基于结构健康监测系统的某办公建筑运营期结构响应分析

李俊杰, 葛 德, 孙 文

(甘肃省建筑科学研究院(集团)有限公司，兰州 730070)

0 引言

建筑结构的“生命周期”可以划分为三个阶段:施工阶段、使用阶段和老化阶段,结构风险贯穿结构的整个生命周期[1]。建筑结构在长期服役过程中会因为环境侵蚀、材料老化、荷载作用、疲劳效应和突发灾害等因素的影响,难以避免地产生结构损伤、抗力衰退等结构退化的现象[2]。由建筑的结构特性可知,大多数建筑结构变化不是瞬间发生的,而是在各种因素的综合影响下缓慢发展的[3]。因此,如果事先能够探知到建筑的结构变化信息,根据该类信息分析出建筑的结构健康状况,并按照分析出的结果对建筑采取一定的措施,如针对可以修复的建筑结构变化进行抢救式修复以延长其使用寿命,针对没有修复价值的建筑及时安排人员撤离及财产和设施保护,就可以避免因未及时探知建筑结构变化而带来的严重后果[4-6]。因此,为了准确把握结构在生命周期内损伤和衰退过程中的健康状况,有效控制结构退化产生的风险,避免可能产生的安全事故,对建筑结构进行施工与服役全寿命周期健康监测越来越受到重视,逐渐成为土木工程领域的一个研究热点[7]。

然而,国内目前相关研究重点多关注的是建筑结构在施工阶段的健康状况,对于建筑结构使用阶段健康监测相关领域的研究较为匮乏。但就整个建筑结构的寿命而言,运营阶段占据更长时间。随着使用年限的增加,建筑在内外部因素的共同影响下发生病害或倒塌的概率大大提高[8]。如果不能提前发现建筑病害或倒塌前的征兆并及时处置,会造成严重的经济损失和人员伤亡。建筑结构健康监测系统是一种以物联网技术为核心并应用于建筑安全评估方面的远程监测系统,可以实时监测与建筑安全相关的建筑结构健康参量并在建筑发生病害或倒塌前做出预警通知,从而在最大程度上减少病害或倒塌造成的危害[9-10]。

1 结构健康监测系统设计

1.1 工程概况

建研大厦位于甘肃省兰州市安宁区T599#规划路(北滨河路)以北,B582#规划路以西,用地东侧隔B582#规划路与某物流集散中心相邻,南侧临北滨河路黄河风情线,西、北临农贸市场及居民用房。建研大厦为地下2层、地上12层的办公楼,建筑平面布置呈“一”字形,长度为69.60m,等效宽度为18.60m,总建筑面积为18035.78m2,建筑高度为48.81m(含室内外高差)。结构形式为全现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构,基础形式为梁筏基础,建筑结构安全等级为二级,地基基础设计等级为甲级,框架柱、框架梁抗震等级为二级,剪力墙抗震等级为一级,建筑抗震设防类别为丙类,基本风压为0.30kN/m2,基本雪压为0.15kN/m2,抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.20g,设计地震分组为第三组,特征周期值为0.45s,场地类别为Ⅱ类,主体结构设计使用年限为50年。该工程混凝土强度等级:基础为C35;基础顶～4.450m剪力墙、柱为C40,梁、板为C35;4.450～24.850m剪力墙、柱为C35,梁、板为C30;24.850～屋面剪力墙、柱为C30,梁、板为C30;楼梯、雨篷、女儿墙为C30;构造柱、圈梁为C25。

1.2 监测内容

监测项目可包括构件应变监测、地基基础沉降监测、结构水平变形监测(倾斜监测)、结构振动加速度监测以及构件温度监测。

根据该工程结构的受力特性,并考虑运营过程中的监测需求,整个监测系统的监测内容包括:1)构件应变监测;2)地基基础沉降监测;3)结构倾斜监测;4)结构振动监测,监测频率为1次/h。

1.3 监测点布置

运用结构设计软件PKPM完成结构建模(图1)、荷载施加、参数输入等操作,并进行结构计算,然后将PKPM文件导入有限元分析软件MIDAS Gen进行结构分析计算,根据两种主流软件计算结果对比分析并结合现场实际确定监测点布置,结构计算参数见表1,柱单元应力云图及监测点截面应力见图2,梁单元应力云图及监测点截面应力见图3。对比分析后,根据分析结果布设监测传感器。

表1 结构计算参数

图1 PKPM三维模型

图2 某层框架柱应力云图/MPa

图3 某层框架梁应力云图/MPa

根据计算结果及结构对称性,在各层框架梁、框架柱或剪力墙上布置应变监测点,全楼共设置19个应变监测点,安装表面式光纤光栅应变传感器(自带温补),监测点布置如图4～6所示(图中向上为北);根据计算结果及结构受力特性,在地下2层外围剪力墙内侧壁面共布置8个沉降监测点,共安装8台光纤光栅静力水准仪,监测点布置如图4所示;根据计算结果及结构受力特性,在12层角柱上端共布置4个倾斜监测点,安装光纤光栅倾角传感器(单向),监测点布置如图5所示;根据计算结果及《建筑与桥梁结构监测技术规范》(GB 50982—2014)要求,在8层顶板和12层顶板各布置1个加速度监测点,全楼共计2个加速度监测点,共安装4个光纤光栅加速度传感器(单向),监测点布置如图7所示。

图4 地下2层监测点布置图

图5 12层监测点布置图

图6 1、9、10层监测点布置图

图7 8层监测点布置图

2 结果与分析

2.1 应变监测分析

对1层(YB-1-1)、9层(YB-9-1)、10层(YB-10-1)和12层(YB-12-1)的梁的2022年10月至2021年9月应变数据进行分析。如图8(a)所示,4层梁的应变变化幅度都较小,远小于预警值,且变化趋势相对平缓稳定,说明建筑结构安全。4层梁的变化过程中,最大拉应变22.7926出现在该楼1层的梁处,最大压应变-76.9933出现在该楼10层梁处,1、9、12层梁在变化过程中既有受拉的情况,也有受压的情况;10层梁的应变曲线显示,该梁在一年中始终受压,分析原因,这与梁受弯的荷载特性有关,最下层梁弯矩较大,因此在梁下侧,呈现拉应变不断缓慢增加的现象,体现了混凝土的徐变现象,而上层结构受结构自重荷载较少,而且在办公大楼改造中,拆除了较多非承重结构,上层梁实际承受荷载小于设计值,因此梁在卸载作用下,变形产生了回复,梁下侧应变出现了减小现象。通过SPSS进行统计分析,1层梁和12层梁的应变变化过程相对平缓,波动较小(1层梁应变标准差σ1=9.17,1层梁应变极差Δμε1=27.95;12层梁应变标准差σ12=7.95,12层梁应变极差Δμε12=25.47,其余参数含义以此类推),9层梁和10层梁的应变变化波动相对略大(σ9=19.56,Δμε9=57.82;σ12=13.72,Δμε12=45.38),分析原因,与1层虽然承受荷载较大,但是约束较多,12层虽然约束较少,但是承受荷载较小有关。

图8 梁与柱应变变化图

对地下2层不同位置的柱年度应变进行分析。如图8(b)所示,监测的4个关键柱应变变化远小于预警值,且变化趋势相对稳定,说明被监测构件在正常使用荷载组合下,其应变数据未超过材料应变限值范围,结构安全。通过SPSS进行统计分析,YB-(-2)-1,YB-(-2)-3,YB-(-2)-4这3个关键柱的应变变化过程都较为相对平缓,波动较小(σmax≤24.51,Δμεmax≤75.57);YB-(-2)-2应变变化波动性相对较大(σ=59.14,Δμε=152.28),但都属于合理范围之内。由应变值可知,YB-(-2)-1和YB-(-2)-3两个受监测柱在监测期内始终受到压应力作用,而东侧监测柱YB-(-2)-4则在2020年10月至2021年6月受到拉应力作用,2021年7月到9月受到压应力作用,同时西侧监测柱YB-(-2)-2则是在2020年10月至2021年6月受到压应力作用,2021年7月到9月受到拉应力作用。由于应变的变化范围很小,可能是因为地基微沉降或者是温度变化造成微应变的变化。

2.2 沉降监测分析

对地下2层不同位置的5个沉降监测点数据进行统计分析,1、2、3、6号监测点在监测期内的沉降变化都比较稳定(σmax≤0.71mm,ΔHmax≤2.25mm),5号监测的沉降变化波动相对较大(σ5=5.24mm,ΔH5=15.4mm)。如图9所示,5个关键柱沉降监测数值都远小于预警值,对沉降数据相互之间进行T检验,显著性概率P≥0.05,说明监测部位的基础相对沉降幅度相互之间较为稳定。5个沉降监测点沉降变化过程中,1、2号点的监测数值始终为负值,说明这两个点在监测期内一直沉降,但沉降量很微小;3、5、6号沉降监测点在监测期内的沉降变化过程是从监测期开始先下降,到2021年5月开始呈现了上升的趋势,一直到2021年8月达到上升峰值后开始下降,其中5号点的上升现象更为显著。原因是监测建筑位于距离黄河较近,2021年5月监测建筑所在地区开始大量降水,导致地下水位上升,地下水对建筑的浮力增大,导致建筑沉降趋势减小,距离黄河较近的3、5、6号监测点甚至产生向上的位移,其中5号点上部为2层裙楼,相对于其他点位(上部为12层建筑),向上的位移变化更大,上升现象更显著。

图9 沉降监测变化图

2.3 倾斜监测分析

图10为建研大厦12层4个角柱顶端倾角监测点变化状况,可看出各角柱倾角在限值范围(162.7mm)内,表明大楼整体倾斜变形在安全范围内。对4个监测点数据进行统计分析,4个监测点在监测期内的倾斜变化均比较稳定(σmax≤0.12°,Δθmax≤0.35°)。通过配对样本检验,2个监测点的X向变化规律较为相似(P≥0.05),只在2020年1月期间有所不同,可能是冬季积雪所造成的荷载使12层梁暂时产生了一定的弯曲变形;2个监测点的Y向变化规律差异较大(P≤0.05),大楼东侧的监测数据变化幅度更大。同时,2个监测点上,X向和Y向的倾斜数据也不具备显著的差异性(P≥0.05),造成倾斜的原因可能是外力方向比较单一,少有交变荷载。

2.4 振动监测分析

大楼8层与12层安装的光纤光栅式加速度传感器,可实时监测楼层在振动荷载作用下产生的双向水平加速度,对2020年10月至2021年9月建研大厦8层和12层振动监测数据进行统计分析,4个监测点的振动变化过程均较为平稳,波动性较小(σmax≤0.49m/s2,加速度的最大变化量Δamax≤1.66m/s2)。利用SPSS对8层和12层X、Y向上的振动监测数据进行差异性分析,结果表明8层和12层在X、Y向上的振动规律无明显差异(P≤0.05)。图11为2020年10月至2021年9月建研大厦8层和12层振动变化规律,可看出所监测关键楼层的水平振动加速度变化幅度均未超出所在地区设计基本地震加速度1.96m/s2。由图11可进一步看出,8层和12层X、Y向振动规律均较为相似,即同方向不同层振动规律相似;但不论8层还是12层,同一层的X、Y向振动规律略有差异,X向的振动总是滞后于Y向,且振动幅度和曲线波动也更大,即同楼层不同方向振动规律存在差异。

图11 振动监测变化图

3 各监测项相关性分析

3.1 柱应变与沉降相关性

3.2 应变、倾斜、振动相关性

选取同一层(12层)的应变监测点、倾斜监测点、振动监测点在2020年10月至2021年9月的数据,利用SPSS对同一时间应变数据、倾斜数据和振动数据进行Pearson相关性分析。结果显示:大楼应变监测数据与倾斜监测数据具备强相关性,与Y向上的倾斜监测数据呈极强相关性(|rX| =0.709,|rY| =0.825);振动监测数据则与应变监测数据或倾斜监测数据之间的相关性均较弱(|rmax|≤0.308)。

4 结论

通过在建研大厦各层框架梁、框架柱或剪力墙上布置光纤光栅应变传感器、光纤光栅静力水准仪、光纤光栅倾角传感器以及光纤光栅加速度传感器,建立在线自动化结构健康监测系统,进行建研大厦关键构件的构件应变监测、地基基础沉降监测、结构水平变形监测(倾斜监测)、结构振动加速度监测,采集频率1次/h,获得了2020年10月至2021年9月的监测数据,分析了正常运营条件下建研大厦都的建筑结构响应规律,主要结论如下:

(1)大楼监测系统运行正常,根据大楼实际状况,应变监测、沉降监测、倾斜监测、振动加速度监测数据均响应良好合理,具备较高的数据准确性与长期稳定性。

(2)大楼应变监测、沉降监测、倾斜监测、振动加速度变化过程相对稳定,变化幅度均较小,且同类型监测数据变化规律相似,相互之间无显著差异。其中,5号沉降监测点由于上部结构为2层裙楼,相对于其他上部结构为12层建筑的监测点,在2021年6～8月降雨集中时期,所受地下水浮力影响更大,因此向上的位移变化相对较大。

(3)监测结果中,关键柱的应变变化过程和地基沉降变化过程具有显著相关性,且距离越近相关性越强。梁应变变化过程与倾斜变化过程具备强相关性,但与振动加速度变化过程相关性较弱,倾斜变化过程与振动加速度变化过程也无显著相关性。