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歐美大地 巖土工程監(jiān)測
巖土工程監(jiān)測
高層建筑結(jié)構(gòu)健康嗎?監(jiān)測系統(tǒng)說的算!
發(fā)布時(shí)間:2021-12-03 瀏覽次數(shù):147687 來源:歐美大地

高層建筑結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

高層建筑結(jié)構(gòu)體系主要包括框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)。


01 水平力是主要控制荷載,在低層和多層建筑結(jié)構(gòu)中,通常以豎向荷載控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);而在高層建筑結(jié)構(gòu)中,水平荷載起著決定性作用,特別是風(fēng)荷載和地震作用。

02 側(cè)向變形為控制指標(biāo),與低層和多層建筑結(jié)構(gòu)不同,結(jié)構(gòu)側(cè)向變形成為高層建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵指標(biāo)。隨著建筑結(jié)構(gòu)高度的增加,水平荷載作用下的側(cè)向變形增大。因此不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度,還要求具有足夠的抗側(cè)剛度,使結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下產(chǎn)生的側(cè)向變形控制在安全范圍。

03 抗震性能要求高,對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu),除要滿足正常使用時(shí)的豎向荷載、風(fēng)荷載以外,還需具有良好的抗震性能。


高層建筑的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測內(nèi)容

高層建筑的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測內(nèi)容主要有:

01 環(huán)境與荷載監(jiān)測,主要包括溫度、濕度、雨量、風(fēng)荷載、地震等;

02 變形監(jiān)測,主要包括垂直度、水平度、水平位移、豎向位移、基礎(chǔ)沉降等;

03 應(yīng)力監(jiān)測,主要包括混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力等;

04 振動(dòng)監(jiān)測,包括結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的水平和豎向加速度,高層建筑在風(fēng)荷載和地震作用下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和動(dòng)力特性是運(yùn)營階段的監(jiān)測重點(diǎn)。


廣州塔結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)簡介

廣州塔是廣州市的地標(biāo)性超高層建筑結(jié)構(gòu),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(gòu)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(gòu)成小三角。廣州塔高600m,其中主塔高450m,天線桅桿高150m,設(shè)計(jì)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(qū)。地下室1層為停車場和管理用房,地下室2層為設(shè)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(jié)構(gòu)是由一個(gè)向上旋轉(zhuǎn)的橢圓形鋼外殼變化生成,相對(duì)于塔的頂、底部,其腰部纖維,體態(tài)生動(dòng)。鋼結(jié)構(gòu)外筒是結(jié)構(gòu)主要的垂直承重及抗側(cè)力構(gòu)件,包括三種類型的構(gòu)件,即立柱、環(huán)梁和斜撐。外筒共有24根柱,由地下2層柱定位點(diǎn)沿直線至塔體頂部相應(yīng)的柱定位點(diǎn),全部采用鋼管混凝土組合柱。其結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn):

結(jié)構(gòu)超高

廣州塔高達(dá)600m,是中國第一高塔,世界第五高塔,在超高層建筑發(fā)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(gè)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(zhuǎn)了45°,非常有動(dòng)感,建筑由不同形狀和不同方向的橢圓結(jié)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(jié)構(gòu)復(fù)雜

為了實(shí)現(xiàn)奇特的建筑效果,設(shè)計(jì)采用簡中筒結(jié)構(gòu),內(nèi)筒為橢圓形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),外筒為花籃狀鋼結(jié)構(gòu),兩者之間在局部區(qū)段采用支撐鋼梁和樓層連接,在450m高空設(shè)置150m高的桅桿,結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。


廣州塔結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由香港理工大學(xué)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和實(shí)施,2009年完工)。在施工階段,選取12個(gè)關(guān)鍵截面安裝了超過50個(gè)各類傳感器進(jìn)行監(jiān)測;在運(yùn)營階段,在主塔5個(gè)關(guān)鍵截面安裝了超過280個(gè)各類傳感器進(jìn)行監(jiān)測,在桅桿選取3個(gè)關(guān)鍵截面安裝了超過80個(gè)各類傳感器進(jìn)行監(jiān)測,這些傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測廣州塔的環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度、降雨等)、荷載(風(fēng)和地震)和響應(yīng)(關(guān)鍵部位的受力、水平位移、加速度、傾斜等)。主要包括風(fēng)速儀、加速度計(jì)、傾斜儀、光纖應(yīng)變計(jì)、光纖溫度計(jì)、腐蝕傳感器、埋入式應(yīng)變計(jì)、光纖傾斜儀、地震儀、GPS等。

廣州塔結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)

01 采用施工階段和運(yùn)營階段一體化設(shè)計(jì),運(yùn)營階段所需傳感器在施工階段預(yù)埋或安裝,施工階段安裝的傳感器可以作為運(yùn)營階段監(jiān)測系統(tǒng)的一部分;

02 在鋼結(jié)構(gòu)外筒、鋼筋混凝土內(nèi)筒以及桅桿結(jié)構(gòu)采用了集成式光纖應(yīng)變和溫度傳感器監(jiān)測系統(tǒng),節(jié)約了大量線纜鋪裝和傳感器保護(hù)成本,提高了傳感器存活率;

03 通過聯(lián)合安裝全球定位系統(tǒng)和數(shù)碼攝像機(jī),對(duì)廣州塔桅桿風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測和交叉驗(yàn)證;

04 在塔頂桅桿底部布置了大量光纖應(yīng)變計(jì),對(duì)超高柔性桅桿結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中和風(fēng)致疲勞問題進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測;

05 建立了世界首個(gè)基于超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的基準(zhǔn)研究平臺(tái),通過共享監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證理論模型。


廣州塔結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)所使用的傳感器主要有:風(fēng)壓傳感器、位移計(jì)、加速度計(jì)、風(fēng)速儀、振弦式應(yīng)變計(jì)、腐蝕傳感器、傾斜儀、光纖傳感器、工業(yè)數(shù)碼相機(jī)、GPS、氣象儀、地震儀。


相關(guān)傳感器

SM-5A應(yīng)變計(jì)

SM-5A振弦式應(yīng)變計(jì)用于監(jiān)測應(yīng)變的變化,當(dāng)彈性模量已知時(shí),可評(píng)估應(yīng)力變化。


SM-5A振弦式表面應(yīng)變計(jì)由一根鋼弦保護(hù)管連接的兩個(gè)端塊組成。一個(gè)電磁線圈放置在位于管子中部的保護(hù)外殼中。施加在應(yīng)變計(jì)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(yīng)變計(jì)

MuST FBG應(yīng)變計(jì)用于靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的應(yīng)變監(jiān)測。


多個(gè)FBG(光纖布拉格光柵)應(yīng)變計(jì)可以鏈接在一條光纖線路上。用膠粘或點(diǎn)焊的方法,安裝在混凝土、鋼和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上。

MuST FBG溫度計(jì)

MuST FBG 溫度傳感器適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。這款傳感器是傳統(tǒng)電信號(hào)或振弦式溫度傳感器的光纖版本,但完全無源,對(duì)環(huán)境引起的漂移具有固有的不敏感性。


安裝在結(jié)構(gòu)表面上或埋入在混泥土或砂漿中,每條鏈最多12個(gè)傳感器。

SOFO VII讀數(shù)儀(光纖信號(hào)解調(diào)儀)

SOFO VII讀數(shù)儀適合現(xiàn)場使用的可靠、多功能光纖數(shù)據(jù)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(shù)儀(也叫光纖信號(hào)解調(diào)儀)。該系統(tǒng)是為靜態(tài)、長期測量而設(shè)計(jì)的。每個(gè)通道都可以針對(duì)這兩種技術(shù)中的一種進(jìn)行軟件配置。SOFOVII集成在一個(gè)緊湊的鋼制機(jī)箱中,用于永久安裝在任何需要連續(xù)監(jiān)測的結(jié)構(gòu)中。



結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng),主要是由一批強(qiáng)震儀組成的結(jié)構(gòu)臺(tái)陣,再加上應(yīng)變、位移、傾斜、環(huán)境等多種傳感器組成的一整套健康診斷系統(tǒng)。

對(duì)于建筑結(jié)構(gòu),其運(yùn)動(dòng)方向主要為X軸平移、Y軸平移和X-Y扭轉(zhuǎn)。


在監(jiān)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng),對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的平移、扭轉(zhuǎn)、層間位移及反應(yīng)譜等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。



這種采用CAT5e網(wǎng)線布設(shè)加速度傳感器的監(jiān)測方法,能夠大幅減少對(duì)既有建筑的影響,安裝簡單、布設(shè)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(jié)構(gòu)的變化有多種方法,每個(gè)結(jié)構(gòu)都有自己獨(dú)特的需求。不同的傳感器安裝在整個(gè)建筑的不同關(guān)鍵位置。


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