孟 琳

（陜西交通職業(yè)技術學院公路工程系，陜西西安，710018）

高層建筑結構健康監(jiān)測的研究與應用

孟 琳

（陜西交通職業(yè)技術學院公路工程系，陜西西安，710018）

對高層建筑結構的監(jiān)控都是針對某個特定建筑進行監(jiān)測，以此對特定的土木工程項目進行實時的監(jiān)控，以此更好的保障建筑工程質量和使用者的安全。正是基于此，本文設計了比較通用的土木工程結構檢測系統(tǒng)，并從數據采集、無線網絡傳輸等各個方面進行設計，以此可方便對對建筑監(jiān)控的快速構造，避免重復開發(fā)等問題，并將設計的通過的結果運用到實際的建筑結構的案例中進行測試，取得良好的效果。

結構監(jiān)測；數據采集；高層建筑；應用展望

隨著我國高層建筑的建設以及信息化水平提高，對高層建筑工程使用情況的監(jiān)測也成為衡量土木工程建設的重要手段，并借助信息化，實現對高層建筑工程質量的實時監(jiān)控，以此更好的對高層建筑工程實行維護和管理，防止事故的發(fā)生。本文構建了可通用的高層建筑工程監(jiān)控系統(tǒng)，并將其運用到實際的工程中進行測試。

1 系統(tǒng)整體流程設計

以一般的高層建筑工程為例，我們可以將健康監(jiān)測系統(tǒng)整體設計方案分成四個不同的步驟，其具體的如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體的流程設計

通過上述的流程分析，我們可以看出，對高層建筑工程健康狀態(tài)的監(jiān)測，首先是實現對工程中的相關基本數據的采集，而對數據采集的實現時通過安裝在建筑中的傳感器系統(tǒng)，對建筑工程振動、應力或溫度等相關指標的測定，并通過信號的轉換，將信號經過模數信號的轉換，從而轉換成數據，同時對數據進行清理處理，變成比較干凈的數據；無線傳輸則數將信號通過無線通信的方式傳輸到數據處理中心；最后是將數據送到軟件中進行實時的分析和處理，從而得到相關的監(jiān)測數據結果。

2 系統(tǒng)需求分析

根據高層建筑工程設計的思路，會綜合考慮很多方面的因素。因此，我們對高層建筑工程的結構監(jiān)控則主要體現在工作環(huán)境、工作狀態(tài)、局部的結構性能等幾個方面實現監(jiān)控。

2.1 工作環(huán)境監(jiān)控

對工作環(huán)境的監(jiān)控，則主要包括對風速、風向、環(huán)境溫度和地震負荷等進行綜合檢測。其中對風向、風速的檢測，主要的目的是獲取高層建筑不同部位的鳳向和風速，從而針對不同的風速做出不同的振動響應；對環(huán)境的監(jiān)測則主要是為高層建筑的鋼結構的耐久性的使用提供評價依據；地震負載分析則是對高層建筑工程所能夠承受的振動進行分析，從而對震后的健康狀態(tài)做出分析和評估。

2.2 工作狀態(tài)的監(jiān)控

對高層建筑結構的狀態(tài)的監(jiān)測，則主要對建筑結構中的主承受支座、建筑的結合形狀進行監(jiān)測。如在不同的風向下，高層建筑可能會發(fā)生一定的偏向，從而導致高層建筑的幾何形體變形，并出現一定的偏移；對建筑物整體的震動監(jiān)測。其中的自振特性和建筑的剛度、質量和相關的分布有著很大的關系，因此，對該指標的檢測也是對高層建筑質量的很好的監(jiān)控。其他的還包括承重的構件、支座反力等的監(jiān)測。

2.3 對局部結構的監(jiān)測

該部分則主要包括其中的構件的檢測，其中包括因為混凝土的收縮而引起的相關應力重分布，局部的結構損傷而帶來的應力的變化。而耐久性的監(jiān)測則主要包括對高層建筑中的相關鋼筋的腐蝕情況等進行監(jiān)測。附屬的監(jiān)控則主要對建筑中的其他附屬的建筑結構進行監(jiān)控。

3 系統(tǒng)功能分析

通過上述的功能需求分析，我們將該系統(tǒng)的功能設計主要數據采集子系統(tǒng)、無線傳輸子系統(tǒng)、數據分析子系統(tǒng)、數據庫系統(tǒng)。其功能框架如圖2所示。

圖2 工程監(jiān)控系統(tǒng)架構設計

通過上述的系統(tǒng)，我們可以看出該系統(tǒng)作為一個有機的整體，即有著各自的功能，同時也相互的協同，從而通過這樣一個整體完成對相關數據的采集到處理，再到結果的輸出。

4 系統(tǒng)整體的網絡拓撲圖

該系統(tǒng)的數據采集裝置設置在建筑的各個不同的部位上，通過高層建筑物上的傳感器采集，將收集到的數據通過網絡傳輸的方式傳送到應用服務器，而后和數據庫進行連接，以此負責對整個數據的保存。同時應用服務器則提供具體的功能監(jiān)控，并將監(jiān)控的信息傳輸到客戶端，而客戶端則和報警系統(tǒng)連接，當相關的數據超出設計的數據時候，其則會自動出現報警。而采用遠程訪問的方式，在其中增加一代理服務器，其主要的目的是將對內部的訪問和外部分開，以避免關鍵的數據被篡改或泄漏。其具體的網絡布局如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)網絡拓撲

5 系統(tǒng)關鍵硬件和數據庫的選擇

5.1 數據采集系統(tǒng)中傳感器的選擇

在該系統(tǒng)，其測量主要包括位移、溫度等各種不同類型的傳感器，同時還包括對拉索等的測量的傳感器。在該系統(tǒng)中，我們選用當前比較新型的光纖傳感器。其基本的原理是將光源送入到光纖調制器當中，從而使得其待測的參數和調制區(qū)相互作用，從而使得光源的相關特性發(fā)生變化，如波長、相位等。從從而判斷建筑物變化。

其具體的工作原理圖如圖4所示。

圖4 光纖傳感器原理圖

同時，為測量其他的數據，還包括磁彈儀、超聲波傳感器以及光柵傳感器。

5.2 數據庫的選擇

對系統(tǒng)數據庫的使用，通常采用SQL Server 2008數據庫系統(tǒng)，這主要是因為該數據庫在安全性方面非常高，并且該系統(tǒng)支持不同的開發(fā)語言，因此方便對系統(tǒng)進行開發(fā)。同時，我們以傳感器的實時監(jiān)控的界面為例的實現為例，其最上方表示的是傳感器

圖5 高層建筑關鍵點監(jiān)測

的列表，可方便對相關的數據進行實時的監(jiān)控。中間層則主要用于對數據更新、數據信號的采集的體現；軟件的最下面則為相關的工作參數，其主要包括傳感器的編號、位置等級等，其中的部分參數應用于對系統(tǒng)監(jiān)測的調節(jié)和設置。

以某超高層建筑為例，其中建筑主體結構屋蓋高度達588m，塔尖高度達 646m，屬于現行的大型地標性的建筑。選取垂直度、塔頂水平位移、溫度、地震、關鍵位置應力應變等作為健康監(jiān)測指標。以對該高層建筑中的關鍵點的檢測為例。具體的傳感器布局點如圖5所示。

通過在上述的關鍵點埋設GFRP 封裝光纖光柵應變傳感器，并分別選擇在1層、10層、26層、48層、64層……112層，從而實現對對整體樓層的監(jiān)控。通過在上述的布局下，在施工期間，核心筒的位移在159.55mm。

通過對該通用系統(tǒng)的使用，取得了良好的效果，并具有很強的實用性，可在工程建筑中進行推廣。而隨著在建筑工程的進步，對傳感器和數據采集的要求也越來越高，對建筑監(jiān)測指標也越來越多，從而該系統(tǒng)可被運用到土木建設中的各個階段，進一步促進建筑的發(fā)展。

[1] 劉昱;王濤;弭艷;肖輝衡;高巖;;基于應變式力傳感器的橋梁無線動態(tài)測試系統(tǒng)的研究[A];中國儀器儀表學會第十三屆青年學術會議論文集[C];2011年

[2] 丁華平;基于無線傳感器網絡的泰州長江公路大橋結構健康監(jiān)測研究[D];南京大學;2011年

[3] 李順龍;李宏偉;李惠;歐進萍;王江;考慮溫濕度影響的橋梁結構模態(tài)頻率分析[J];天津建設科技;2008年03期

孟琳（1979.10-），女，漢族，陜西西安，碩士研究生，主要從事建筑工程技術方向的教學工作。

Research and application of structural health monitoring

Meng Lin
(Shaanxi College of Communication Technology Department of Xi'an Highway Engineering,Shaanxi,710018)

The monitoring of tall building structures are monitored for a particular building,in order to carry on the real-time monitoring of civil engineering project specific,guarantee construction engineering to better quality and the safety of users.Based on this,this paper designs the structure of civil engineering detection system in general,and carries on the design from the various data acquisition, wireless transmission and so on,which can be quickly constructed on construction monitoring,to avoid duplication of development and other issues,and the design of the results are applied to the actual building structures in the case of for testing,and achieved good results.

structural monitoring;data acquisition;high-rise building;application prospect