基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的某辦公建筑運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

李俊杰, 葛 德, 孫 文

(甘肅省建筑科學(xué)研究院(集團(tuán))有限公司，蘭州 730070)

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)的“生命周期”可以劃分為三個(gè)階段:施工階段、使用階段和老化階段,結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)貫穿結(jié)構(gòu)的整個(gè)生命周期[1]。建筑結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期服役過(guò)程中會(huì)因?yàn)榄h(huán)境侵蝕、材料老化、荷載作用、疲勞效應(yīng)和突發(fā)災(zāi)害等因素的影響,難以避免地產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷、抗力衰退等結(jié)構(gòu)退化的現(xiàn)象[2]。由建筑的結(jié)構(gòu)特性可知,大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)變化不是瞬間發(fā)生的,而是在各種因素的綜合影響下緩慢發(fā)展的[3]。因此,如果事先能夠探知到建筑的結(jié)構(gòu)變化信息,根據(jù)該類信息分析出建筑的結(jié)構(gòu)健康狀況,并按照分析出的結(jié)果對(duì)建筑采取一定的措施,如針對(duì)可以修復(fù)的建筑結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行搶救式修復(fù)以延長(zhǎng)其使用壽命,針對(duì)沒(méi)有修復(fù)價(jià)值的建筑及時(shí)安排人員撤離及財(cái)產(chǎn)和設(shè)施保護(hù),就可以避免因未及時(shí)探知建筑結(jié)構(gòu)變化而帶來(lái)的嚴(yán)重后果[4-6]。因此,為了準(zhǔn)確把握結(jié)構(gòu)在生命周期內(nèi)損傷和衰退過(guò)程中的健康狀況,有效控制結(jié)構(gòu)退化產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn),避免可能產(chǎn)生的安全事故,對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工與服役全壽命周期健康監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到重視,逐漸成為土木工程領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[7]。

然而,國(guó)內(nèi)目前相關(guān)研究重點(diǎn)多關(guān)注的是建筑結(jié)構(gòu)在施工階段的健康狀況,對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)使用階段健康監(jiān)測(cè)相關(guān)領(lǐng)域的研究較為匱乏。但就整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的壽命而言,運(yùn)營(yíng)階段占據(jù)更長(zhǎng)時(shí)間。隨著使用年限的增加,建筑在內(nèi)外部因素的共同影響下發(fā)生病害或倒塌的概率大大提高[8]。如果不能提前發(fā)現(xiàn)建筑病害或倒塌前的征兆并及時(shí)處置,會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心并應(yīng)用于建筑安全評(píng)估方面的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與建筑安全相關(guān)的建筑結(jié)構(gòu)健康參量并在建筑發(fā)生病害或倒塌前做出預(yù)警通知,從而在最大程度上減少病害或倒塌造成的危害[9-10]。

1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

建研大廈位于甘肅省蘭州市安寧區(qū)T599#規(guī)劃路(北濱河路)以北,B582#規(guī)劃路以西,用地東側(cè)隔B582#規(guī)劃路與某物流集散中心相鄰,南側(cè)臨北濱河路黃河風(fēng)情線,西、北臨農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)及居民用房。建研大廈為地下2層、地上12層的辦公樓,建筑平面布置呈“一”字形,長(zhǎng)度為69.60m,等效寬度為18.60m,總建筑面積為18035.78m2,建筑高度為48.81m(含室內(nèi)外高差)。結(jié)構(gòu)形式為全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)形式為梁筏基礎(chǔ),建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí),框架柱、框架梁抗震等級(jí)為二級(jí),剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí),建筑抗震設(shè)防類別為丙類,基本風(fēng)壓為0.30kN/m2,基本雪壓為0.15kN/m2,抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g,設(shè)計(jì)地震分組為第三組,特征周期值為0.45s,場(chǎng)地類別為Ⅱ類,主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。該工程混凝土強(qiáng)度等級(jí):基礎(chǔ)為C35;基礎(chǔ)頂～4.450m剪力墻、柱為C40,梁、板為C35;4.450～24.850m剪力墻、柱為C35,梁、板為C30;24.850～屋面剪力墻、柱為C30,梁、板為C30;樓梯、雨篷、女兒墻為C30;構(gòu)造柱、圈梁為C25。

1.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可包括構(gòu)件應(yīng)變監(jiān)測(cè)、地基基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)水平變形監(jiān)測(cè)(傾斜監(jiān)測(cè))、結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)以及構(gòu)件溫度監(jiān)測(cè)。

根據(jù)該工程結(jié)構(gòu)的受力特性,并考慮運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的監(jiān)測(cè)需求,整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括:1)構(gòu)件應(yīng)變監(jiān)測(cè);2)地基基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè);3)結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測(cè);4)結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)頻率為1次/h。

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM完成結(jié)構(gòu)建模(圖1)、荷載施加、參數(shù)輸入等操作,并進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,然后將PKPM文件導(dǎo)入有限元分析軟件MIDAS Gen進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算,根據(jù)兩種主流軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置,結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1,柱單元應(yīng)力云圖及監(jiān)測(cè)點(diǎn)截面應(yīng)力見(jiàn)圖2,梁?jiǎn)卧獞?yīng)力云圖及監(jiān)測(cè)點(diǎn)截面應(yīng)力見(jiàn)圖3。對(duì)比分析后,根據(jù)分析結(jié)果布設(shè)監(jiān)測(cè)傳感器。

表1 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

圖1 PKPM三維模型

圖2 某層框架柱應(yīng)力云圖/MPa

圖3 某層框架梁應(yīng)力云圖/MPa

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,在各層框架梁、框架柱或剪力墻上布置應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn),全樓共設(shè)置19個(gè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn),安裝表面式光纖光柵應(yīng)變傳感器(自帶溫補(bǔ)),監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4～6所示(圖中向上為北);根據(jù)計(jì)算結(jié)果及結(jié)構(gòu)受力特性,在地下2層外圍剪力墻內(nèi)側(cè)壁面共布置8個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),共安裝8臺(tái)光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀,監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示;根據(jù)計(jì)算結(jié)果及結(jié)構(gòu)受力特性,在12層角柱上端共布置4個(gè)傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn),安裝光纖光柵傾角傳感器(單向),監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示;根據(jù)計(jì)算結(jié)果及《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50982—2014)要求,在8層頂板和12層頂板各布置1個(gè)加速度監(jiān)測(cè)點(diǎn),全樓共計(jì)2個(gè)加速度監(jiān)測(cè)點(diǎn),共安裝4個(gè)光纖光柵加速度傳感器(單向),監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。

圖4 地下2層監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖5 12層監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖6 1、9、10層監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖7 8層監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)變監(jiān)測(cè)分析

對(duì)1層(YB-1-1)、9層(YB-9-1)、10層(YB-10-1)和12層(YB-12-1)的梁的2022年10月至2021年9月應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖8(a)所示,4層梁的應(yīng)變變化幅度都較小,遠(yuǎn)小于預(yù)警值,且變化趨勢(shì)相對(duì)平緩穩(wěn)定,說(shuō)明建筑結(jié)構(gòu)安全。4層梁的變化過(guò)程中,最大拉應(yīng)變22.7926出現(xiàn)在該樓1層的梁處,最大壓應(yīng)變-76.9933出現(xiàn)在該樓10層梁處,1、9、12層梁在變化過(guò)程中既有受拉的情況,也有受壓的情況;10層梁的應(yīng)變曲線顯示,該梁在一年中始終受壓,分析原因,這與梁受彎的荷載特性有關(guān),最下層梁彎矩較大,因此在梁下側(cè),呈現(xiàn)拉應(yīng)變不斷緩慢增加的現(xiàn)象,體現(xiàn)了混凝土的徐變現(xiàn)象,而上層結(jié)構(gòu)受結(jié)構(gòu)自重荷載較少,而且在辦公大樓改造中,拆除了較多非承重結(jié)構(gòu),上層梁實(shí)際承受荷載小于設(shè)計(jì)值,因此梁在卸載作用下,變形產(chǎn)生了回復(fù),梁下側(cè)應(yīng)變出現(xiàn)了減小現(xiàn)象。通過(guò)SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,1層梁和12層梁的應(yīng)變變化過(guò)程相對(duì)平緩,波動(dòng)較小(1層梁應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差σ1=9.17,1層梁應(yīng)變極差Δμε1=27.95;12層梁應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差σ12=7.95,12層梁應(yīng)變極差Δμε12=25.47,其余參數(shù)含義以此類推),9層梁和10層梁的應(yīng)變變化波動(dòng)相對(duì)略大(σ9=19.56,Δμε9=57.82;σ12=13.72,Δμε12=45.38),分析原因,與1層雖然承受荷載較大,但是約束較多,12層雖然約束較少,但是承受荷載較小有關(guān)。

圖8 梁與柱應(yīng)變變化圖

對(duì)地下2層不同位置的柱年度應(yīng)變進(jìn)行分析。如圖8(b)所示,監(jiān)測(cè)的4個(gè)關(guān)鍵柱應(yīng)變變化遠(yuǎn)小于預(yù)警值,且變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定,說(shuō)明被監(jiān)測(cè)構(gòu)件在正常使用荷載組合下,其應(yīng)變數(shù)據(jù)未超過(guò)材料應(yīng)變限值范圍,結(jié)構(gòu)安全。通過(guò)SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,YB-(-2)-1,YB-(-2)-3,YB-(-2)-4這3個(gè)關(guān)鍵柱的應(yīng)變變化過(guò)程都較為相對(duì)平緩,波動(dòng)較小(σmax≤24.51,Δμεmax≤75.57);YB-(-2)-2應(yīng)變變化波動(dòng)性相對(duì)較大(σ=59.14,Δμε=152.28),但都屬于合理范圍之內(nèi)。由應(yīng)變值可知,YB-(-2)-1和YB-(-2)-3兩個(gè)受監(jiān)測(cè)柱在監(jiān)測(cè)期內(nèi)始終受到壓應(yīng)力作用,而東側(cè)監(jiān)測(cè)柱YB-(-2)-4則在2020年10月至2021年6月受到拉應(yīng)力作用,2021年7月到9月受到壓應(yīng)力作用,同時(shí)西側(cè)監(jiān)測(cè)柱YB-(-2)-2則是在2020年10月至2021年6月受到壓應(yīng)力作用,2021年7月到9月受到拉應(yīng)力作用。由于應(yīng)變的變化范圍很小,可能是因?yàn)榈鼗⒊两祷蛘呤菧囟茸兓斐晌?yīng)變的變化。

2.2 沉降監(jiān)測(cè)分析

對(duì)地下2層不同位置的5個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,1、2、3、6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)期內(nèi)的沉降變化都比較穩(wěn)定(σmax≤0.71mm,ΔHmax≤2.25mm),5號(hào)監(jiān)測(cè)的沉降變化波動(dòng)相對(duì)較大(σ5=5.24mm,ΔH5=15.4mm)。如圖9所示,5個(gè)關(guān)鍵柱沉降監(jiān)測(cè)數(shù)值都遠(yuǎn)小于預(yù)警值,對(duì)沉降數(shù)據(jù)相互之間進(jìn)行T檢驗(yàn),顯著性概率P≥0.05,說(shuō)明監(jiān)測(cè)部位的基礎(chǔ)相對(duì)沉降幅度相互之間較為穩(wěn)定。5個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化過(guò)程中,1、2號(hào)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)值始終為負(fù)值,說(shuō)明這兩個(gè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)期內(nèi)一直沉降,但沉降量很微小;3、5、6號(hào)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)期內(nèi)的沉降變化過(guò)程是從監(jiān)測(cè)期開(kāi)始先下降,到2021年5月開(kāi)始呈現(xiàn)了上升的趨勢(shì),一直到2021年8月達(dá)到上升峰值后開(kāi)始下降,其中5號(hào)點(diǎn)的上升現(xiàn)象更為顯著。原因是監(jiān)測(cè)建筑位于距離黃河較近,2021年5月監(jiān)測(cè)建筑所在地區(qū)開(kāi)始大量降水,導(dǎo)致地下水位上升,地下水對(duì)建筑的浮力增大,導(dǎo)致建筑沉降趨勢(shì)減小,距離黃河較近的3、5、6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)甚至產(chǎn)生向上的位移,其中5號(hào)點(diǎn)上部為2層裙樓,相對(duì)于其他點(diǎn)位(上部為12層建筑),向上的位移變化更大,上升現(xiàn)象更顯著。

圖9 沉降監(jiān)測(cè)變化圖

2.3 傾斜監(jiān)測(cè)分析

圖10為建研大廈12層4個(gè)角柱頂端傾角監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化狀況,可看出各角柱傾角在限值范圍(162.7mm)內(nèi),表明大樓整體傾斜變形在安全范圍內(nèi)。對(duì)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)期內(nèi)的傾斜變化均比較穩(wěn)定(σmax≤0.12°,Δθmax≤0.35°)。通過(guò)配對(duì)樣本檢驗(yàn),2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的X向變化規(guī)律較為相似(P≥0.05),只在2020年1月期間有所不同,可能是冬季積雪所造成的荷載使12層梁暫時(shí)產(chǎn)生了一定的彎曲變形;2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Y向變化規(guī)律差異較大(P≤0.05),大樓東側(cè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化幅度更大。同時(shí),2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上,X向和Y向的傾斜數(shù)據(jù)也不具備顯著的差異性(P≥0.05),造成傾斜的原因可能是外力方向比較單一,少有交變荷載。

2.4 振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析

大樓8層與12層安裝的光纖光柵式加速度傳感器,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樓層在振動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生的雙向水平加速度,對(duì)2020年10月至2021年9月建研大廈8層和12層振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)變化過(guò)程均較為平穩(wěn),波動(dòng)性較小(σmax≤0.49m/s2,加速度的最大變化量Δamax≤1.66m/s2)。利用SPSS對(duì)8層和12層X(jué)、Y向上的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析,結(jié)果表明8層和12層在X、Y向上的振動(dòng)規(guī)律無(wú)明顯差異(P≤0.05)。圖11為2020年10月至2021年9月建研大廈8層和12層振動(dòng)變化規(guī)律,可看出所監(jiān)測(cè)關(guān)鍵樓層的水平振動(dòng)加速度變化幅度均未超出所在地區(qū)設(shè)計(jì)基本地震加速度1.96m/s2。由圖11可進(jìn)一步看出,8層和12層X(jué)、Y向振動(dòng)規(guī)律均較為相似,即同方向不同層振動(dòng)規(guī)律相似;但不論8層還是12層,同一層的X、Y向振動(dòng)規(guī)律略有差異,X向的振動(dòng)總是滯后于Y向,且振動(dòng)幅度和曲線波動(dòng)也更大,即同樓層不同方向振動(dòng)規(guī)律存在差異。

圖11 振動(dòng)監(jiān)測(cè)變化圖

3 各監(jiān)測(cè)項(xiàng)相關(guān)性分析

3.1 柱應(yīng)變與沉降相關(guān)性

3.2 應(yīng)變、傾斜、振動(dòng)相關(guān)性

選取同一層(12層)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)、傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2020年10月至2021年9月的數(shù)據(jù),利用SPSS對(duì)同一時(shí)間應(yīng)變數(shù)據(jù)、傾斜數(shù)據(jù)和振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。結(jié)果顯示:大樓應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與傾斜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具備強(qiáng)相關(guān)性,與Y向上的傾斜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈極強(qiáng)相關(guān)性(|rX| =0.709,|rY| =0.825);振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)則與應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或傾斜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性均較弱(|rmax|≤0.308)。

4 結(jié)論

通過(guò)在建研大廈各層框架梁、框架柱或剪力墻上布置光纖光柵應(yīng)變傳感器、光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀、光纖光柵傾角傳感器以及光纖光柵加速度傳感器,建立在線自動(dòng)化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),進(jìn)行建研大廈關(guān)鍵構(gòu)件的構(gòu)件應(yīng)變監(jiān)測(cè)、地基基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)水平變形監(jiān)測(cè)(傾斜監(jiān)測(cè))、結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè),采集頻率1次/h,獲得了2020年10月至2021年9月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析了正常運(yùn)營(yíng)條件下建研大廈都的建筑結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律,主要結(jié)論如下:

(1)大樓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行正常,根據(jù)大樓實(shí)際狀況,應(yīng)變監(jiān)測(cè)、沉降監(jiān)測(cè)、傾斜監(jiān)測(cè)、振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均響應(yīng)良好合理,具備較高的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

(2)大樓應(yīng)變監(jiān)測(cè)、沉降監(jiān)測(cè)、傾斜監(jiān)測(cè)、振動(dòng)加速度變化過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定,變化幅度均較小,且同類型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律相似,相互之間無(wú)顯著差異。其中,5號(hào)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)由于上部結(jié)構(gòu)為2層裙樓,相對(duì)于其他上部結(jié)構(gòu)為12層建筑的監(jiān)測(cè)點(diǎn),在2021年6～8月降雨集中時(shí)期,所受地下水浮力影響更大,因此向上的位移變化相對(duì)較大。

(3)監(jiān)測(cè)結(jié)果中,關(guān)鍵柱的應(yīng)變變化過(guò)程和地基沉降變化過(guò)程具有顯著相關(guān)性,且距離越近相關(guān)性越強(qiáng)。梁應(yīng)變變化過(guò)程與傾斜變化過(guò)程具備強(qiáng)相關(guān)性,但與振動(dòng)加速度變化過(guò)程相關(guān)性較弱,傾斜變化過(guò)程與振動(dòng)加速度變化過(guò)程也無(wú)顯著相關(guān)性。