覃 浩,趙 鳴

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092)

超高層建筑安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

覃 浩,趙 鳴

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092)

超高層建筑施工期間,建筑結(jié)構(gòu)的剛度、加載方式等都隨著施工過程不斷發(fā)生變化,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力不斷變化。長(zhǎng)期受到荷載和環(huán)境的作用,結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性不斷發(fā)生變化。安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)在線地反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力狀態(tài),能保障超高層建筑安全施工、正常服役。在此以某建筑為例,根據(jù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)的四個(gè)方面——傳感器布置,無線數(shù)據(jù)傳輸,云計(jì)算平臺(tái)和網(wǎng)站信息發(fā)布——介紹其安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成,探討安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器的布置原則與選型原則,以及基于結(jié)構(gòu)可靠度給出監(jiān)測(cè)目標(biāo)的預(yù)警閾值。

超高層建筑；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；傳感器；設(shè)計(jì)原則；預(yù)警閾值

隨著工程技術(shù)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,建筑結(jié)構(gòu)朝著更高、更復(fù)雜的方向發(fā)展,超高層結(jié)構(gòu)安全問題也越來越多地受到社會(huì)各界的關(guān)注。

超高層建筑具有耗資巨大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、工期長(zhǎng)、使用年限長(zhǎng)的特點(diǎn),施工期間,建筑結(jié)構(gòu)的剛度、加載方式等都隨著施工過程不斷發(fā)生變化,并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力不斷變化。服役期間,結(jié)構(gòu)也將長(zhǎng)期受到荷載和環(huán)境的作用,結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性也不斷發(fā)生變化。超高層施工和服役期間發(fā)生事故都會(huì)帶來生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失,因此,監(jiān)測(cè)和診斷超高層結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài),評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

在結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,傳感器的布置方案是進(jìn)行監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵,傳感器布置良好才能采集到合理有效的數(shù)據(jù),這直接影響監(jiān)測(cè)的可靠性[2]。針對(duì)高層建筑,在實(shí)際監(jiān)測(cè)中要布置多個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)的確定需要理論分析,較有影響的傳感器布置方法主要有：模態(tài)動(dòng)能法[3-4],原點(diǎn)留數(shù)法[3],有效獨(dú)立法[5]等。

目前傳感器的布置方法,其計(jì)算過程復(fù)雜,花費(fèi)時(shí)間比較多,效率較低,且一般需要布置非常多的傳感器。本文針對(duì)傳感器布置,提出超高層建筑安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。

1 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì),可分為四層子系統(tǒng)[6-7]：

1.1 傳感器系統(tǒng)

包括加速度計(jì)、風(fēng)向風(fēng)速儀、位移計(jì)、溫度計(jì)、應(yīng)變計(jì)及連接介面,利用傳感元件和數(shù)據(jù)采集設(shè)備,全天候、不間斷地監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)整體工作狀態(tài)。

1.2 數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)

包括信息采集器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備等,安裝于待測(cè)結(jié)構(gòu)中,數(shù)據(jù)采集后通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送。

1.3 數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控系統(tǒng)

包括高性能計(jì)算機(jī)及分析軟件,在計(jì)算機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)的支持和控制下,通過對(duì)測(cè)試和采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析及加工處理,判斷損傷的發(fā)生位置和程度,向工作人員顯示建筑結(jié)構(gòu)的整體和局部安全狀態(tài)。

1.4 信息發(fā)布系統(tǒng)

成立安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)站,通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的表格和圖形化顯示,可以直觀地看到建筑結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)信息,最后在網(wǎng)上發(fā)布監(jiān)測(cè)信息。

由此四層子系統(tǒng)組成的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按運(yùn)行和網(wǎng)絡(luò)傳輸流程可分解如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

2 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先應(yīng)該考慮建立該系統(tǒng)的目的和功能,對(duì)于特定的結(jié)構(gòu),建立安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的可以是結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)控和評(píng)估或是設(shè)計(jì)驗(yàn)證,也可以是研究發(fā)展。確定了目的,才能針對(duì)需要監(jiān)測(cè)的物理量選擇合適的傳感器,確保監(jiān)測(cè)的有效性；其次,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的規(guī)模以及采用的傳感設(shè)備和通信設(shè)備需要考慮經(jīng)濟(jì)性；目前,安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正處于高速發(fā)展中,為了今后與其他系統(tǒng)的聯(lián)合,系統(tǒng)應(yīng)具有開放性。

2.1 有效性原則

傳感器的布置與安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的密切相關(guān),應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)目的,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn),確定需要監(jiān)測(cè)的物理量。最終確定監(jiān)測(cè)的物理量應(yīng)當(dāng)有效地反映結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀,針對(duì)監(jiān)測(cè)目的給出評(píng)估結(jié)果。這里的有效性既意味著傳感器能夠有效地監(jiān)測(cè)到需要的物理量,也意味著監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)能針對(duì)監(jiān)測(cè)目的給出有效的評(píng)估結(jié)果。

1)傳感器布置能夠有效監(jiān)測(cè)到需要監(jiān)測(cè)的物理量。應(yīng)針對(duì)需要監(jiān)測(cè)的物理量的量程、精度、靈敏度選擇合適的傳感器,傳感器的布置需要考慮施工以及惡劣環(huán)境因素的影響,如高溫、高濕度的環(huán)境,保證能夠正確無漏地采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)能夠反映建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際問題或者經(jīng)計(jì)算后能夠反映建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際問題。

3)通過監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)能夠有效地對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評(píng)估。目前，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范還不完善,部分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一味地追求傳感器的數(shù)量和對(duì)結(jié)構(gòu)完整的監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)并不能對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估,浪費(fèi)了人力物力。

4)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須有專家參與設(shè)計(jì),以減少系統(tǒng)的不確定性。專家能夠基于結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果,給出最簡(jiǎn)便有效的傳感器布置方案,避免浪費(fèi)。

2.2 經(jīng)濟(jì)性原則

目前安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本較高,極大地限制了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展。因此,安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)性原則。

1)盡量使用低成本的傳感器。安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的造價(jià)比較昂貴,而傳感器是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心,為了節(jié)約成本,保證經(jīng)濟(jì)性,應(yīng)選用低成本的傳感器。

2)選用安裝方便的傳感器以及安裝方便的位置,以節(jié)省人力物力。

3)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)使維護(hù)比較方便。首先系統(tǒng)能夠在線自檢,給維護(hù)人員提供系統(tǒng)損傷的位置；另外,埋入式傳感器設(shè)置備用測(cè)點(diǎn),外置式傳感器盡可能加以保護(hù)。

4)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求使用方便：部分項(xiàng)目中,由于現(xiàn)場(chǎng)施工的影響,不太利于有線傳輸數(shù)據(jù),此時(shí)應(yīng)使用無線傳輸數(shù)據(jù)。無線傳輸也能使系統(tǒng)調(diào)試、維護(hù)更方便。

5)提前確定結(jié)構(gòu)維護(hù)策略,以節(jié)約結(jié)構(gòu)維護(hù)費(fèi)用。結(jié)構(gòu)維護(hù)策略應(yīng)當(dāng)是安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分,提前確定能夠在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)及時(shí)維護(hù),避免嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)的高額費(fèi)用。

2.3 開放性原則

結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)是多學(xué)科理論、方法和技術(shù)相互結(jié)合交叉的一個(gè)新興研究領(lǐng)域,正處于高速發(fā)展時(shí)期,未來監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能會(huì)與其他各種技術(shù)相融合,因此系統(tǒng)需要滿足開放性原則。

1)系統(tǒng)應(yīng)使新的傳感器可以方便地增加。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后,會(huì)進(jìn)行損傷識(shí)別和有限元模型的修正,需要監(jiān)測(cè)的物理量可能會(huì)增加。

2)保證傳播手段的豐富性,結(jié)構(gòu)安全性信息發(fā)布可以和其他系統(tǒng)聯(lián)合。在安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,各類儀器應(yīng)留有備用接口,方便與其他系統(tǒng)聯(lián)合。

3)系統(tǒng)信息可以融合到BIM、IOT、RRM等技術(shù)中。

此外,系統(tǒng)應(yīng)該盡早安裝,以便其在施工期間可以進(jìn)行施工安全性監(jiān)測(cè),并作為后續(xù)服役階段的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用；同時(shí)應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一部分。

3 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 工程背景

某工程項(xiàng)目位于江蘇省徐州市,總建筑面積約為23萬m2,框架-核心筒結(jié)構(gòu),原設(shè)計(jì)為地下室3層,主樓53層。在該項(xiàng)目工程施工過程中,發(fā)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)主要承載鋼管混凝土柱的澆筑工藝出現(xiàn)問題,此時(shí)地下車庫(kù)結(jié)構(gòu)施工已完成,地上主樓結(jié)構(gòu)施工至地面以上第7層。對(duì)主體結(jié)構(gòu)的鋼管混凝土柱密實(shí)性進(jìn)行超聲波檢測(cè)與取芯檢測(cè),發(fā)現(xiàn)部分鋼管混凝土柱存在內(nèi)部混凝土不密實(shí)情況,對(duì)其中的62根鋼管混凝土柱進(jìn)行加固處理。但是,由于該項(xiàng)目受現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件限制,在實(shí)現(xiàn)既有鋼管混凝土柱的全數(shù)檢測(cè)的基礎(chǔ)上,難以實(shí)現(xiàn)該柱所有部位的全數(shù)檢測(cè)。因此,實(shí)際工程中仍可能存在混凝土密實(shí)度不足的部位,這些缺陷隱患對(duì)主體結(jié)構(gòu)的安全性依然存在未知影響。

為保障該建筑在后續(xù)施工過程以及服役階段的安全性,對(duì)該工程的高層建筑的結(jié)構(gòu)響應(yīng),特別是地下室及底層鋼管混凝土柱的響應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2 傳感器選型

目前傳感器的種類很多,要根據(jù)所需監(jiān)測(cè)的目的,綜合考慮測(cè)量對(duì)象和測(cè)量環(huán)境、測(cè)量精度和靈敏度、測(cè)量的穩(wěn)定性,選擇最合適的傳感器。在該項(xiàng)目中,監(jiān)測(cè)內(nèi)容為：關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變、層間位移角和結(jié)構(gòu)整體的動(dòng)力特性,經(jīng)過比較和優(yōu)選,選用SJ-GBY型工具式表面應(yīng)變傳感器測(cè)量監(jiān)測(cè)構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變,選用基于MEMS傳感器技術(shù)傾角儀監(jiān)測(cè)層間位移角,選用力平衡式加速度儀監(jiān)測(cè)樓層的加速度。

3.3 傳感器布置

3.3.1 傳感器實(shí)用布置方法

傳統(tǒng)的布置方法計(jì)算過程復(fù)雜,花費(fèi)時(shí)間比較多,效率較低,一般需要布置非常多的傳感器,且部分監(jiān)測(cè)信息在實(shí)際工程中,無法直接對(duì)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)定,因此需要一種能運(yùn)用到實(shí)際工程中的傳感器布置方法。傳感器應(yīng)布置在：

1)靜力分析中內(nèi)力較大的構(gòu)件。指結(jié)構(gòu)在施工和使用階段構(gòu)件內(nèi)力達(dá)到極限承載力一定百分比,梁、柱、墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)不同樓層不同部位,確定不同的比例。

2)結(jié)構(gòu)已存在的損壞處,包括已修補(bǔ)的部位。

3)施工過程模擬驗(yàn)算中內(nèi)力變化較大的構(gòu)件。超高層建筑在施工期間是一個(gè)變結(jié)構(gòu)、變剛度、變荷載,以及材料特性不斷變化的時(shí)變結(jié)構(gòu)體系[8]。施工過程中可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)力急劇變化的構(gòu)件,這種構(gòu)件在初期監(jiān)測(cè)中內(nèi)力很小,容易被忽略,但隨著施工的進(jìn)行,內(nèi)力迅速增大,影響結(jié)構(gòu)安全性。

4)動(dòng)力分析中受力性質(zhì)發(fā)生改變的構(gòu)件。構(gòu)件受力性質(zhì)的改變會(huì)使構(gòu)件產(chǎn)生疲勞損傷,在監(jiān)測(cè)過程中應(yīng)引起重視。

5)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵性構(gòu)件。在連續(xù)性倒塌分析和敏感性分析中,重要性系數(shù)較高的構(gòu)件[9]。

3.3.2 構(gòu)件應(yīng)變及層間位移監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)目中應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要布置在鋼管混凝土柱上,包括鋼管混凝土柱的外表面與內(nèi)部混凝土。為獲得可靠的鋼管內(nèi)混凝土壓應(yīng)力數(shù)據(jù),應(yīng)充分利用前期鋼管混凝土密實(shí)度檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)取芯孔布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。層間位移的監(jiān)測(cè)：每層選取若干鋼管混凝土柱,在柱頂和柱底分別布置傾角儀,監(jiān)測(cè)層間位移角。

3.3.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性監(jiān)測(cè)

動(dòng)力加速度測(cè)點(diǎn)全部布置在各施工關(guān)鍵階段的主體結(jié)構(gòu)頂層,由于主體結(jié)構(gòu)斷面呈方形,沿結(jié)構(gòu)各向最外側(cè)邊柱與核心筒最外側(cè)墻面位置處選擇8個(gè)斷面,每個(gè)斷面布置鉛垂方向以及水平兩個(gè)方向各一臺(tái)加速度計(jì)。通過每層一系列加速度儀的監(jiān)測(cè)結(jié)果,對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行監(jiān)測(cè),評(píng)估結(jié)構(gòu)安全性。

3.4 無線傳輸

施工期間,不便架設(shè)有線傳輸系統(tǒng),故采用GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò),將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端服務(wù)器上。具體實(shí)現(xiàn)方法是將鋼管混凝土柱上布置的應(yīng)變傳感器集成一個(gè)GPRS傳輸模塊,每一層的傾角儀傳感器集成一個(gè)GPRS傳輸模塊,以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。

3.5 云計(jì)算服務(wù)器

每個(gè)采集點(diǎn)使用不同的通信頻段,分別與對(duì)應(yīng)的無線收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,所有無線收發(fā)器通過高速傳輸線路接入至中心路由器,中心路由器通過千兆網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器。

數(shù)據(jù)中心除了具備數(shù)據(jù)服務(wù)器外,另設(shè)一個(gè)WEB服務(wù)器,WEB服務(wù)器向Internet網(wǎng)提供WEB服務(wù),注冊(cè)的用戶可以登陸服務(wù)器網(wǎng)站查看數(shù)據(jù)。

WEB服務(wù)器建立防火墻,與數(shù)據(jù)服務(wù)器通過內(nèi)部局域網(wǎng)連接,數(shù)據(jù)服務(wù)器不可直接由Internet訪問,以防止受到網(wǎng)絡(luò)攻擊使數(shù)據(jù)遭到破壞。

3.6 網(wǎng)上發(fā)布監(jiān)測(cè)信息

成立安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)站,通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的表格和圖形化顯示,可以直觀地看到建筑結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)的安全監(jiān)測(cè)信息。對(duì)結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)預(yù)警,針對(duì)不同的預(yù)警級(jí)別,網(wǎng)站上給出不同的提醒或者警示。達(dá)到了超高層建筑智能化監(jiān)控的目的。

4 基于可靠度的分級(jí)預(yù)警策略

各類工程結(jié)構(gòu)中,包括鋼管混凝土結(jié)構(gòu),在其設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等各階段都不可避免存在大量的不確定因素,如結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)、幾何參數(shù)等結(jié)構(gòu)本身的屬性和結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的荷載。由于各種因素的隨機(jī)性,把力學(xué)問題和統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合起來處理工程問題,已日益受到工程師們的重視。

可靠度是從概率意義上度量結(jié)構(gòu)可靠性大小的尺度,比安全度的含義更廣泛,更能反映結(jié)構(gòu)的可靠程度。在監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中,基于可靠度的預(yù)警策略,能更加準(zhǔn)確的對(duì)結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行預(yù)警。

4.1 可靠度分析

結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)通過描述結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)定義。設(shè)X1,X2,…,Xn為影響結(jié)構(gòu)功能的n個(gè)隨機(jī)變量,結(jié)構(gòu)功能函數(shù)可表達(dá)為：

(1)

顯然,當(dāng)Z=0時(shí),結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)；極限狀態(tài)Z=0將隨機(jī)變量空間劃分為兩個(gè)區(qū)域：安全域,Z>0；失效域,Z<0。

我們通常用計(jì)算結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)和規(guī)定條件下不滿足預(yù)定要求的概率,即結(jié)構(gòu)失效概率,來描述結(jié)構(gòu)可靠度問題。表達(dá)式為[10]：

(2)

經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展,在結(jié)構(gòu)可靠度分析領(lǐng)域主要形成四類計(jì)算方法,分別是矩方法、數(shù)字模擬方法、函數(shù)替代方法和概率密度演化方法。每一類方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用范圍,矩方法計(jì)算原理簡(jiǎn)單,計(jì)算效率高,但是針對(duì)復(fù)雜問題往往精度不夠,甚至不能得到正確結(jié)果。數(shù)字模擬方法通用性很好,唯一的缺點(diǎn)是計(jì)算的效率較低,很難應(yīng)用于工程實(shí)際中。函數(shù)替代方法主要用于解決工程中具有隱式狀態(tài)函數(shù)的結(jié)構(gòu)可靠度分析問題[11]。但這三種方法無法解決經(jīng)典的結(jié)構(gòu)體系可靠度分析的問題：組合爆炸和相關(guān)失效。

近幾年,概率密度演化法成功地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)可靠度分析領(lǐng)域。此方法通過結(jié)構(gòu)響應(yīng)的概率密度函數(shù)獲得結(jié)構(gòu)的可靠度,一方面結(jié)構(gòu)響應(yīng)的概率密度函數(shù)包含結(jié)構(gòu)中所有的概率信息;另一方面不用擔(dān)心狀態(tài)函數(shù)的復(fù)雜形式。

考慮廣義概率密度演化方程,以點(diǎn)演化途徑求解此可靠度問題[12]：

(3)

其中,Z表示所感興趣的單個(gè)物理量,針對(duì)本例框架核心筒,層間位移角是我們所感興趣的物理量Z,即作為判定結(jié)構(gòu)可靠度的指標(biāo)。Θ為隨機(jī)因素的集合,包括結(jié)構(gòu)參數(shù)的隨機(jī)性,荷載隨機(jī)性。

(4)

其中,θq是一個(gè)隨機(jī)變量組成的向量?？梢詫⒁欢螘r(shí)間監(jiān)測(cè)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為狀態(tài)空間,則此監(jiān)測(cè)物理量即為一個(gè)分布已知的隨機(jī)變量,即：

(5)

其中隨機(jī)變量Xj1,Xj2,…,Xjn的狀態(tài)空間是基于監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)。

(6)

即可得到層間位移角Z的概率密度函數(shù)。則失效概率：

Pf=Pz(zi-zlim>0)

(7)

式中,zi為第i層層間位移角,zlim為層間位移角限值,可針對(duì)不同目標(biāo)要求確定合理的限值。據(jù)上式可得到每層層間位移角的失效概率,也可得到對(duì)應(yīng)的可靠度β。取所有樓層的最小可靠度作為整體結(jié)構(gòu)可靠度。

4.2 預(yù)警閾值

結(jié)構(gòu)可靠度評(píng)估的安全控制準(zhǔn)則是可靠指標(biāo)不小于目標(biāo)可靠指標(biāo)。目標(biāo)可靠度的確定應(yīng)以達(dá)到結(jié)構(gòu)可靠與經(jīng)濟(jì)上的最佳平衡為原則,一般需考慮以下四個(gè)因素：1)公眾心理；2)結(jié)構(gòu)重要性；3)結(jié)構(gòu)破壞性質(zhì)；4)社會(huì)經(jīng)濟(jì)承受力[10]。

文獻(xiàn)[10]指出,對(duì)于工程結(jié)構(gòu)來說,可以認(rèn)為年失效概率小于1×10-4是較安全的,年失效概率小于1×10-5是安全的,年失效概率小于1×10-6則是很安全的。一般結(jié)構(gòu)的實(shí)際基準(zhǔn)期為50年,因此當(dāng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)失效概率分別小于5×10-3,5×10-4,5×10-5時(shí),可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)較安全、安全和很安全,相應(yīng)的可靠度指標(biāo)約為2.5～4.0。

根據(jù)上述,考慮公眾心理、本例結(jié)構(gòu)重要性、本例結(jié)構(gòu)破壞性質(zhì)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)承受力等因素,參考失效概率5×10-3,5×10-4,5×10-5,可以得到相應(yīng)正態(tài)分布條件下的可靠度,制定本例監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分級(jí)預(yù)警的可靠度指標(biāo),見表1。利用廣義概率密度演化法計(jì)算得到整體結(jié)構(gòu)的可靠度,即可根據(jù)表1不同預(yù)警級(jí)別可靠度指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警。

表1 不同預(yù)警狀態(tài)對(duì)應(yīng)的可靠度指標(biāo)

5 結(jié) 語

1)本文以某建筑為例,介紹其安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成,包括傳感器布置,無線數(shù)據(jù)傳輸,云計(jì)算平臺(tái)和網(wǎng)站信息發(fā)布四個(gè)部分;具有安裝方便,能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超高層建筑施工時(shí)期和運(yùn)營(yíng)時(shí)期的應(yīng)力、應(yīng)變的特點(diǎn)。此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也可以方便地運(yùn)用到其他工程中,具有重要的工程運(yùn)用價(jià)值。

2)探討并給出了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則為有效性、經(jīng)濟(jì)性、開放性,對(duì)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著指導(dǎo)意義,保證了系統(tǒng)有效經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行、監(jiān)測(cè),同時(shí)也有著和其他系統(tǒng)相結(jié)合的潛力,從而有力地推動(dòng)了安全監(jiān)測(cè)的研究。

3)本文給出的實(shí)例,詳細(xì)地闡述了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各部分的組成,傳感器的安裝位置,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析,基于可靠性的分級(jí)預(yù)警閾值,是一個(gè)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的典型案例,具有極大的參考價(jià)值。

4)本文存在的不足以及后期研究的方向如下：首先,目前安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是基于工程師多年的經(jīng)驗(yàn)制定的,希望通過概率密度演化法,引入一些理論分析與研究,用于支持本文所提出的設(shè)計(jì)原則；其次,將監(jiān)測(cè)量作為概率密度演化分析方法實(shí)施工程中的基本隨機(jī)變量,此引入的監(jiān)測(cè)量與結(jié)構(gòu)體系可靠度變化的敏感性問題,需要進(jìn)一步研究；最后,由于在結(jié)構(gòu)隨機(jī)響應(yīng)的密度演化分析方法中,多維隨機(jī)變量空間中離散代表點(diǎn)的選取對(duì)分析過程的精度和效率是非常重要的,針對(duì)本問題,如何進(jìn)行選點(diǎn)才能達(dá)到預(yù)警所需要的精度,需要進(jìn)一步的研究。

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Design Discipline of the Safty Monitoring System for the Super-High-Rise Buildings

QINHao,ZHAOMing

2016-11-07

覃 浩(1992—)，男，湖北宜昌人，碩士在讀。

TP274

B

1008-3707(2017)01-0010-05