武汉绿地中心健康监测投标-技术方案.doc

武汉绿地中心主塔楼结构健康监测工程技术方案武汉绿地中心主塔楼结构健康监测工程技术方案武汉理工大学武汉马房山理工工程结构检测有限公司2014年10月I武汉绿地中心主塔楼结构健康监测工程技术部分目录1.工程概况12.结构健康监测的目的和意义23.监测参考依据24.监测系统的简介34.1监测系统组成34.1.1传感器系统34.1.2数据采集与传输系统34.1.3数据处理与控制系统64.1.4结构性能评估系统84.2监测系统功能85.健康监测内容95.1荷载及作用监测95.1.1地震作用监测95.1.2风荷载监测95.1.3温度监测105.2结构响应监测105.2.1位移监测105.2.2加速度监测105.2.3应力应变监测105.3结构及构件状态监测115.3.1标高监测115.3.2垂直度监测115.3.3沉降监测115.4监测测点分区116.施工过程健康监测136.1结构施工过程分析136.1.1目的136.1.2方法146.2施工过程监测的内容146.3施工过程风作用监测156.3.1施工过程风速监测156.3.2施工过程风压监测186.4施工过程温度、湿度及气压监测226.4.1简述226.4.2仪器设备236.4.3测点布置236.4.4监测时间和监测频率256.4.5监测系统布置256.5施工过程位移监测（GPS部分）256.5.1简述256.5.2仪器设备266.5.3测点布置286.5.4监测时间和监测频率286.5.5仪器的安装286.6施工过程位移监测（倾角仪部分）296.6.1简述296.6.2仪器设备306.6.3测点布置316.6.4监测时间和监测频率326.6.5监测系统布置326.6.6传感器安装326.7施工过程加速度监测336.7.1简述336.7.2仪器设备336.7.3测点布置356.7.4监测时间和监测频率366.7.5现场传输366.8施工过程应变监测376.8.1简述376.8.2仪器设备376.8.3测点布置386.8.4监测时间和监测频率476.8.5监测系统布置476.8.6传感器安装476.9施工过程标高监测506.9.1简述506.9.2监测控制网的建立506.9.3仪器设备516.9.4测量方法及测点布置526.9.5监测时间和监测频率546.10施工过程垂直度监测546.10.1简述546.10.2监测控制网的建立546.10.3仪器设备546.10.4测量方法及测点布置556.10.5监测时间和监测频率556.11施工过程沉降监测566.11.1简述566.11.2仪器设备566.11.3测点布置566.11.4监测时间和频率567.运营阶段健康监测577.1运营阶段监测的内容577.2运营阶段地震作用监测587.2.1简述587.2.2仪器设备587.2.3测点布置597.2.4监测时间和监测频率607.3运营阶段风作用监测617.3.1运营阶段风速监测617.3.2运营阶段风压监测617.4运营阶段温度监测627.4.1简述627.4.2施工阶段至运营阶段监测的过渡与连接627.4.3监测时间和监测频率627.5运营阶段位移监测（GPS部分）627.5.1简述627.5.2施工阶段至运营阶段监测的过渡与连接627.5.3监测系统布置627.5.4监测时间和监测频率637.6运营阶段加速度监测637.6.1简述637.6.2施工阶段至运营阶段监测的过渡与连接637.6.3监测时间和监测频率637.7运营阶段应变监测647.7.1简述647.7.2施工阶段至运营阶段监测的过渡与连接647.7.3测点布置647.7.4监测时间和监测频率647.8运营阶段标高监测647.8.1测点布置647.8.2监测时间和频率647.9运营阶段沉降监测657.9.1测点布置657.9.2监测时间和频率658.结构性能评估系统658.1结构实测分析658.1.1结构模态分析658.1.2风荷载分析668.2结构理论分析668.2.1结构有限元分析668.2.2结构模型修正668.3结构性能评估679.特殊工况的预警6710.测点汇总68701. 工程概况武汉绿地中心位于武昌滨江商务核心区域，与汉口百年外滩隔江相望，地理位置优越，是武汉新一轮城市发展的重点区域。武汉绿地中心由1栋主塔楼、1栋办公辅楼、1栋公寓辅楼及裙楼组成。其中，主塔楼总建筑面积约为40万平方米，总高度超过606米以上，地上125层，地下6层，是一幢集办公、酒店、公寓等多功能于一体的超高层建筑，一个独特塔冠和穹拱位于塔楼顶部，凸显塔楼独特的建筑风格。建成后的绿地中心将是华中第一高楼，成为武汉市的标志性建筑。为了有效地承担水平力(风荷载和地震荷载)，武汉绿地中心主塔楼采用核心筒+外伸桁架+（外周）巨型框架结构体系（如图1.1-1所示），包括强大的组合剪力墙、微倾的巨型SRC组合柱和曲线型的环带桁架，形成了多道设防的布置特征。结构构件的位置和几何形状都经过了精心地优化以满足强度、刚度和稳定性的要求，同时与建筑设计达到完美的结合。图1.1-1 武汉绿地中心主塔楼结构体系组成图2. 结构健康监测的目的和意义建成后的武汉绿地中心主塔楼是超高层建筑的典型代表，是武汉市、乃至华中地区的标志性建筑。它的安全运营具有极其重要的社会意义和政治意义。建立相应的健康监测系统对保证结构在施工过程以及运营期间的安全、适用具有重大作用。1) 即时了解结构施工过程中的结构性状，实现对项目过程的有效控制；2) 监测武汉绿地中心主塔楼全寿命周期内的结构性状，发现荷载及结构响应的异常和结构损伤，确保结构的运营安全；3) 预警武汉绿地中心主塔楼的极端灾害事件，评判灾害事件造成的损伤程度及部位，为业主进行灾害应急管理提供决策依据；4) 为武汉绿地中心主塔楼结构运营阶段的检查和维护方案提供信息和依据；5) 实测获得的地震和结构动力响应将指导未来的超高层建筑设计，也为超高层建筑结构新技术的研究提供重要参考。3. 监测参考依据武汉绿地中心主塔楼结构健康监测系统的建立参考以下资料：岩土工程勘察规范 （GB50021-2001，2009年版）建筑抗震设计规范 （GB50011-2010）工程测量规范 （GB50026-2007）建筑变形测量规范 （JGJ8-2007）全球定位系统（GPS）测量规范 （GB/T 18314-2009）建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068-2001)建筑结构荷载规范(GB50009-2012)钢结构设计规范(GB 50017-2003)公共建筑结构监测技术规范（征求意见稿）施工总包单位的施工组织计划甲方提供的图纸及其他相关资料4. 监测系统的简介为实现武汉绿地中心大厦全生命周期不同阶段的结构性能监测，结构健康监测系统包括施工阶段监测系统及使用阶段监测系统。施工阶段性能监测系统的设计充分考虑了与使用阶段性能监测系统的相关性，各类传感器的布置在满足施工监测系统的要求下兼顾了结构使用阶段性能监测系统的要求。4.1 监测系统组成4.1.1 传感器系统传感器系统包括了所有感知结构环境、结构荷载、结构特性和结构响应的传感器元件及网络。传感器系统是结构健康监测系统最前端的部分。根据所测量物理量的不同，传感器可分为环境变化、荷载作用、结构特性和结构响应四种类型。通过传感器选型，所有传感器的选择不低于技术要求，在GPS位移传感器的选择上，还更保证了技术的先进性。所以，施工监控系统的特点是：传感器的技术参数先进可靠，其布设完全满足监测技术要求，且可用于运营期间结构监测，不影响工程施工，有严格可行的成品保护措施。4.1.2 数据采集与传输系统数据采集与传输系统包括了对传感器系统获得的信息进行采集和数据传输的网络系统。是结构健康监测系统中进行测量信息传输的部分。数据采集与传输系统由数据采集单元和数据传输网络构成。数据采集与传输系统的特点是：数据收集和传送系统技术先进，设备完善、可靠，数据采集不影响工程施工；信号传输过程中衰减少且不受外界影响；数据收集系统性能稳定、信号隔离好、满足多通道及高速采集要求，实施方案完备、合理。数据采集方案包括数据采集系统的硬件、软件以及它们的集成技术的选择和开发，同时包含不同类型信号的采集。我们分述如下。1) 数据采集硬件对于加速度传感器、风速仪和风压传感器等动态信号，由于其采样频率较大，传感器数量较多，数据量也随之急剧增加，分布式总线传输网络已经无法满足其传输需要，因此，我们选择基于板卡的集中式数据采集系统来满足信号传输的要求。其具有专用定时和同步线、有关环境和EMC（电磁兼容性）的测试性能。另外，PXI数据采集系统采用标准的微软公司操作系统，利用PXI构建的数据采集系统，可以提供更大的测试覆盖范围，并且缩短测试时间。高速的数据吞吐能力等完全满足传感器动态信号的采集要求。同时，为节省和简化布线，基于分布式的静态信号也可以通过具有RS485转换功能的PXI卡接入PXI系统，然后同其他信号一起接入现场工控机。整个系统硬件的总体结构框图如图4.1-1所示。本系统是一个开放的系统，兼容目前的所有PXIbus仪器，并可随时扩展，其多板同步触发总线的技术规范和多种同步机制保证了传感器信号的同步采集。本系统采用多机箱扩展总线MXI3来连接多个PXI机箱，最多可以连接254个底板，数据传输速率可达20Mb/s。图4.1-1 系统硬件的总体结构框图纵上所述，本硬件系统具有以下三个特点：开放性、扩展性、通用性，可满足绿地中心结构监测系统数据采集与传输系统的所有要求。2) 数据采集软件构造一个数据采集系统，基本硬件系统确定后，就可以通过不同的软件实现不同的功能，软件是数据采集系统的关键，选择正确的软件系统可以最大限度发挥硬件的性能，这种通过符合工业标准的高性能模块化硬件作为系统平台，与灵活的软件技术结合在一起，建立起功能强大的基于计算机的数据采集解决方案被称之为虚拟仪器技术。虚拟仪器技术充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供测量数据的分析和显示功能。用户可以根据自己的需要灵活组合，大大提高了使用效率，减少了投资，克服了传统数据采集的缺点。绿地中心结构监测系统采用Windows NT作为系统框架。Windows NT系统框架定义基于流行的IBM PC体系结构及其兼容机的系统，它规定了对系统控制器模块和PXI 外设模块的系统要求。在此基础上，系统软件结构与施工监测系统相同，如图4.1-2所示。图4.1-2 系统软件的总体结构框图系统结构自上而下分为应用程序层、仪器驱动层、和I/O接口层，应用程序层建立了使用仪器的可视化、交互式集成开发环境，提供了数据的显示、存储、分析以及和其他分析软件接口的功能；仪器驱动层保证了系统硬件在Windows NT框架下被正常驱动正常工作；VISA是系统软件的I/O接口层，VISA用作系统中PXI系统配置、插槽计数、触发总线的仪器特性的软件接口，并提供了PXI至所有传感器的连接。在上述系统软件结构中，应用程序层的开发软件的选择至关重要，这方面常用的软件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VB、VEE、BridgeVIEW等。其中美国NI 公司的LabVIEW虚拟仪器软件开发平台具有基于G语言的图形化的编程方式。与其他软件相比，它更容易创建功能强大而又灵活的仪器和分析应用程序是工程人员开发虚拟仪器常用的一种软件工具。它有以下特点：（1）具有图形化的编程方式，基于G 语言来开发；（2）提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数；（3）提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独具特色的执行工具，使程序的调试和开发更为便捷；（4）32位的编译器生成32 位的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行；（5）囊括了PCI、GPIB、PXI、VXI、RS232/485、USB 等各种仪器通信总线标准的所有功能函数；（6）提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如DLL、DDE、ActiveX等。绿地中心结构监测系统的数据采集与传输系统中采用LabVIEW作为程序开发台。4.1.3 数据处理与控制系统数据处理与控制系统直接对测量信息进行处理和分析，并在此基础上对结构运营状态进行动态显示。必要时进行结构控制，发布灾害预警信息。施工监控的一个目标就是及时根据测量得到的结果，对施工过程给出指导性建议。图4.1-3是本项目组对某工程的施工卸荷过程的杆件应力跟踪结果，由于准确的报告了卸荷的构件内力变化过程，得到了甲方的高度赞赏。图4.1-3 施工监控的数据处理与控制众所周知，传感器信号自传感器产生开始，到进入最终的数据处理系统需要经过A/D转换、传输、采集、存储以及处理等多个阶段，在这个过程中不可避免地会受到各种外部噪声、系统误差等的影响，并且由于其他原因，传感器本身有可能产生不正确的信号，因此，在这个过程中需要对数据进行各种必要的处理以保证最终数据的正确性。图4.1-4为数据处理的具体流程。下面对各部分逐一详述。图4.1-4 数据处理与存储流程1) 异常数据判断分析由于各种恶劣天气、空气湿度、雷电以及过往各种车辆等外界因素的影响，传感器子系统及其后续的硬件传输采集系统在运行过程中不可避免地会出现各种异常的工作状态，甚至出现故障，这些现象反应在计算机采集的数据上，就有可能出现诸如异常峰值、异常波动、信号微弱、信号超出测量范围以及无信号等现象，但这种情况下也不能排除此类现象为传感器对外界荷载的真实反应，因此，在数据进入计算机后，进行存储和处理之前，首先需要通过数据预处理模块。数据预处理模块的作用为，对短时间内频繁发生的异常数据进行报警，要求现场技术人员对查看现场状况，检查传感器的工作状态以及相应传输线路和数据采集硬件的工作状态，但采集系统仍正常工作。在此过程中，对偶然的，瞬时的异常数据一般不作处理和存储。通过这种机制可以极大缩小发现和处理问题的时间，最大限度的减少损失，对整个系统的安全可靠运行具有重要意义。2) 数据滤波去噪方法首先，在信号传输的所有中间环节中，任何电流的存在都会产生热噪声及其他噪声，产生信号的传感器和处理信号的仪器设备都能将这些噪声引入信号之中。其次，由于传感器受外部环境干扰源类型多而复杂，如交流电源及其谐波干扰，雷电、无线电等的射频干扰、电台电视台的信号干扰等等，因此，在数据进入数据库之前需要进行去除噪声预处理。通常情况下噪声可分为以下几种：（1）白噪声：白噪声，白噪声在所有场合下功率谱均是平坦的，但其幅值分布并不明确，任一白噪声函数的总功率与其自功率谱存在固定关系，白噪声还可细分为高斯白噪声和均匀白噪声。高斯白噪声最常见来源于电子仪器热噪声，其产生是不可避免的。（2）有色噪声：对统计独立的白噪声进行滤波，所得到的功率频谱的形状是由滤波器的传递函数来决定的，一般地说，数字滤波算法产生的样本与白噪声样本不同，它所产生的样本是相关的，具有非白色的频谱。低频成分较为丰富的称为红色噪声，高频成分较为丰富的称为蓝色噪声。（3）脉冲噪声：脉冲噪声（即突发噪声）是突然发生的一种噪声，如雷电，电火花等，其能量在时间上比较集中，它在数学统计上的分布规律比较复杂。这种噪声无论在数学描述或测量上均有困难，它不像高斯噪声那样为我们所认识，但这却是仪器仪表使用中常见的一种噪声。其他常见的还有诸如窄带随机噪声与宽带随机噪声等类型。从信号处理的角度来说，一方面由于噪声是一个随机过程，在这个过程中不管噪声已被观察了多少时间，都无法确定地推断出它的未来的瞬时值。另一方面，由于噪声能够用统计的方法加以描述，因而在某种程度上可以将混杂在有用信号中的噪声去除，或者说将信号从噪声中提取出来。分析信号特征以便去除噪声或进行其他后续分析，通常可以通过时域处理或频域处理来实现。在时域和频域里的信号处理主要包括以下内容：（1）谱分析和谱估计，用于分析频谱特征；（2）滤波，用来提取频谱感兴趣的部分；（3）采样数据的抽取和内查；（4）信号的相关分析。在信号处理领域中，以上各部分都有着密切的关系。其中，滤波技术常用来从噪声中提取感兴趣的信号，也可用来阻挡或允许信号中某些频率分量的通过。根据所要滤除的频率范围来分，滤波器可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器，我们可以根据所感兴趣的信号的特征来决定使用何种类型的滤波器。在本系统中，信号的滤波和去噪均通过硬件方式实现，即主要采用滤波器，加速度传感器和风速仪的数据应该硬件滤波后，再进入A/D卡，进一步进行错误数据的判断等，最后存入数据库中。4.1.4 结构性能评估系统结构性能评估系统是结构健康监测系统的核心部分。结合设计单位提供的结构设计信息、分析模型和监测系统获得的实测监测信息，系统应能够进行综合的精细化结构特性分析、结构响应预测、结构参数及损伤识别、结构性能评估及分析结果可视化。结构性能评估系统的特点是：系统及设备可靠先进，能详细分析原始监测数据，并对结构状况进行评估，评估方案及评估成果完备、详尽。结构性能评估系统的具体内容请见第8章。4.2 监测系统功能本项目设计的结构监测系统将实现如下功能目标： 能够对结构使用过程中的风速、风向、气温、湿度、气压等状态进行实时同步监测； 能够对结构使用过程中结构关键构件局部应变、结构楼层加速度响应、结构顶部风致位移状态进行实时监测； 能够对结构使用过程中的地震动及结构的局部风压进行实时同步监测； 可以对结构进行动力特性监测和状态识别，得到结构自振频率、振型、阻尼比等； 能够对结构在强风过程中的工作状态进行同步监测记录，并实时显示； 能够对结构使用过程中的应力超界、振动幅值超界进行报警； 能够对结构出现较大的动力特性改变进行报警； 能够实现结构响应状况连续稳定的监测； 具备数据挖掘功能，可对大量数据集进行寻找和分析，提取和校验数据、创建与调试模型、对数据模型进行数据查询以及维护数据挖掘模型的有效性； 中心数据库的数据管理功能（存储、打印、显示等）。5. 健康监测内容武汉绿地中心主塔楼结构健康监测主要包括两个阶段工作：施工过程的监测和运营阶段监测。监测内容主要包括：地震作用监测、风荷载监测、位移监测、加速度监测、温度监测、应变监测、标高监测、倾斜监测和沉降监测。5.1 荷载及作用监测5.1.1 地震作用监测通过在塔楼设置两台强震仪获得塔楼的平动地震动输入，以进行地震作用监测。一台强震仪放置于塔楼基础大底板的中央，一台强震仪放置在主体结构顶层的中心，用于自动记录地震在基础以及塔楼顶部的三个分量上的振动。第三台强震仪可放在周边的自由场上。如果该地区自由场上已布置强震仪，且可以根据需求提取得到数据，可以考虑共用自由场的强震仪，这样可以合理利用资源。地震作用监测应与结构的地震响应监测相结合，以建立起有效的荷载-响应关系，以及地震作用后结构的损伤识别及健康性态评估。5.1.2 风荷载监测布置风速监测传感器获得塔楼顶部不同方向的来流风速和风向数据。至少共配备2台风速仪（一台机械式，一台超声式）进行风速的监测。在建筑立面，应考虑沿建筑高度方向均匀设置适当数量的风压测量装置。风荷载监测应与结构的风致响应监测相结合，以建立起有效的荷载-响应关系，实现施工过程的结构应有姿态判别、强风灾害的预警，以及风荷载作用下结构的损伤识别及性态评估。5.1.3 温度监测观测塔楼环境的温度变化，包括日温度变化和季节温度变化。沿建筑物立面高度设置5个测量区，用以测量不同建筑高度的温度分布与变化；并且测点沿建筑的平面四周布置，用以测量不同建筑立面情况下的温度分布与变化。5.2 结构响应监测5.2.1 位移监测结构位移监测拟在塔楼主体结构的中心布置二个全球定位系统（GPS）。用于监测主体结构在风荷载以及可能产生的地震作用下的水平位移绝对值。沿塔楼高度方向，在关键楼层处布置倾角仪，用于监测房屋中心点处的水平位移，因此应布置在核心筒连续的竖向墙体上。同时结合加速度仪的布置，可以得到结构整体的实时响应，实时掌握结构的整体性状。5.2.2 加速度监测结构动力特性是反映结构性状的一个最重要、最直接的性能指标。在关键楼层布置加速度仪不仅可以获得结构的自振周期、频率以及阻尼，而且可以实时记录结构在风荷载、地震荷载作用下结构的反应。对于超高层建筑，前5阶反应及前15阶模态是最为重要的。因此，动力响应传感器数量及布置应能获取使用阶段状态下结构的前五阶X向平动、Y向平动和前三阶扭转，不少于15阶模态的周期、振型和阻尼比。5.2.3 应力应变监测测量塔楼关键构件的应变，关键构件包括：1) 伸臂桁架和环带桁架的关键部位的上弦、下弦和斜腹杆2) 典型层巨柱的钢骨、钢筋和混凝土，交叉斜撑与巨柱相连的应力复杂部位3) 典型层核心筒的角部暗柱、核心筒内埋钢板和混凝土的关键部位4) 典型层的角部暗柱钢骨、墙身钢筋和混凝土5) 巨柱间的交叉斜撑6) 特殊楼层的水平桁架、梁7) 穹拱及塔冠钢结构5.3 结构及构件状态监测5.3.1 标高监测在施工阶段，应采用适当的补偿技术修正建筑的初始楼面标高，使得最终的楼面标高与设计标高相一致，楼面标高补偿技术采用预测的方式进行。一方面，通过考虑材料时变效应的分析技术预测包括收缩徐变和基础沉降的长期变形量，以及结构竖向恒载引起的变形量，并在施工阶段楼面标高预留80%的长期变形量作为标高补偿；另一方面，通过对楼层施工时的楼面标高的监测，可以获得当前楼面标高的实际值。5.3.2 垂直度监测为准确了解和控制塔楼的垂直度，应对施工各阶段塔楼的倾斜度进行监测；且在布设垂直度监测网络时，应保证基准点的稳定性，并选择代表性的塔楼倾斜度监测点。5.3.3 沉降监测为准确了解和控制塔楼的沉降，各阶段应对塔楼的沉降进行监测。5.4 监测测点分区根据武汉地区的累年年各风向频率及其平均风速和最大风速图，如图 5.41，可知，东北方向的最大风速，平均风速以及风向频率都较大。而且武汉位于中国的中部，北半球地区建筑物南面属于朝阳面，在监测过程中需要考虑到西晒的因素。综上，在进行结构健康监测时，考虑结构的形式，将武汉绿地中心主塔楼的平面划分为六个区，A1、A2、B1、B2、C1、C2，具体分区如下图 5.42所示。在进行测点布置时，综合考虑风速、风向以及温度分布等的影响，选择A1区为应变重点观测区，测点尽量完满，其它分区适当减少测点；选择C1区为温度分布重点观测区，测点尽量布满，其它分区适当减少测点。图 5.41 武汉（57494）累年年各风向频率及其平均风速和最大风速图 5.42 F1F66层测区分区平面布置图6. 施工过程健康监测6.1 结构施工过程分析6.1.1 目的传统的结构设计理论是针对已建成的完整结构，一次性的施加运营阶段的各种可能的荷载，在此基础上完成结构或构件的验算。多数情况下，这种方法未考虑施工过程中结构的安全性以及施工过程中结构变形及内力的发展演变历程。因此，依据武汉绿地中心主塔楼结构的具体施工方案进行施工过程的模拟分析就显得非常必要。1) 确保施工过程结构的安全可控，为制定合理的结构施工方案提供理论佐证施工过程中结构的形体构成、边界条件、外部荷载等均在不断的发生变化，与传统结构设计所描述的结构状态不完全一致，甚至差异显著。因此，施工过程的模拟分析成为对传统结构设计的补充，根据模拟分析结果可以评价施工方案，保证施工过程的安全、可控，实现竣工结构满足设计要求的目的。2) 与监测结果相互印证、评估施工过程中的结构性状监测关注的是当前结构的实际现状。结构施工过程的模拟分析可以预测结构施工过程中的受力状态和几何形态，该理论分析结果作为标准指明了结构应有的状态，与监测结果进行对比、印证，就可以更全面、准确的评估结构的当前性状。当结构的实际状态与应有状态出现偏差时，经过偏差分析可以确定预期应调整的方向。3) 预测结构的响应规律，采取工程措施保证竣工结构满足设计要求塔楼结构在施工过程中会受到各种因素（如温度、风荷载、施工荷载以及混凝土收缩徐变等）的影响，特别是当塔楼建造到一定高度时，这种影响累积的结构位移会给结构初始安装姿态的确定带来困难，即构件的放样、制作将非常复杂。此外，不同区域结构变形的差异会使相关结构产生安装内力，这种安装内力也会为未来运营期的结构带来安全隐患。通过施工过程的模拟分析，预测结构的位形及内力响应规律，在此基础上，采取工程措施使竣工结构的几何形态和内力状况最大限度地逼近设计要求。6.1.2 方法结构施工过程的模拟分析首先要应用非线性有限元工具（如ANSYS、ABAQUS等）、依据设计资料建立精确的有限元模型，然后再根据具体的施工组织设计，制定相应的结构计算方案，借助多步骤分析、单元生死等功能，实现对结构构件的安装（或拆除）、施工荷载的变化、结构边界的转换等过程的模拟，从而预测施工过程中结构的变形及内力响应。6.2 施工过程监测的内容1) 风荷载监测 包括两部分内容，其一是指塔楼顶部在结构主体封顶至施工结束工程竣工阶段，针对建筑物所承受风荷载作用的监测。其二是指塔楼某部分在该部分施工结束至工程竣工期间内该部分建筑物在承受外部风荷载作用下的表面风压的监测。 2) 温度监测 设置五个温度测量层，本项监测是指施工全周期内，测量层各测量点在该层施工完毕至工程竣工阶段，针对结构表面和结构体内温度变化的监测。3) 位移监测 是指建筑物各个关键位移控制点，包括塔体以及塔顶等，在该关键点施工完毕至全部结构竣工期间内，各施工阶段该关键点各向位移的监测。 此项监测采用两种方法分别进行： GPS以及倾角仪系统。各种方法的监测数据进行对比分析与融合。4) 加速度监测 主要是指结构在竣工投入使用后，各加速度监测点随在结构运营期间加速度响应的监测。动力响应传感器数量及布置应能获取使用阶段不同结构状态下结构的X向平动、Y向平动和扭转，周期、振型和阻尼比。传感器类型以加速度计为主、辅以必要的速度及位移传感器作为校核。5) 应变监测 是指施工全周期内，测量层各监测点在该层施工完毕至工程竣工阶段，针对结构构件随施工过程应力应变的监测。6) 标高监测 是指施工全周期内，针对塔体各层各关键点随施工过程结构标高的监测。7) 垂直度监测 是指施工全周期内，针对塔体各关键点随施工过程垂直度的监测。8) 沉降监测是指施工全周期内，针对塔楼基础以及塔体各关键点随施工过程沉降的监测。6.3 施工过程风作用监测6.3.1 施工过程风速监测6.3.1.1 简述为了获得结构在风作用下响应的关键输入作用，进行风速的观测是至关重要的。施工阶段的风速监测不仅可以获得关键大风天气的风荷载的输入，也可以为结构性状的了解与结构响应的分析提供重要的参数。由于风速是一个复杂的随机过程，对于风速的观测一般需要了解三个方向的风速输入，因此针对风速的监测拟采用三维超声风向风速仪和机械风向风速仪。施工阶段由于结构高度在不断变化之中，因此测点的位置也随之不断变化。在有大风来临时，将测点布置在结构最高点。6.3.1.2 仪器设备 超声风速仪选择Gill WindMaster Pro 型超声风速仪。超声波风速仪的基本原理是利用超声波探头发射的超声波信息获得风荷载的相关信息。超声波风速仪可以测量脉动风及风的攻角，即可以得到脉动风的风速谱。Gill WindMaster pro 型超声风速仪是由英国Gill 公司生产，在航空、农业、体育等各个领域有广泛的应用。我们先后将其应用于多个工程实地的三维风观测，其特点是性能稳定、采样频率较高、分辨率高。Gill WindMaster pro 型超声风速仪外观如图 6.31所示，其主要性能指标列于表 6.31。三维超声风速仪的缺点是在大雨过程中，出现大量的误码，导致数据质量不高。图 6.31 Gill WindMaster Pro 型超声风速仪表 6.31 Gill WindMaster pro超声风速仪主要参数风速分辨率0.01m/sUV精度1.5%(20m/s)3%(20m/su60m/s)W精度3%风向分辨率1精度2(25m/s)4(25m/sd60m/s)机械式风速仪选择RM Young 05103，风速仪的主要参数如表 6.32所示。05103风速仪为美国RM Young公司生产，传感器在设计时考虑到了仪器的简单化和轻重量结构，使用的材料是刚硬的抗紫外热塑性塑料，不锈钢以及电镀铝。热塑性塑料可以抵抗来自海洋空气环境和大气污染的侵蚀。05103风速仪不受雨的影响，在大雨过程中能够正常使用。05103机械式风速仪的安装紧邻超声风速仪，如图 6.32所示。图 6.32 安装在大楼顶部的风速仪表 6.32 05103风速仪的主要参数项目参数风速范围0-100m/s精度0.3m/s风向0-360精度3温度5050采样频率10Hz模拟输出电流信号6.3.1.3 测点布置在施工阶段，为了保证测试数据的精确度，两种类型的风速仪将考虑安装在施工塔吊的顶部，获取大风条件下主塔楼所在位置的风速、风向、湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、湍流功率谱等边界层特性。6.3.1.4 监测时间和监测频率大风的监测与其他类型的监测不同，只有大风来临时对风进行实时监测才具有实际意义。因此对于施工阶段的风速监测采取有大风气候时进行观测，并初步以7m/s为风速监测的控制风速标准。6.3.1.5 监测系统布置 施工期间风速仪采用临时太阳能电池或蓄电池供电，采用相应数据采集设备进行数据的动态采集。风速仪有两种信号输出方式，一种为直接电压输出，另一种为直接输出RS485数字信号；由于前者需要外部激励电源，因此，本方案采用RS485 总线传输方式，因这种传输方式最远传输距离可达1200m。因此确定风速仪的设置位置距离数据采集设备的距离不宜超过1200m。6.3.1.6 设备安装与布线 设备的安装采用临时风速安装支架，固定在施工最高位置处。需要在施工位置最高位置处设置预埋件以固定风速安装支架。6.3.2 施工过程风压监测6.3.2.1 简述 结构上的风荷载，最终以风压的形式作用在结构上，因此针对风压的监测具有重要的意义。施工期间由于玻璃幕墙结构没有完全施工完毕，因此风压的监测只针对已经完工的玻璃幕墙部分进行。6.3.2.2 仪器设备风压传感器的性能指标主要包括精度、量程、频响特性、工作环境和重量。根据绿地中心的结构特点，风压传感器拟采用Setra268 型风压传感器，此类传感器具有尺寸小、高固有频率、抗震、抗冲击及宽温度范围等特点，是理想的风压实测产品；传感器样式如图 6.33所示，其性能指标列于表 6.33。风压传感器需要粘接在绿地中心大楼的玻璃幕墙上，直接测量记录局部风压。图 6.34所示的是在某超高层建筑结构上布置的风压传感器。当前绝大部分的风压传感器是差压型的，该类型传感器应用范围广。在差压型传感器布设时，由于每天大气压的波动范围很大，而台风天气更是如此，因此，差压参考点的选择变得至关重要。我们的做法是在大楼的女儿墙地下做一个可以透气的小盒子，可以保证盒子里面的气压与当前的大气压比较一致，同时，该参考气压有不受空气绕流的影响。图 6.33 Setra268 型风压传感器表 6.33 Setra268 型风压传感器的性能参数项目性能参数工作温度-18+65热零点漂移0.033%FS电压输出05V精度1%测量范围6001200mbar防水性具备图 6.34 安装与某超高层建筑结构顶部的风压传感器6.3.2.3 测点布置施工期间由于玻璃幕墙结构没有完全施工完毕，因此风压的监测只针对已经完工的玻璃幕墙部分进行。风压的测点布置，拟选择具有代表性的3层，分别为36层、66层、118层。平面布置则每层布置不少于12个测点，合计不少于36个测点。测点布置如图 6.35和图 6.36所示。图 6.35 第36、66层风压测点平面布置图图 6.36 第118层风压测点平面布置图图中表示风压测点布置位置。6.3.2.4 监测时间和监测频率 在相应测点布置位置处施工完成后，遇大风天气进行监测。并初步以7m/s为风速监测的控制风速标准。6.3.2.5 监测系统布置 风压监测系统由压力探头、微差压传感器、数据采集设备组成。风压传感器的信号类型为直接电压输出，其有效传输距离可达1000m，因此，可以直接接入数据采集卡。其信号传输介质为普通单芯屏蔽电缆。6.3.2.6 传感器安装 超高层建筑风压属于微压范畴，且具有脉动风压的特征。因此，压力传感器宜选用微压量程、具有可测正负压的压力传感器。微差压传感器安装在玻璃幕墙内侧，如下图所示。但是其传感器探头必须垂直于玻璃幕墙面安装在外侧，探头与微差压传感器通过具有抗老化的软管连接，同时微差压传感器的另一个探头则布置在室内。因此必须在探头安装专用保护罩，保护罩底部开有前腔排水孔以避免前腔水压的影响。信号及电源线采用4芯扁排线，背压腔参考压力管采用1.8mm医用硬塑胶管，整个传输线可无阻碍地通过幕墙窗的密封垫进入室内。风压测点安装示意见图 6.37。图 6.37 风压测点安装示意图6.4 施工过程温度、湿度及气压监测6.4.1 简述对于超高建筑结构，由于日照变化、季节变化、空调因素等将可能使某些构件产生很大的温度应力，为了准确的把握结构构件的温度变化以及由此产生的结构内力效应，需要在构件上布置温度传感器观测塔楼环境的温度变化，包括日温度变化和季节温度变化。温度计的设置及数量应能够反映塔楼高度方向和塔楼周边的温度主要分布情况。6.4.2 仪器设备为了传感器布设方便，温度、湿度和气压的观测位置可以与风速仪位置临近。温、湿和气压的监测选择VAISALA PTU200温湿压一体变送器，如图 6.41所示。VAISALA PTU200 温湿压一体变送器的主要性能参数如下表 6.41所示：表 6.41 VAISALA PTU200 温湿压一体变送器的主要性能参数表项目性能参数温度测量范围-40+60湿度测量范围0.8 . 100 %RH气压测量范围500 . 1100 hPa图 6.41 VAISALA PTU200温湿压一体变送器6.4.3 测点布置温湿压一体变送器需要按照考虑季节温差、日照温差、应变补偿等原则进行布设。拟采取测点布置原则如下：1) 沿建筑物立面高度第14、36、56、87、118层设置温度、湿度及气压测量区。共计5个测量层，用以测量不同建筑高度的温度变化。 2) 建筑物各立面分别设置温度、湿度及气压测量点，用以测量不同日照情况下的温度、湿度及气压变化。巨柱的室内与室外表面分别各布置一个温度、湿度及气压测点，用于测量巨柱的温度变化。核心筒中部布置一个温度、湿度及气压测点，用于测量核心筒的温度、湿度及气压变化。 3) 综上，共需布置温度、湿度及气压测量点104个。测点布置如下图 6.42、图 6.43、图 6.44所示。温度、湿度及气压立面监测区分布见下图：图 6.42 温度、湿度及气压立面监测区分布图第14、36、56、87层温度、湿度及气压测点平面布置图如下：图 6.43 第14、36、56、87层温度、湿度及气压测点平面布置图第118层温度、湿度及气压测点平面布置图如下：图 6.44 第118层温度、湿度及气压测点平面布置图图中表示温度、湿度及气压测点，每个测点布置一个温湿压一体变送器。6.4.4 监测时间和监测频率某温度、湿度及气压测量层施工完毕后，即开始针对该层温度、湿度及气压测点进行不间断的温度、湿度及气压测量，测量频率定为5天/次。6.4.5 监测系统布置温度、湿度及气压测量系统为传感器子站总站的数据传输形式。共设置5个温度测量层，分别为第14层、第36层，第56层，第87层以及第118层。温、湿度及气压传感器的信号类型为直接电压输出，其有效传输距离可达1000m，因此，可以直接接入数据采集卡。其信号传输介质为普通单芯屏蔽电缆。6.5 施工过程位移监测（GPS部分）6.5.1 简述位移监测的目的在于掌握塔楼结构的几何变化，研究塔楼的水平位移与环境变化（如温度和风）的关系。结构水平位移特别是顶部的水平位移对结构的稳定性起着至关重要的作用，影响结构的安全。所以施工过程中水平位移监测是一个重要环节，应确保结构的水平位移在规范要求的范围内。根据高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ32010），高度大于250米的高层混合筒体建筑，按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比不宜大于1/500。 6.5.2 仪器设备对加速度信号积分，可以得到结构的动位移。至于如何得到结构的绝对位移（包括静位移、动位移和不均匀沉降），采用普通的监测手段将遇到选择参照物的困难。当前发展起来的全球定位系统（GPS）可以很好地解决该问题。GPS的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向和时间信息。GPS技术具有精度高、速度快、全天候、连续、同步、全自动，且能同时获得3维坐标等优点。在本项目中，将采用全球定位系统来测量结构在风作用下的位移。我们拟采用的GPS系统是由瑞士徕卡公司的GMX902监测型GPS接收机，GMX902外观如图 6.51所示，GMX902的主要性能指标如下：图 6.51 GMX902样图 24通道LlL2码和相位测量引擎； 20Hz GPS数据采样率，不间断的原始数据流； SmartTrack技术(敏捷卫星信息跟踪技术)； 坚固小巧(按军方规范设计)； 防水(IP67)，抗震动； 静态精度：1mm0.5ppm(水平)；2mm1ppm（竖向）本项目采用1+2型GPS 监测方案，即一个固定站（基站）和二个移动站。当结构施工到相应监测楼层时，在结构刚度中心及角部各布置两个移动站，用来测试结构的整体水平位移。由于结构的运动除了两个方向的水平平动外还可能有绕中心的扭转，根据两个测点的测试结果可以计算出结构的扭转相应。固定站的安装标准要求很高，需要选择距离移动站600m之内一个开阔场地采用挖坑深埋方式布设固定站，作为移动站的差分参考。如果工地现场的条件不够，可以考虑直接采用当地政府的大地监测网络基准站，通常他们具有更高的安装精度，一般数据的获得需要付费。图 6.52所示的是我们在某超高层建筑结构顶部安装的GPS移动站。移动站安装在结构上之后，结构一直在振动，因此，移动站的零点选择也是比较困难的。零点的标定可以采用如下步骤实现：振动位移可以通过加速度计和激光位移计，通过振动台给出不同频率和振幅的振动，然后由测到的GPS振动位移与加速度计和激光位移计测到的振动位移相比，从而验证GPS测定振动位移的精度。用同样的方法，通过激光位移计测到的平动位移（平均位移）验证GPS的平均位移精度。零点标定的实现框图如图 6.53所示图 6.52 安装在某超高层建筑楼顶的GPS移动站图 6.53 GPS 移动站零点标定示意图6.5.3 测点布置由于本结构超高，建筑地面的 GPS 参考站信号会被周围建筑阻挡；因此本项目拟在塔楼开阔场地不动点处布置1个GPS参考站，其与2个GPS流动站组成一个完备的GPS 观测环路，以提高GPS观测的可靠性，GPS在平面的布置点如图 6.54。当结构施工到相应监测楼层时，在所监测楼面中心处和外筒各布置一台GPS观测站监测结构的水平方向位移。结构的测试楼层主要为10个加强层。由于结构的运动除了两个水平方向平动外还可能有绕中心的扭转，根据中心点和外筒测量得到的运动可以计算出结构的扭转。图 6.54 GPS测点平面布置图图中表示GPS测点布置位置。6.5.4 监测时间和监测频率在施工阶段，位移监测楼层施工完成时需对变形进行测量。在进行加强层施工时，变形数据观测间隔不应少于5天。结构封顶至所有上部荷载施加完毕，变形观测间隔不应少于1个月。施工期间基本原则是不布线或尽量少布线。测试时根据需要采用独立监测系统，数据线直接接入测点旁的电脑中。一层测区一台电脑，一个楼层若有多个测点，可根据情况确定一台或多台电脑，数据线不跨越楼层。若采用总监测系统，加速度仪设在子站所在楼层，布线通过数据线槽一并接入子站，然后统一传递到总站。6.5.5 仪器的安装GPS接收机和GPS参考站安装在安全和有保护装置的位置并进行避雷保护。GPS天线的位置应当仔细选择，避免由于电缆、障碍物等引起多路径影响。施工阶段，由于施工平台可能会屏蔽GPS信号，因此需对GPS流动站加装信号接收天线放大器，以保证接收数据的可靠性和准确性。GPS天线与数据采集系统之间是波特率为115200的光缆来进行传输。施工期间基本原则是不布线或尽量少布线。测试时根据需要采用独立监测系统，光缆直接接入测点旁的电脑中。 6.6 施工过程位移监测（倾角仪部分）6.6.1