水平风和地震荷载由门式拉索主桁架和连接于塔楼墙体的水平系杆共同承担。

    3、南侧主入口雨篷结构

    如图5所示,中庭幕墙及玻璃雨篷传递来的竖向荷载由楼面梁传递到沿横向布置的四榀次桁架,再由次桁架传递到沿纵向布置的两榀主桁架,最终传递到两侧带支撑钢框架上。水平荷载主要由雨篷板及设于板内的水平撑传递到两侧带支撑钢框架上。

5. 主入口雨棚钢结构监测参数示意图    6. 裙房连接桥钢结构监测参数示意图

    4、裙房间连桥结构:

    裙房结构和塔楼结构在地面以上由变形缝处分开。西段部分裙房和塔楼结构相连。相连部分裙房采用钢框架-支撑结构体系。东段独立部分裙房采用钢筋混凝土框架-剪力墙体系。裙房东端连体部分设计了报告厅和健身房,考虑到连体跨度较大,该部分楼面采用钢结构组合梁和组合楼面,与组合梁相接的框架柱采用型钢混凝土组合柱。

    裙房南北两侧由四个连桥相连。连桥采用钢框架+受拉斜杆的钢桁架结构体系,两端支撑于主体结构伸出的悬挑梁上。如图6所示,

    二、监测仪器及采集设备

    1、应力、应变监测设备

                    图7.应力、温度传感器               图8.应力、温度采集设备 

   2、结构位移监测设备

                 图9.全站仪              图10.GPS               图11.静力水准 

    3、结构振动监测设备

图12.采集设备

            图12.采集设备           图13.加速度传感器        图14.频谱分析——FFT

    4、环境监测设备

图15.温度监测传感器

图16.风速风向风压监测设备

三、监测系统

    结构健康监测的系统可以分为现场测试系统和结构性能评估系统。

    1、现场测试系统(硬件部分)

    1)传感器系统:用于将待测物理量转变为电信号或者光信号。

    2)数据采集和处理系统:采集各种传感器的信号,并进行信号预处理。

    3)通讯系统:将采集并处理过的数据传输到监控中心,可以通过双绞线、同轴电缆、网线或者光纤实现各个采集系统之间的连接。

    4)监控中心和报警设备:控制采集设备的运行,并实现与远程系统管理员的数据双向交换。利用具备诊断功能的软硬件对接收到的数据进行诊断,判断结构损伤的发生、位置、程度,对结构健康状况做出评估,如发现异常,发出报警信息。

    2、结构性能评估系统(软件部分)

    1)安全性评估:通过各种可能的、结构允许的测试手段,测试结构当前的工作状态,并与其临界失效状态进行比较,评价其安全等级。

    2)损伤识别 :结构在受到自然的(如地震,强风等)、人为的破坏,或者经过长时期使用后,通过测定其关键性能指标,检查其是否受到损伤,如果受到损伤,损伤位置、程度如何,可否继续使用及其剩余寿命等。

     图17. 现场测试系统

四、结束语

    本文简单的介绍了健康监测在超高层建筑中的研究和应用,介绍了应力应变、位移变形、环境温度、风、振动等需要监测的参数以及采集设备,同时介绍了健康监测系统的组成,为以后类似工程的监测提供借鉴依据和参考。

 (本文来源:陕西省土木建筑学会   文径网络设计项目投资中心:刘红娟 尹维维 编辑  刘真 文径 审核) 

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