中央电视台主楼施工过程及服役期的健康监测方案.doc

CCTV新台址主楼施工过程及服役期健康监测初步方案清华大学土木工程系二零零五年元月目 录一、 概述二、 健康监测的必要性三、 健康监测初步方案3.1 施工过程中健康监测3.1.1 应力应变监测3.1.2 动力性能监测3.2 结构服役期内的健康监测3.2.1 应力应变监测3.2.2 动力性能监测附录A：施工过程中应力应变监测附录B：施工过程中的动力性能监测一、CCTV主楼构成及受力特点中央电视台主楼由9层裙楼、3层地下室、两座斜塔和连接两塔楼的悬臂部分组成一个不规则的门式结构。两个塔楼各以6倾斜，高度234米，在37层（163米）处通过一“L”形的长悬臂连为一体。长悬臂结构共14层，高度55米，由37、38层转换桁架支承。由于整个结构“斜”和“悬”的特点，其结构受力特别复杂。整个结构由外框筒抵抗水平荷载，包括风荷载及水平地震力；核心筒主要承受竖形荷载；由于两座塔楼本身倾斜，而悬臂位置较高，悬挑长度长达75米、悬挑重量达2万吨，结构仅在自重作用下存在较大的倾覆力矩；十四层悬挑部分完全由两层转换桁架托起，再通过转换桁架将竖向荷载传给外框筒；中央主楼在平面布置和竖向布置存在多处严重不规则之处，超出了建筑抗震设计规范（简称抗规）规定的限值。在平面布置上，根据抗规的规定，当楼层最大水平位移大于两端均值的1.2倍时称为扭转不规则。央视主楼的倾斜屋面、悬臂底部两处均超出1.2倍的限值；在平面布置中，当凹凸结构的投影平面一侧尺寸在指定方向上大于相应方向投影总尺寸的30%称为凹凸不规则；央视主楼超出此限值，其投影平面如图1所示。图1 平面布置图当有效楼板宽度小于该方向50或开洞面积大于该层的30时称为楼板不连续，如主楼的第38层，其平面图如图2所示。图2 第38层局部平面图3 侧向刚度不规则在竖向不规则上，当某层刚度小于相邻上层的70，或小于其上相邻三层的80时，称为侧向刚度不规则。主楼悬臂部分和裙房（由于地层开大洞较多，侧向刚度随高度增加而加大）部分两处超出规范的限值，如图3所示；当任何楼层的有效质量超出相邻楼层的有效质量150%时，称为重量不规则；悬挑部分超出IBC规范的限值；当抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上层的80时，存在承载能力的突变（薄弱层），央视悬挑部分为薄弱层。总计主楼在平面和竖向规则性上共有6个方面多处超出规范限值，属于“严重”不规则，主楼结构存在着抗震薄弱环节，结构受力特别复杂。由于主楼结构的组成体系“斜”和“悬”的特点，塔楼在施工过程中随着安装逐层增高，两个塔楼会向更加接近的方向变形倾斜，且不均匀分布的温度场会加剧这种变形趋势。这种不均匀的温度场一方面表现在结构的不同部分受到不均匀的日光照射具而具有不同的积温效应，另一方面表现在结构的施工周期长，冬夏之间跨越温差大，温度效应将使结构产生非常复杂的变形。施工过程中随着塔楼的逐层增高，结构构件的应力和变形在不停地复杂变化，其变化过程会一直持续到整个结构的竣工。二、健康监测的必要性综前所述，央视主楼结构体系受力复杂，建造周期长，施工工况多，加上结构本身的投资大，为目前国内单项工程中总投资最大的项目，又为CCTV的总部所在，属生命线工程，结构的重要性极高。因此，对这样一座重要性极高的建筑，非常有必要建立一个健康监测系统，对施工过程及服役期间进行实时跟踪监测。这种实时跟踪监测，一方面为了保证施工过程的顺利进行，确保结构或构件不至于在施工过程中出现过渡的变形或破坏，使结构在施工完毕后能够达到设计要求。施工过程的实时跟踪监测，目的是监测施工过程中结构或构件的变形和应力，并随时根据对结构或构件的变形和应力的监测结果进行分析，调整施工过程中的相关环节；另一方面监测结构在正常服役期内其健康状态，获得结构在服役期内受各种环境因素影响下的结构响应行为的健康状态参数，包括结构的强度、刚度、动力性能等，根据对结构健康状态参数对结构的可靠性、安全性、耐久性做出综合的科学评定，并与理论计算分析进行对比。健康监测系统，是利用各种现代化的先进测试手段对结构在各种因素下结构构件的响应行为进行实时监测，获得结构或者构件的强度（内力）、刚度（变形）、动力性能（频率、振型、阻尼、结构整体刚度等）等健康状态参数的一个综合监测系统。三、健康监测初步方案整个健康监测方案包括两部分：首先实时监测施工过程中结构或构件的内力和变形，其次对结构竣工交付使用后在两年的服役期内监测结构的健康状态参数。3.1施工过程中健康监测在中央电视台主楼施工过程中，利用健康监测系统监测结构的整个施工过程，内容包括应力应变监测和动力性能监测两部分。3.1.1应力应变监测监测点的数据通过光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating, FBG）来测试，运用先进的现代化传感设备与光电通信及计算机技术，实时监测中央电视台主楼施工过程中重要构件的内力和变形。监测点的光纤光栅传感器作永久性埋置，同时作为后续结构服役期内健康监测系统的组成部分。具体的测试原理及有关说明见附录A。3.1.2动力性能监测根据动力学计算原理，在裙楼、两座塔楼、悬挑部分的薄弱部位的测点上的两个垂直方向，安置加速度传感器，监测施工过程中各施工工况及环境因素对已完成结构部分的动力性能，测试结构的加速度，获得结构加速度与时间的关系，通过积分可以得到结构的速度和位移，再通过Fourier变换及复杂的数学运算分析，最终得到结构的频率、刚度、阻尼等动力性能参数。通过实际测试得到的动力性能参数与理论计算的结果进行对比，为判断结构的实际施工质量提供科学的试验依据。具体的测试原理及有关说明见附录B。3.2 结构服役期内的健康监测结构竣工交付使用后会受到各种环境因素的影响，例如基础的不均匀沉降会改变结构的内力分布，改变结构的刚度和动力性能等；较大的风荷载会使结构产生随机振动，这种振动是否会损坏结构的薄弱环节。因此，在结构交付使用后头两年的服役期内，需要对结构进行健康监测。结构在服役期内的健康监测包括两部分：首先利用施工过程中埋置的光纤光栅传感器，定期监测结构的内力变化；拟每个月采集一次光纤光栅的应变数据。其次，监测结构在各种环境因素作用下结构的动力性能，监测点与施工过程的监测点相同，每月采集一次这些监测点的加速度，通过计算分析得到结构的动力性能参数；在两年的监测期间内，争取能捕捉测试到风振作用下结构的动力性能。通过监测得到的应力和动力性能参数对结构在服役期内的健康状况进行评估，对结构的安全性、耐久性、抗震性能作出科学的评价，发现问题及时采取补救措施，保证结构的正常运行。附录A：施工过程中应力应变监测监测点的应变或者温度数据通过光纤光栅传感器来感应，通过波长查询仪来采集各测点上的应变和温度数据。光纤光栅传感器可以考虑长期置入式安放，进行结构施工过程及竣工后最初使用阶段的健康监测。A1. 光纤光栅传感器（FBG）光纤光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器是作为一种新型光纤传感器，对多个物理量敏感，可以用来测量多个物理量，包括应变、应力、温度、振动、压力、电压以及一些化学量，其应用领域非常的广泛。同时FBG传感器阵列可以实现分布式的传感网络，对物体进行多点测量，提取相关的信号，进行状态分析，达到示警以及故障监测的目的。光纤光栅传感器的传输距离可以达50多公里，其主要技术优势包括： 可靠性好、抗干扰能力强。光纤光栅对被测信息用波长编码，不受光源功率波动和光纤弯曲等因素引起的损耗的影响。 测量精度高。精确的透射和反射特征（小误差）使其更加准确的反映了应力和温度的变化。 单路光纤上可以制作多个光栅的能力可以对大型工程进行分布式测量，其测量点多，测量范围大。 传感头结构简单、尺寸小，适于各种应用场合，尤其适合于埋入材料内部构成所谓的智能材料或结构。 抗电磁干扰、抗腐蚀、能于恶劣的化学环境下工作。A2. FBG传感器波长查询仪FBG传感器的关键技术是多波长的解调检测方法，能够实现波长解调的装置被称为波长查询仪。图A1为用一个可调F-P滤波器同时检测多个光纤光栅的原理，F-P腔由电压陶瓷驱动，且施加周期性的电压用以改变腔长，以实现对确定区域的波长进行周期性的滤波扫描。若选用的F-P滤波器具备FBG相当的带宽，施加的电压信号为均匀扫描的周期性锯齿波，受其调制，滤波器在自由程内进行波长扫描时的波长范围能够覆盖传感光栅及其经诱导后漂移了的全部布喇格波长，且来自传感光栅的信号滤波后经线性光电转换器转换成电信号，放大后输入示波器。此时光电转换器，F-P滤波器和锯齿波信号发生器以及示波器组成的检测系统将执行光纤光谱仪的功能，它不仅可以对测量范围内各FBG传感元的波长信息进行依次查询，而且将所测波长信息与漂移前波长信息进行比较,得到各传感元的波长漂移量，利用漂移量与所测量间的变化关系，便可判断对应传感元件所感测物理量变化的大小，解调后得到所要采集的应变或者温度数据。图A-1 FBG波长查询仪工作原理A3. 测试框图测试框图如图A2所示，其中：用FBG传感器阵列实现智能监测的全套方案，包括一个1XN的光开关，可以在多个光纤光栅探头之间切换光路，当要校验波长时，也可以切换到波长标准具上。当切换到某一个光纤光栅上时，从宽谱光源上发射的激光经过环行器和光开关进入该光纤光栅。由于光纤光栅的选择作用，符合布喇格条件的波长被反射回去，经过光开关，进入环行器，从环行器第三个端口输出的波长信号经波长查询仪解调后送到PC中，最后通过Labview软件虚拟仪器得出被测物理量。该方案具有测量通道多，响应速度快，灵敏度高，测量精度高，测量范围大等优点。A4. 测点布置FBG光栅传感头 N具体的测点布置暂略。环行器光开关FBG光栅传感头1宽谱光源波长标准具波长查询仪数据PC机图A-2 FBG传感器测试框图A5. FBG传感器安装次序应力监测过程中FBG传感器的安装按照下列次序进行：在施工次序中每个工况的构件安装时，待布置监测点的构件安装完毕后立即安装FBG光纤光栅传感器，这样，先安装的FBG传感器可以监测到以后各种施工荷载、恒荷载等变化所产生的应力变化。A6. 数据采集频率及数据分析数据监测的采集过程紧密地与施工工序的各种工况相配合，数据采集拟每天采集各个监测点的数据3次。遇有重要施工工况，如悬臂部分开始施工、悬臂部分施工的重要阶段及各个延迟构件的最后连接等、可以随时采集数据，随时监测各个重要构件的应力变化情况。阶段性数据分析频率，拟在每2层楼（相应与外筒的一个三角形框架）的楼板混凝土浇注完成后及该楼层的玻璃幕墙安装完成后进行一次，发现数据异常及时报有关方面处理；每4层楼（相应与外筒的2个三角形框架高度）的楼板混凝土浇注完成后及该楼层的玻璃幕墙安装完成后进行一次数据的书面整理。在裙房施工完毕、两个独立的塔楼施工及开始安装悬臂部分时、悬臂部分安装完成、各个延迟构件连接前、各个延迟构件连接后各出具一次施工过程中的应力应变监测报告（5次），整个主体结构竣工后（设计方规定的结构状态）出具施工过程中最后的应力应变监测报告（共6次报告）。附录B：施工过程中的动力性能监测结构的振动为机械振动，需要通过速度传感器把机械信号转换成可以测量和记录的数字信号，对数字信号进一步分析处理，可以得到结构上监测点的加速度。B1. 测试框图传感器振动信号采集仪B2. 测点布置具体的测点布置暂略。B3. 数据采集及数据分析数据监测的采集频率拟每完成10层采集一次各个监测点的加速度数据。遇有重要施工工况，如悬臂部分开始施工、悬臂部分施工的重要阶段及各个延迟构件的最后连接等，可以随时采集数据，随时监测各个重要构件的加