城市重要建筑物安全性中的动态变形监测技术与安全评估2007.07.15.

1、 城市重要建筑物安全性中动态变形监测技术与评估上海浦西第一高楼，建成后将超过双子塔成为世界第一高楼.主体建筑高达高到492米，塔楼为地上101层，总建筑面积381600平方米。合计人民币约70亿元。 上海世茂国际广场的11至60层为五星级世茂皇家艾美酒店(内设710余套豪华套房)。其-1至10层则定位为南京路上全新高档购物中心，涵括系列餐饮、娱乐等功能。底层商场临南京路沿展 165米，配以高雅的室内空间设计及琳琅满目的商品，俨然成为南京路又一购物天堂。伫立上海世茂国际广场，登高远眺，上海滩万种风情跃然呈现。 上海世茂国际广场上海世茂国际广场新中央电视台新中央电视台新中央电视台(世界第三大电视台

2、,位于北京)荷兰库哈斯设计 地处东三环路以东、光华路以北、朝阳路以南，CBD规划范围内。中央电视台新台址用地面积总计187，000平方米，总建筑面积约55万平方米,最高建筑约230米，工程建设总投资约50亿元人民币。中央电视台新台址建设工程确定采用荷兰OMA的设计方案。专家评委认为这一方案不仅能树立CCTV的标志性形象，也将翻开中国建筑界新的一页。 南宁地王国际南宁地王国际地王国际，西南第一高楼，高276米58层，定位于南宁唯一国际5A甲级纯写字楼。 总投资：5亿元 新首都机场新首都机场主航站楼工程是首都机场扩建工程的核心部分，位于首都机场东跑道东侧。是具有世界一流功能和特色的现代化超大型航空

3、枢纽，建筑面积为28万平方米，地下两层，地上5层，建筑高度45米，结构类型为钢筋混凝土及钢结构设计，标段总价为48亿元人民币。 位于北京市郊顺义县天竺镇首都国际机场内，工程建筑面积335万平方米，占地面积约10万平方米，建筑物平面呈工字型，南北长747米，南北指廊东西宽343米，中央大厅东西宽121米，单层面积达9万平方米。 新航站楼的南、北、东侧共设有36个登机桥，可同时停靠36架飞机。楼内设自动步道、自动扶梯、配有168个办票柜台、设有行李自动分检、安全检查、楼宇自动化控制、内部通讯等先进的机场管理系统。 据悉，工程将于28日破土动工，2007年9月建成。根据设计规模，到2015年，新航站

4、楼可满足年旅客吞吐量3500万人次的需要。届时，扩建后的首都机场年旅客吞吐总量可达到6000万人次，货邮吞吐量180万吨，飞机起降50万架次，高峰时每小时飞机起降124架次。 国际游泳中心国际游泳中心2008年奥运会期间，国家游泳中心承担游泳、跳水、花样游泳、水球等比赛，可容纳观众坐席17000座，其中永久观众坐席为6000座，奥运会期间增设临时性座位11000个(赛后将拆除)。赛后将建成为具有国际先进水平的、集游泳、运动、健身、休闲于一体的中心。 国家游泳中心的设计方案，是经全球设计竞赛产生的“水的立方”（H2O3）方案。该方案由中国建筑工程总公司、澳大利亚PTW建筑师事务所、ARUP澳大利

5、亚有限公司联合设计。易于赛后运营。 国家游泳中心由北京市国有资产经营公司负责建设、管理和运营，将于2003年年底开工，工程总工期计划3年，计划总投资1亿多美金，2006年底前完工并投入试运行，接受国际游泳联合会和国际奥林匹克运动委员会的检查和验收。国家游泳中心位于北京奥林匹克公园内，2008年北京奥运会标志性建筑物之一。其与国家体育场分列于北京城市中轴线北端的两侧，共同形成相对完整的北京历史文化名城形象。国家游泳中心规划建设用地62950平方米，总建筑面积65000- 80000平方米，其中地下部分的建筑面积不少于15000平方米。 北京国家体育馆北京国家体育馆 国家体育场国家体育场-鸟巢鸟巢

6、国家体育场总投资额约为31.3亿元人民币，作为2008年北京奥运会的主体育场，“鸟巢” 总建筑面积25.8万平方米，占地20.4公顷，地上高度69.21米。整个建筑造型呈椭圆形马鞍形，混凝土结构主体分地下一层，地上七层，组成三层碗状斜看台，可容纳观众9.1万人。 将承担2008年奥运会开幕式、闭幕式、田径比赛、男子足球决赛等重要奥运赛事活动。预计2007年完工。 南京朗诗城市南京朗诗城市广场广场南京朗诗城市广场总用地面积32778.7平方米，总建筑面积22万平方米左右。城市广场设有超高层纯写字楼、星级酒店和高档商业，主楼高达228米，地上建筑层数为45层。整体设计遵循优雅简洁的原则。外观品位高

7、雅，超高层主楼采用闪亮的玻璃立面，顶端是四扇独立的玻璃墙。 总投资20亿元左右。武汉天兴洲长江大桥武汉天兴洲长江大桥 正桥全长4657米。公路桥为双向6车道，设计时速80公里/小时，主跨504米，主塔高189米，是世界上跨度最大的公铁两用斜拉桥，其中铁路桥可并排跑四列火车(两条客运线和两条货运线)。该桥因其独特的设计和特有的施工难度，被桥梁界誉为跨江桥的里程碑。 总投资：30多亿元 2008年完工武汉第六座长江大桥。 国家大剧院国家大剧院 国家大剧院工程位于北京人民大会堂西侧，西长安街以南，总占地面积11.893公顷，总建筑面积149520平方米，总投资额26.88亿人民币。主体建筑由外部围护

8、钢结构壳体和内部2416个坐席的歌剧院、2017个坐席的音乐厅、1040个坐席的戏剧院、公共大厅及配套用房组成。外部围护钢结构壳体呈半椭球形，其平面 投影东西方向长轴长度为212.20米，南北方向短轴长度为143.64米，建筑物高度为46.285米，基础埋深的最深部分达到-32.5米。椭球形屋面主要采用钛金属板饰面，中部为渐开式玻璃幕墙。椭球壳体外环绕人工湖，湖面面积达35500平方米，各种通道和入口都设在水面下。 国家大剧院高4668米，比人民大会堂略低332米。但其实际高度要比人民大会堂高很多，因为国家大剧院地下的高度有10层楼那么高，其60的建筑在地下。 总投资：27亿元 2008年完工

9、 设计：Paul And reuandADP 武汉琴台文化艺术中心武汉琴台文化艺术中心琴台文化艺术中心总建筑面积6万平方米，主要包括1800座的大剧院、1600座的音乐厅和附属设施。与大剧院隔湖相望的文化广场由亲水平台、临水舞池和园林绿化组成，可同时容纳3万人观赏演出。建成后，它将成为占地达到2.15平方公里的文化艺术中心 。 总投资：5.6亿元 在强凤、强震在强凤、强震 作作 用下的振动和动态用下的振动和动态 变形监测与安全评估变形监测与安全评估高层建筑物在强风、强震作用下 振动和动态变形振动和动态变形监测系统监测系统建立的建立的目的和意义目的和意义 虽然，城市的高程、超高层建筑物都有详虽然

10、，城市的高程、超高层建筑物都有详细的理论设计参数细的理论设计参数.而且，还有遭受地震和台而且，还有遭受地震和台风时大厦理论振动的参数值风时大厦理论振动的参数值. 但是，这些建筑物但是，这些建筑物,在长期营运过程中，不在长期营运过程中，不断地受到地质条件的变迁、地震、强台风、断地受到地质条件的变迁、地震、强台风、地下水的变化和地层的沉降不均等因素的变地下水的变化和地层的沉降不均等因素的变化，使这些建筑物偏离原理论设计参数化，使这些建筑物偏离原理论设计参数, 导致建筑物受到结构性的损伤导致建筑物受到结构性的损伤.严重严重地影响建筑物的安全运行地影响建筑物的安全运行. 中国内地城市的高层、超高层建筑

11、众多中国内地城市的高层、超高层建筑众多. 尤其像上海、北京、深圳等大、中城市高层建尤其像上海、北京、深圳等大、中城市高层建筑云集筑云集.长期营运期间对影响建筑物安全的监长期营运期间对影响建筑物安全的监测，特别是大厦的振动和动态变形监测的重要测，特别是大厦的振动和动态变形监测的重要性还未被紧迫地重视性还未被紧迫地重视. 随着自然灾害对人类生产、生活的袭击随着自然灾害对人类生产、生活的袭击愈来愈频繁，造成的损失愈惨重愈来愈频繁，造成的损失愈惨重.严峻的形势，严峻的形势，迫使人们的安全意识要不断地提高迫使人们的安全意识要不断地提高,确保高层、确保高层、高层及重要建筑物的营运安全，就愈来愈被人高层及重

12、要建筑物的营运安全，就愈来愈被人们关注们关注.必将也成为政府、管理者关心的重要必将也成为政府、管理者关心的重要视点视点. 观测系统不但可以对国内、外超高观测系统不但可以对国内、外超高层建筑设计有指导和参考价值，有利于以层建筑设计有指导和参考价值，有利于以后同类结构的设计后同类结构的设计. . 事实上事实上, ,这项工作为同类结构设计这项工作为同类结构设计和建筑和建筑, ,在现实环境中做了在现实环境中做了 “地震模拟实地震模拟实验验”和和 “ “风洞实验风洞实验”.”. 与此同时，这项工作的开展对灾害与此同时，这项工作的开展对灾害定量预测、安全评估有极为重要的意义定量预测、安全评估有极为重要的意

13、义. . . 能为政府及大厦营运管理部门预先了解地能为政府及大厦营运管理部门预先了解地震、风力或沉降不均等对筑筑的影响程度震、风力或沉降不均等对筑筑的影响程度,有利有利于对灾害或事故处理的正确决策，防于对灾害或事故处理的正确决策，防 范于未然范于未然. 2005年，该观测系统首先在某大厦实验成年，该观测系统首先在某大厦实验成功功.这是国内、外首次对高层建筑物用动态变形这是国内、外首次对高层建筑物用动态变形连续监测方法，对高程建筑物进行整体监测和安连续监测方法，对高程建筑物进行整体监测和安全评估全评估.为该领域的安全监控和评估提供了的新为该领域的安全监控和评估提供了的新途径和新方法并取得预期更好

14、的效果途径和新方法并取得预期更好的效果 随着现代科学技术的进步和科技成果社会化应用，高层和超高层建筑物的振动与动态变形的监测和安全评估系统的实现就成为可能. 我们运用数十年来在地学灾害防御和对策研究在国内、外实践而聚集的经验，经过再创新，研制成功高程建筑物的振动和动态变形监测与安全评估系统.该系统涉及到传感技术、数据技术、通讯技术、光机电一体化等方面的研制，在软件的支撑下的，集现代一些科技成果应用、有关学科成果的有机组合和创新的产物. 对对超级高层大厦，进行实际振动和动态变形的超级高层大厦，进行实际振动和动态变形的观测和分析观测和分析, ,不仅可检验实际观测结果与理论设计不仅可检验实际观测结果

15、与理论设计的偏差的偏差, ,而且还可检测大厦自身结构在运营中的安而且还可检测大厦自身结构在运营中的安全性能全性能. . 观测系统对某大厦这样的构筑物进行长期动态连续变形监测，通过大量的观测数据和理论模拟计算,可预测一些强地震、强风力对高层建筑物结构的损害和内部家具、设备倾覆程度. 特别是特别是20052005年某大厦经受多次强台风年某大厦经受多次强台风的侵袭过程的动态变形监测，获得大量而又的侵袭过程的动态变形监测，获得大量而又十分宝贵的实时数据，对大厦的结构状态安十分宝贵的实时数据，对大厦的结构状态安全性分析和评估具有重要的意义全性分析和评估具有重要的意义. .启动我国在启动我国在该领域发展该

16、领域发展, ,填补空白填补空白. . 此项工作的开展在经济效益方面有重要的意义和较高的商业价值. 例如，美国提供给某超高层大厦设计方面例如，美国提供给某超高层大厦设计方面的有关观测数据开价就高达上百万美元的有关观测数据开价就高达上百万美元. .本项本项课题的开展课题的开展, ,积累一定量的原始观测数据提供积累一定量的原始观测数据提供给国内给国内( (甚至国外甚至国外) )使用单位使用单位, ,相信也会有较好相信也会有较好的经济利益的经济利益. . 另外另外, ,由于本系统首次应用在高层建筑由于本系统首次应用在高层建筑物的安全监测评估中，它获得的可信数据，物的安全监测评估中，它获得的可信数据，引

17、起了国际著名的超高属层建筑物设计专家引起了国际著名的超高属层建筑物设计专家的关注和重视的关注和重视. . 例如，美国例如，美国SOMSOM高层建筑设计事务所的高层建筑设计事务所的总裁总裁MarkMark先生先生( (美国希尔斯大厦，中国该大美国希尔斯大厦，中国该大厦设计负责者厦设计负责者) )对该大厦开展本系统的监测对该大厦开展本系统的监测而敬佩，认为这是一项十分有益的创新而敬佩，认为这是一项十分有益的创新. .监测系统监测系统建立的建立的内容与构建内容与构建 对大厦的振动和动态变形观测的对大厦的振动和动态变形观测的 工作内容工作内容 1 .1 .在该大厦楼层核心筒旁承重墙在该大厦楼层核心筒旁

18、承重墙( (弱电井内弱电井内) )上安装自主上安装自主研制的伺服加速度器为传感的倾变数字化监测系统，进行连续研制的伺服加速度器为传感的倾变数字化监测系统，进行连续观测观测. .以便能得到在不同风速下（甚至地震）振动位移数据资以便能得到在不同风速下（甚至地震）振动位移数据资料料. . 2 .2 .计算出其前三阶振型及其频率和阻尼比计算出其前三阶振型及其频率和阻尼比, ,并与理论设计并与理论设计值进行对比值进行对比. . 3 .3 .对该大厦进行对该大厦进行“粗指纹粗指纹”健康诊断健康诊断. . 4 .4 .通过多次台湾地震通过多次台湾地震, ,计算上海软土层面波的地震动响应计算上海软土层面波的地

19、震动响应, ,预测当台湾发生预测当台湾发生8 8级大震时级大震时, ,像引起多大的振动像引起多大的振动? ?对之作一个比对之作一个比较准确、符合实际的估计较准确、符合实际的估计. . 上述四项工作中上述四项工作中, ,最重要的是第一项工作最重要的是第一项工作, ,即建立即建立观测系统观测系统, ,积累原始观测资料积累原始观测资料. . 系统构成系统构成为测量大厦在大风、特别是台风作用下大厦的飘动位移，在大厦的不同高度设置了10个测点，每个测点2个测向（X、Y向）,配置2台量程和灵敏度一致的测倾传感仪器,记汞大厦各高程瞬时倾角变化.以电信号输出相对应的数据，经电缆集中传送至数据观测室.进行数据显

20、示观测或数据远传.数据采集仪高速采集，并存贮于两台工控机中.一台工控机屏幕实时显示大楼各测点倾斜波形;另一台工控机屏幕实时显示大楼摆动情况及其矢量图.数据存储是热备份的.只要两台电脑不同时出现问题,观测数据是连续的、安全的。 通过已有的观测资料,尽可能地给出对上海有较大冲击的，潜在区域发生的强地震对该大厦的影响. 观测系统的建立观测系统的建立 该该大厦在强风中摇摆飘移的位移较大大厦在强风中摇摆飘移的位移较大. .根根据设计理论值据设计理论值, ,最大位移单振幅达最大位移单振幅达0.70.7m m左右左右. .目前目前, ,常用的位移测量方法大都达不到此量程常用的位移测量方法大都达不到此量程.

21、.也记录也记录不到大厦的振动不到大厦的振动. . 通过高速、连续采集大厦倾角变化的测量通过高速、连续采集大厦倾角变化的测量，得到大厦的瞬间而又连续的水平位移和振动数，得到大厦的瞬间而又连续的水平位移和振动数据据. .在软件支撑下，经过在软件支撑下，经过PCPC机的实时计算和分析机的实时计算和分析，为实现观测系统对大厦的实时，为实现观测系统对大厦的实时“诊断诊断”、事后、事后“会诊会诊”创建基础创建基础. .系统的构建内容系统的构建内容1. 大厦内十个不同高程的楼层布设测点大厦内十个不同高程的楼层布设测点 GK-05D型传感器型传感器.2. 设制共设制共24通道的专用通道的专用GK-12D型数据

22、采集系型数据采集系统统.3. GPS时间服务系统时间服务系统.4. A/D数采显示工控系统数采显示工控系统.5. 程控电讯网络数据传送系统程控电讯网络数据传送系统.6. 远程控制和指挥系统远程控制和指挥系统7. 软件支撑系统软件支撑系统. GK-10D型倾角传感器型倾角传感器该仪器是利用铅重摆的瞬时惯性的原理，实现对大厦的长期、连续变化的振动观测.当物体倾斜变化时，其变化量通过前置放大器转换为相应的电量输出，来实现大厦倾斜变化连续观测.。传感器的标定 GK12 D型数据采集仪型数据采集仪 主要技术参数主要技术参数 通道数：8位数：16量程：10V放大倍数：1、2、4、8程控采样率：(每秒每秒1

23、0次、次、20次、次、50次、次、100次程控次程控,自由选择自由选择) 数据采集仪各单元功能数据采集仪各单元功能 * *电平转换器电平转换器将倾斜仪的双端输出信号转换为单端输出信号； * *滤波器滤波器-滤除信号中的高频噪声； * *直流稳压电源直流稳压电源提供倾角仪所需12V电源及电平转换器所需的5V电源； * *脉冲开关脉冲开关将工控机每天发出的一个脉宽1秒的脉冲转换为开关信号，使调制解调器复位，以免死机。A/DA/D数采卡数采卡 1.功能功能在软件支持下，A/D数采卡将20路输入信号按设定采样率依次进行A/D转换，并将转换后的数字信号,送入存贮器.以供数据处理软件实时调用。 2.主要技

24、术指标主要技术指标 模拟输入通道数：24 模拟电压输入范围：10V 模拟输入阻抗：100M 程控放大器增益：1、2、4、8 A/D分辨率：16位 程控采样率：10、20、50、100次/秒/每通道 3.输入插座定义输入插座定义 37芯D型插头/座 A/D数采显示工控机数采显示工控机功能功能A/D数采实时图形显示数据存贮接收GPS授时远程通讯调制解调器复位脉冲 Jupiter GPS授时接收机授时接收机授时精度：授时精度： 10-6 输出口：输出口： RS232 2个个 天线长度：天线长度： 30M 供电：供电： 12V 功耗：功耗： 2.6W调制解调器调制解调器 波特率：波特率：9600 输出

25、口：输出口：RS 232 供电：供电： 12V 系统软件系统软件波形图实时显示软件矢量图实时显示软件数据回放软件通讯控制软件GPS授时软件软件简介软件简介 1. 大厦倾斜变化波形图软件 2. 大厦倾斜变化矢量图软件 3. 大厦倾斜变化远程控制软件 4. GPS时间同步软件时间同步软件 5. 大厦倾斜变化数据回放软件大厦倾斜变化数据回放软件 6, 大厦倾斜变化文件格式转换软件大厦倾斜变化文件格式转换软件 7. 阿尔泰阿尔泰A/D卡卡PCI总线驱动软件总线驱动软件示例:GK系列系列动态变动连续监测技术动态变动连续监测技术在超高程建筑物安全监测方法的在超高程建筑物安全监测方法的综合应用综合应用 数据

26、指挥控制中心数据指挥控制中心 数据及控制中心位于埔西的数据数据及控制中心位于埔西的数据控制中心控制中心内内( (与大厦与大厦相距数十公里以远相距数十公里以远).). 中心可通过主控计算机、调制解调器、电话线与大厦中心可通过主控计算机、调制解调器、电话线与大厦工控机进行通讯控制，掌握系统运行状况并可对参数进行工控机进行通讯控制，掌握系统运行状况并可对参数进行修改。修改。 系统设置有系统设置有GPSGPS授时接收机，服务精度为授时接收机，服务精度为1010-6-6。 系统配置的数据回放软件可对取回的大量数据以系统配置的数据回放软件可对取回的大量数据以1 11010倍的速度进行回放，便于进行后期数据

27、处理研究。倍的速度进行回放，便于进行后期数据处理研究。 上海上海一般在风作用下的振动在风作用下的振动所谓一般风力指除热带风暴和台风以外的各种风向的风力.包括雷阵雨的短时阵风.遗憾的是该大厦周边“自由场”自地面至高处的梯度风速场没有观测数据.事实上,较清楚地了解和掌握其周边风速场是困难的.因为,它的周周有许多幢高层建筑,受它们的影响,风速场中风速及方向变化多端因此给出的风速数据只是气象台给出的上海地区大范围的平均风力级数. 在一般凤力下的振动在一般凤力下的振动各风力大小下对应的最大位移(X和Y方向的合成位移):风力大小最大合成位移(单振幅)56级级 13.8cm 89级级(雷雨时阵风雷雨时阵风) 49.6cm在麦莎台风作用下的振动在麦莎台风作用下的振动 20052005年第年第9 9号台风号台风“麦莎麦莎”（MATSAMATSA）。）。8 8月月5 5日