中心健康监测方案书

深圳大梅沙万科中心

结构施工监测与运营健康监测方案书

哈尔滨工业大学深圳研究生院

中国建筑科学研究院

中建国际（深圳）设计顾问有限公司

2007年10月23日

目录

1.工程概况..............................................................1

1.1.建筑概况..........................................................1

1.2.结构概况..........................................................2

1.3.工程复杂性和超限情况..............................................3

1.3.1.平面不规则及扭转不规则结构...................................3

1.3.2.大悬挑结构...................................................4

1.3.3.大跨度连体结构...............................................4

1.4.施工过程分析......................................................5

1.5.振动分析..........................................................6

1.6.温度应力分析......................................................6

1.7.竖向舒适度分析....................................................7

2.结构施工监测与健康监测系统的设计原则和总体方案........................8

2.1.结构施工监测与运营健康监测系统的目的、功能和内容..................8

2.1.1.施工监测与健康监测系统的设计等级、功能和目标.................8

2.1.2.结构施工监测与运营健康监测的内容.............................9

2.2.传感器及测量仪器选型与布设原则...................................10

2.2.1.传感器及测量仪器选型原则..................................10

2.22传感器测点及位移控制点选取原则..............................18

2.3.数据采集与传输系统的设计原则.....................................20

2.4.系统的可维护性、可升级性和兼容性设计原则.........................20

2.5.万科中心施工监测与健康监测的总体方案.............................20

3.施工监测系统设计方案.................................................22

3.1.施工顺序和施工中及施工后构件位移控制标准.........................22

3.1.1.关于后浇带..................................................22

3.1.2.本工程各部分施工顺序........................................22

3.1.3,其他........................................................23

3.2.传感器的测点布设位置.............................................24

3.2.1.施工阶段结构受力特点分析....................................24

3.2.2.施工阶段监测................................................25

4.结构运营健康监测系统设计方案.........................................43

4.1.传感器测点布设...................................................43

4.1.1.应变传感器的布设............................................43

4.1.2.加速度传感器的布设..........................................43

4.1.3.运营健康监测系统的传感器汇总................................44

4.2.数据采集、处理与传输系统.........................................44

4.2.1.数据采集硬件................................................44

4.2.2.数据采集软件................................................46

4.2.3.数据处理与存储方案..........................................48

4.2.4.数据传输方案设计............................................50

4.3.结构健康诊断.....................................................52

4.4.结构健康监测控制中心.............................................52

4.4』.健康监测控制中心的选址依据..................................52

4.4.2.本项目监控中心拟定位置......................................53

1.工程概况

1.1.建筑概况

万科总部中心工程位于深圳市大梅沙海滨，总用地面积61,730nl2,总建筑面积

137,116nl2。本项目的设计概念为：漂浮的地平线一一位于最大化景观园林之上的水平向

超高层建筑。本工程建筑方案为若干个巨型筒体（边长约10m）及实腹厚墙、落地柱支撑起

上部4〜5层结构，在底部形成了连续的大空间。整个建筑物漂浮在离地面10〜15m的空

中。建筑物的一部分用于酒店及住宅，另一部分用于万科总部办公。地面用于绿化、商

业及广场等。有一层地下室，用于停车及各种服务设施。地上结构下方有地下室处，竖

向支撑构件均伸入地下室中直到基础；左右两侧部分地上结构下方没有地下室的，竖向

支撑构件下方为承台及桩基。图L1和L2分别给出了万科中心建筑效果图和地理位置图。

图L1万科中心建筑效果图

-1-

1.2.结构概况

本工程建筑方案为若干个巨型筒体（边长10m左右）及实腹厚墙、落地柱支撑起上部

4〜5层结构，在底部形成了连续的大空间。上部4〜5层结构的跨度在25〜50m之间，悬挑

长度在10〜20m之间。上部结构体系为混合框架+拉索结构体系，即结构底层采用钢结

构，上层采用混凝土宽梁扁柱体系，由底层钢结构及预应力拉索将结构竖向重量传递到

主要竖向支撑构件一一筒体及落地墙、柱。侧向荷载通过水平楼板传递到筒体和墙，主

要由筒体承受侧向荷载。

结构的整体布置如图L3所示，由于地上结构长度很大，超过400m,且左、右两部

分高度相差10m,结构右边一部分下方没有地下室，所以在地上结构中部即结构高度变

化处以及右侧结构转折处设置结构缝，将地上结构分成左（A区）、中（B区）、右（C区）三

-2-

部分。地下室仍保持为一个整体。

首层平面及横剖面布置

主要纵剖面

图1.3万科中心结构分区示意图

1.3.工程复杂性和超限情况

本工程结构比较复杂，主要超限情况体现在平面不规则，扭转不规则，较大的跨度

和悬挑、竖向构件不连续等方面。

1.3.1.平面不规则及扭转不规则结构

本工程结构平面布置较复杂，根据建筑外形布置了若干筒体和框架结构，主要抗侧

力结构不完全按正交布置，建筑平面狭长，形成若干个树枝结构，结构楼板不能保证完

整刚性，结构扭转效应较为突出。

针对本工程平面不规则及扭转不规则的情况，设计中采取了以下措施：

(1)加强落地筒体刚度，控制侧向位移，筒体布置尽量均匀。落地的筒体和柱是结构

的主要抗侧力构件，设计中强调了落地筒体的刚度，筒体厚度达800mm。通过

-3-

加强筒体刚度，控制了结构在地震作用下的整体侧移，也就间接控制了结构的扭

转反应。同时，加强了结构端部落地构件的抗侧刚度，各肢端部的单片落地墙的

厚度取为1000mm,中间支撑的柱都在结构侧向刚度较小的方向都增设了斜撑。

(2)加强楼板刚度，确保结构整体性。为保证楼面的整体刚度，协调各个落地筒体之

间的变形，设计中加强了楼板的作用，在连体结构的顶层和底层都增设了面内的

斜撑。

(3)详细的地震分析，控制设计指标。进行三向地震作用的弹性时程分析和弹塑性时

程分析，并进行偶然偏心的地震分析，控制小震下各项指标满足规范要求，并保

证结构在罕遇地震下的性能。

1.3.2.大悬挑结构

本工程在建筑平面各肢的端部都设有一定长度的悬挑结构，其悬挑长度都在20米左

右，超过规范建议的最大悬挑尺寸。

针对本工程大悬挑结构，设计中采取了以下措施：

(1)采用了斜拉索的结构形式，利用预应力张拉控制悬挑部位的竖向变形，并在计算

中采用弹性楼板模型，考虑竖向地震作用，控制拉索在荷载标准组合下应力比小

于0.4,在中震设计组合下应力比小于0.6。

(2)验算结构在人行走激励下竖向振动的加速度，保证使用的舒适度。

1.3.3.大跨度连体结构

本工程由若干落地的筒体和柱支承的大跨度连体结构，最大连体跨度超过50米，远

远超过“塔体显著不同或跨度大于24m的连体结构”的规定。

针对本工程大跨连体结构，采取了以下措施：

(1)采用具有明确的传力路径的结构形式。对于连体结构采用了斜拉索的结构形式,

在连体结构的底层采用箱形钢梁和混凝土楼板，与斜拉索共同组成主要的竖向承

载体系，上部采用比较经济的T-17筋混凝土框架结构。通过控制预应力张拉时

-4-

间和张拉量控制结构的竖向变形。拉索是关键的竖向承载结构，设计中对索两端

连接构造、拉索与其他构件的相交处的构造进行了重点研究，经过多次讨论并提

出了较为合理可靠的做法。

(2)采用性能化设计，加强落地筒体承载力。对于连体结构，落体结构的抗震性能是

整体结构的关键。设计中在筒体四角设置了型钢，为了加强平面外刚度和延性,

在单片落地墙的两端均设置了型钢混凝土端柱。落地框架柱采用钢管混凝土柱或

型钢混凝土柱，确保筒体和落地框架的延性和承载力。设计中将筒体和落地构件

的抗震等级由二级提高到一级。采用性能化设计思想，加强了落地竖向构件的强

度，保证落地竖向构件中震(三向作用)下保持弹性；同时加强首层钢结构，保证

首层钢结构构件中震(三向作用)下保持弹性。进行大震下整体结构动力弹塑性分

析，同时输入三向地震作用，验证结构大震下的性能。

(3)详细的计算分析。采用详细的计算分析，控制结构在各种工况下的性能。除地震

和风工况的分析外，进行详细的施工过程分析，全过程控制构件内力和变形；验

算结构在人行走激励下竖向振动的加速度，保证使用的舒适度；验算温度变化对

结构的影响，控制结构裂缝。

14施工过程分析

本工程上部结构主体均悬在空中。施工过程中，若使用临时支撑承受上部结构的施

工荷载，则所需临时支撑用量非常大，且临时支撑需要穿过地下室顶板直接支撑于基础

上，这样会加长施工周期，并大大增加造价。

施工过程中的关键在于结构形状控制，控制结构变形，即可保证混凝土结构梁、柱

在施工过程中主要承受自重，由整体变形产生的弯矩效应较小，避免开裂。根据施工模

拟的计算结果，确定索的拉力，张拉拉索时，按照拉索中的力进行控制。在整个施工过

程中，尤其是拉索张拉过程中，需要监测拉索中的应力应变、二层钢结构起拱及下挠变

形，根据监测结果可以对拉索张力等进行调整。

-5-

1.5.振动分析

分区A小震整体弹性分析，结构振型形状和质量参与系数分析，第1、8振型为X

向平动，第2、5、10振型为Z向振动，第5、11振型为Y向平动。第9振型为扭转振

型。分区B小震整体弹性分析，第1〜5振型为Z向振动，第6振型为Y向平动，第7、

9振型为X向平动，12振型为扭转。分区C小震整体弹性分析，第1振型为Z向振动，

第2振型为X向平动，第4、6振型为Y向平动，第5振型为扭转。

1.6.温度应力分析

本工程地上部分A、B区分别长约140m和150m(最外侧落地构件间距)，地下室平

面尺寸约为220mxi30m,均超过我国《混凝土结构设计规范(GB50012—2002)》和《高

层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2002)》中规定的混凝土结构伸缩缝的最大间距。为了

减小温度和收缩效应，在施工中拟采取以下措施：

(1)在结构中预留后浇带。地下室后浇带的布置结合施工组织确定，间距约50m左

右，混凝土浇注完成后2个月左右封闭后浇带。地上部分，在每个筒体及单片墙边缘预

留后浇带，地上结构混凝土施工全部完成后封闭后浇带。

(2)控制混凝土结构合拢温度。根据深圳市气候资料，控制在月平均温度合拢。

采取以上措施后，混凝土早期收缩引起的应力会得到控制。同时，对结构在整个施

工与使用过程中的温度应力进行分析。分析过程中考虑以下几点：

(1)采用带有地下室的整体模型进行分析，模型中考虑基础梁板的影响。

(2)结合施工模拟，全面考虑温度差取值。

(3)计算模型上摒弃基础固定端或不动较假定，考虑桩基的线性约束刚度。

(4)施工期间温度效应：施工期间，结构降温阶段，地下室结构收缩，地下室结构基

础梁以及顶板以受拉为主。地上结构首层为钢结构，收缩稍大，受拉力较大；上层受拉

力较小，甚至受压。升温阶段，变化规律与降温相反。取温度最低点(即第四阶段结束时)

和温度最高点(取第五阶段结束时)结果进行分析。第四阶段中混凝土拉应力大于第五阶

段。各阶段中，筒体内主拉应力均小于2Mpa,地下室顶板以及上部结构楼板中拉应力基

-6-

本都在2Mpa以内，仅局部位置超过2Mpa,但均小于2.5Mpa。第五阶段中混凝土压应力

大于第四阶段，但各部分压应力均不超过3Mpa,对结构影响较小。

(5)使用期间温度效应：使用期间，结构升、降温差均小于施工期间温差，应力结果

均小于施工阶段分析结果。使用阶段，在正负温差作用下，结构中应力均较小。筒体中

主拉应力均小于2Mpa,地下室顶板混凝土主拉应力在IMpa以内，上部结构楼板中主拉

应力在1.5Mpa以内。

1.7.竖向舒适度分析

A区第2阶振型为竖向振动，B分区部分结构前4阶振型均为竖向振动，C区第一

振型为竖向振动。结构跨度较大，竖向频率较低，接近行人跑、跳频率。需要进行舒适

度分析。

-7-

2.结构施工监测与健康监测系统的设计原则和总体方案

2.1.结构施工监测与运营健康监测系统的目的'功能和内容

2.1.1.施工监测与健康监测系统的设计等级、功能和目标

结构施工监测的内容、仪器设备的选择和系统集成主要根据结构的施工方法、结构

施工中的受力特点以及结构的重要性和投资规模确定；结构健康监测系统一般根据结构

的重要性、复杂性和投资规模确定结构健康监测系统的等级，对应不同的等级，健康监

测系统的规模、内容和功能等将有所不同。

2.1.1.1等级

结构健康监测系统的等级与结构的规模、投资规模、重要性、结构复杂程度、服役

期间性能衰退的规律、以及业主的承受能力和要求有关。不同等级的健康监测系统的硬

件和软件、监测内容、结构分析内容、自动化、实时性、网络化以及系统规模不同，功

能也不同。健康监测系统一般分为连续在线自动监测、定期连续监测和定期检查三个等

级。

连续在线自动监测系统是指在结构施工阶段将传感器布设在结构上，并将传感器、

数据采集硬软件系统、数据传输系统、数据分析、结构安全评定和数据库等集成为一个

完整的系统，系统在线自动在网络上运行，监测结果和分析结果通过可视化技术和网络

化技术可以实时在多个用户端显示。一般该等级监测系统的传感器数量较多、传感器性

能先进、长期性能稳定、监测内容相对完整；软件环境先进；自动化、实时性、网络化

程度高；结构分析全面、方法先进。

定期连续监测系统是指在结构施工阶段将传感器布设在结构上，每年定期对结构的

受力状态和性能进行一段时间的连续监测，定期监测时，才将监测仪器设备与传感器连

接并采集数据，数据分析和结构安全评定将离线进行。监测仪器设备可以租赁。

定期检查则是根据结构构件的易损伤性，采用无损检测的方法对结构重要和易损的

部位进行定期检测。

-8-

结构万科中心的结构特点和业主要求，系统将选用连续在线自动监测系统。

2.1.1.2功能与目标

本项目设计的结构施工监控和运营健康监测系统方案将实现如下功能目标：

(1)施工阶段对索的拉力进行监测，把握索的应力水平，指导索的预应力张拉，使索

更好的满足设计意图，使整个结构达到更好的工作状态；

(2)施工阶段二层钢梁的应力监测、二层钢管混凝土柱、钢棒的应力监测，保证这些

构件在施工过程中的安全；

(3)施工阶段二层钢结构起拱或下挠变形监测、筒体及落地构件顶端的水平位移监

测，控制结构施工阶段的变形；

(4)结构运营阶段的索的拉力，关键部位构件的应力应变进行监测，在超出限值时预

警；

(5)结构运营阶段的竖向加速度监测，从而对舒适度给出评价；

(6)中心数据库的数据管理功能(存储、打印、显示等)；

(7)数据库与应用程序自动接口功能以及与其它系统数据自动交互功能；

2.1.2.结构施工监测与运营健康监测的内容

2.1.2.1结构施工监测内容

本项目结构施工监测内容主要包括：拉索的拉力、钢套筒的应力、二层钢梁的应力、

二层钢管柱的应力、棒钢的应力、二层钢梁起拱或下挠变形、筒体或落地墙的张拉变位。

监测结果将对拉索张力的调整有指导性的作用。

2.1.2.2结构运营健康监测系统监测内容

本项目结构运营健康监测的主要内容包括：拉索的拉力、拉索外钢管筒的应力、二

层钢梁的应力、二层钢梁上钢管混凝土柱的应力、棒钢的应力、关键结构部位的振动加

速度响应等。

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22传感器及测量仪器选型与布设原则

根据上述施工过程监测和健康监测的要求，需要布设智能索、光纤光栅应变传感器、

电阻应变传感器、光纤光栅温度补偿传感器和加速度传感器等六种传感器。另外，监测

施工阶段的结构变形采用全站仪。

221.传感器及测量仪器选型原则

传感器及测量仪器选型以技术先进、经济合理、性能可靠适用、长期稳定、满足监

测要求的目的为原则来确定。

传感器及测量仪器选型的一般原则如下：

(1)先进性原则。根据监测要求，尽量选用技术成熟，性能先进的传感器；

(2)实用、可靠性原则。保证系统在空间结构施工环境和使用环境下安全可靠运行，

经济实用；

(3)耐久性原则。选用耐久性好和抗干扰强的传感器和传输线；

(4)可维护、可扩展原则。传感器易于维护和更换；

(5)精度合适。根据空间结构的受力和变形特点，选用精度满足监测要求的传感器。

本项目各类传感器具体选型方案如下。

2.2.1.1智能拉索

将减敏FRP-OFBG智能复合筋布设到平行钢丝或钢绞线拉索，并锚固FRP筋的两端,

在索力作用下，智能筋与平行钢丝的协同变形，光纤光栅传感器感知拉索应变，从而得

到索力，并可以直接进行损伤分析。智能拉索具有量程大、整体成本低、系统集成容易、

整体损伤与局部损伤同时监测等优点。该方法适合本工程的拉索拉力监测。

每根智能索包括两根筋式光纤光栅应变传感器和一根筋式光纤光栅温度补偿传感

器。

2.2.1.2光纤应变传感器选型

目前，可以用于结构表面应变测试的传感器主要有电阻应变计、振弦应变计、光纤

光栅传感器、引伸计（通常在监测项目中不予考虑）等。为了便于传感器的选择，我们对前

三种传感器进行对比，列于表2.2中。

表2.2应变传感器性能对比表

应变测试手段

原理与性能比较

电阻应变计振弦应变计光纤光栅应变计

应变引起电阻的变化产振弦频率与弦拉力成正

原理应变引起波长漂移

生输出信号比例

线性较好好好

耐久性差一般好

灵敏度低较高高

精度3〜5"£2〜37/£1〜27/£

绝对测量不能不能能

分布式测量不能不能能

布设与线路大大容易

抗电磁干扰差差好

传感头费用低高较高

大规模传感器信号采

较高高较高

集设备费用

价格水平低低较高

光纤应变传感器分别用来监测拉索、钢梁和钢管混凝土柱使用阶段的应变。这三种

应变分别采取FRP-OFBG智能复合筋（后文中详细介绍）和光纤光栅传感器以及电阻应

变传感器。

由于万科中心为钢结构，传感器的布设工艺和耐久性是核心指标，从上表的综合性

能比较可以看出，光纤光栅传感器是本项目的最佳选择。我们采用的光纤光栅应变传感

器的封装结构为点焊式无胶FRP封装，为哈尔滨工业大学自行研制开发，如图2.3所示,

性能指标为：

•精度可达1〜2〃&取决于光纤光栅解调仪；

•无胶封装、几乎没有长期蠕变效应；

•抗电磁干扰；

•适应恶劣环境，耐久性好，大于50年；

•准分布式测量，留有多传感器串连接口和温度补偿;

•绝对测量、灵敏度高；

•提供点焊的布设方案和完善的布设工艺。

图2.3点焊式无胶FRP封装光纤光栅传感器

针对钢结构特点，点焊式无胶FRP封装光纤光栅传感器的布设工艺为焊接法，该方

法克服了采用胶粘剂布设方法的蠕变、耐腐蚀差、寒冷环境下变脆等缺点。

布设的光纤光栅应变传感器将获得测点的局部应变，其主要的作用在于：

•为施工控制提供直接的数据来源；

•为健康监测提供局部的变形和局部损伤信息；

•结构局部安全评定提供可靠的直接信息；

•为健康监测系统提供直接的预警参数。

布设的光纤光栅应变传感器是施工监测与健康监测的重要数据源，是施工结构安全

和健康安全评定的直接数据来源。

在目前的各种智能传感器中，光纤传感器是其中最具发展前途和市场前景的智能传

感器。光纤传感器研究的时间虽然不长，进展却非常迅速，目前已有70多种光纤传感器

用于各种物理量的测量。光纤光栅传感器的显著特点是耐久性、抗干扰以及分布式采集。

从光纤传感器的传感机理来看，主要分为强度型、干涉型和布拉格光栅(FiberBragg

Grating)波长型三种。自从美国Morey(1989)等人首次对光纤光栅的应变与温度传感特性

研究以后，世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，取得了丰硕的成果，在

短短的10多年时间里光纤光栅已成为传感领域发展最快的技术，目前的研究已发展到从

实验室走向实际工程应用阶段。

光栅光纤传感器原理如下。

当布拉格光栅受到外界温度或应变作用时，布拉格波长入B将发生变化。大量文献

报道，布拉格波长入B与应变和温度存在线性关系，并同时受到应变、温度的影响，具有

交叉敏感性。

图2.4光栅光纤结构示意图

布拉格光栅基本传感原理是：外界待测物理量（如温度、应变）的变化引起布拉格波

长变化，光栅光纤结构如图2.4所示。通过对后者的测量达到对物理量的测量，其数学表

达式如下：

"B=2"蟒A(2.9)

其微分形式可表示为

A2g_An।AA

eff(2.10)

4?neffA

式中，A是光栅的周期，n是纤芯的有效折射率。由式（2.10）可以看出，有效折射率的变

化与光栅周期的变化均能引起布拉格波长的变化。当某一物理量（如：应变、温度）的变化

能够引起有效折射率以及光栅周期即光栅长度的变化时。布拉格波长将产生相对变化。

理论上通过对布拉格波长的测量即可实现对该物理量的测量。

当布拉格光栅受到外界应变影响时，光栅长度将产生变化，其光栅周期将发生变化,

同时有效折射率由于弹光效应也产生变化。有效折射率可以表示为

.国2—"（片1+七）］0

加力=—------%----------£*（211）

2

从而，

2

△〃济neff

—=由2-"（4+小）屹（2.12）

neff2

式中，Pli（，=l,2）,称为Poskel系数，u是Poisson比，J是轴向应变。

已知，

L=nA(2.13)

式中，L为布拉格光栅长度，n为光栅周期数，A为每个周期的长度。

因为

ALAnA

P=—=------(2.14)

“LnA

所以

AA

­二£%(2.15)

A

两种作用产生的布拉格波长变化为：

2

?=”乎［P-V（PP）］）E

I2ll+I2r(2.16)

记

2

PeR由2-"（♦+4）］(2.17)

Pe为有效弹光系数，硅纤介质中2处0.22。所以有下式：

必。0.78x10-6邑

(2.18)

4

2.2.1.3温度补偿传感器选型

本系统的温度补偿传感器主要起到应变测量的温度补偿作用。可以用作温度长期监

测的传统传感器为热电偶，虽然其作为检测手段具有价格便宜的优势，但是从整个监测

系统的耐久性来考虑，它的缺点也很明显：大规模数据采集费用较高、耐久性较差以及

抗电磁干扰的能力较差等。为了配合光纤应变传感器，考虑健康监测系统的组成与节约

信号采集硬件（采用与光纤光栅应变传感器一致的信号解调仪），我们选定哈尔滨工业大

学自主开发，且具有专利知识产权的增敏型光纤光栅温度补偿传感器（专利号：03260021.6

和03260022.4）,如图2.5所示。

光纤光栅温度补偿传感器的基本原理是光纤光栅在温度的作用下中心波长移动，通

过解调光纤光栅的中心波长就可以方便获得温度变化值。止匕外，采用特殊的增敏措施，

-14-

制作的光纤光栅温度补偿传感器的性能指标为:

•精度：0.05℃；

•量程：-100-100℃；

•线性度：大于0.999；

•抗潮湿、抗电磁干扰、耐久性好；

•体积小；

•准分布测量，绝对测量，可以长期在线监测;

图2.5增敏型光纤光栅封装温度补偿传感器

光纤温度补偿传感器布设极其简单，在相应位置焊接锚固端子即可。

2.2.1.4电阻应变传感器选型

电阻应变计与其他种类应变传感器的对比，见表2.2。考虑到经济和施工临时监测的

原因，对应变片的耐久性要求不高，仅在施工阶段使用的应变传感器选用电阻应变计。

一般用途应变计主要分为单栅应变计（应变计，即应变传感器）、正交二栅应变计和三栅

应变计。单栅应变计用来测量单方向的应变；二栅应变计和三栅应变计可以测得主应力,

当已知主应力方向时可以选用正交二栅应变计，当未知主应力方向时可以选用三栅应变

计。本工程中，对拉索锚固端铸钢节点以及钢管混凝土柱的部分测点采用日本东京测器

株式会社（TML公司）生产的FLA-1-11-3LT型单栅应变计对拉索锚固端铸钢节点与钢

管混凝土柱的部分测点处应变进行施工期监测。该应变传感器具体参数见表2.3,单栅应

变计不意图见图2.6o

表2.3FLA-1-11-3LT型应变计的性能指标

用途钢管混凝土柱应变监测

栅长1mm长单栅

使用温度范围-20℃—80℃

补偿材料软钢（铁）

图2.6单栅应变计

2.2.1.5加速度传感器选型

在加速度选型中，需要考虑加速度传感器的频响特性、量程、精度、工作环境温度、

轴向（单轴、双轴、三轴）。就频响特性而言，目前得到广泛应用的加速度传感器主要有三

种：一是压电加速度传感器；二是压阻式加速度；三是电容式加速度传感器。为了便于

传感器的选择，我们对这三种传感器进行对比，列于表2.4中。

万科中心的加速度传感器布置主要是监测结构的舒适度，上述三类加速度传感器的

频响特性基本均能满足监测的要求，考虑性价比等因素，我们选用哈尔滨草青木秀公司

生产的型号GT02力平衡加速度传感器（电容式），见图2.7。其主要性能指标列于表2.5

中。由于加速度传感器主要安装在结构屋面板的中部，因此，一般加速度传感器在这样

的环境下均能正常工作。

表2.4加速度传感器对比

原理与性力平衡式（电容式）加速度

压阻加速度传感器压电加速度传感器（ICP型）

能比较传感器

电容的变化产生输出信号变振动变形，阻值变化，振动产生电荷，将电荷转换为

原理

化采用惠斯登桥路输出电压信号输出

线性好前端10%的线性较差好

0~2000Hz低频到中

0"100/300/500Hz低频性能0.2/lHz〜5kHz/10kHz.频响

频响频，低频段灵敏度比电

好，低频段灵敏度高高，但低频响应不好

容式传感器稍差。

寿命好，跌落容易损坏一般，跌落容易损坏长

原理与性力平衡式（电容式）加速度

压阻加速度传感器压电加速度传感器（ICP型）

能比较传感器

测重力加

可以不可以不可以

速度g

自检及可以用重力加速度进行现场不可以进行自身标定，不可以进行自身标定，必须用

标定自身标定必须用标定仪器标定仪器

超载能力差，跌落容易

超载超载能力差，跌落容易损坏超载能力强，不容易损坏

损坏

低频振动测量，如桥梁、建低、中频振动测量，如

应用中、高频振动测量，如结构等

筑、火车等车辆等

后续放大

普通电压放大器应变放大器ICP信号调节器

器

注：电荷型压电加速度传感器由于后续放大器为电荷放大器，总体成本高，在多通道测试中较少采用,

故在此仅讨论ICP型压电加速度传感器。

图2.7GT02力平衡加速度传感器

表2.5GT02力平衡加速度传感器性能指标

型号GT02

测量范围±2.0g

频响范围DC-120Hz

动态范围>120dB

灵敏度±2.5V/g

横向灵敏度比小于1%

噪声均方根小于10'6g

线性度优于1%

-17-

汨遒6

tHELizK小于500x10-g/℃

零位漂移小于0.5陷

电源±12V~±15V@10.0mA

体积043x60mm3

重量262g

布设的加速度传感器是健康监测的重要数据源，也是进行结构分析的重要数据源。

2.2.1.6结构变形位移测量仪器选型

二层钢结构起拱或下挠位移，可采用全站仪(经纬仪)，GPS等方法观测。

对于本项目，GPS测量需要在被观测放置GPS接收机，会给施工带来不便，且成本

高。全站仪测量变形，进行位移控制的方法由于测点布设方便、操作简单、精度可靠而

被广泛采用。它的测量原理是利用全站仪内置的三角高程测量程序，直接观测测站点和

目标点之间的高差，由于测站点保持不动，则加载前后的两次高差之差即为目标点的挠

度变化量。

全站仪测量位移的原理，与经纬仪测距的基本原理相同，都是利用测站与观测点的

三角关系确定测点的三维坐标，从而计算观测点的位移。使用全站仪时，须在观测点处

埋设棱镜，如有不便，可使用经纬仪测量并计算出钢梁的下挠位移。

222.传感器测点及位移控制点选取原则

健康监测系统传感器测点布设主要是根据选定的各种传感器和预计达到的系统目

标，对传感器的数量和位置进行优化选择。

传感器测点布设一般遵循如下原则：

(1)对于传感器，一般按照传感器优化理论确定传感器的最小数量，考虑结构的特点、

投资规模以及结构的重要性，考虑一定的冗余度，确定监测系统传感器的总数量。

(2)对整体变量测量传感器，一般根据传感器优化布设理论和结构模态信息，确定传

感器的最优位置；止匕外，对于静力变形，一般将测点布设在变形最大的部位。

(3)对局部变量监测传感器，一般布设在应力最大和最易损伤部位，同时布设在对结

构整体破坏影响较大的区域。

(4)最大的共享度原则：健康安全监测系统传感器的位置宜尽量兼顾施工监测。

各待测量物理量的具体选取原则如下。

2.2.2.1拉索拉力

拉索的拉力是结构施工成形的非常重要的控制因素，考虑到项目预算、工程建设工

期要求，将选用2种手段监测拉索的拉力。

(1)智能拉索

本监测系统选择16根拉索，在其上安装智能索。根据索的不同型号和索在最不利荷

载组合下的较大应力比选择智能索的布置位置。

(2)锚固端铸钢节点应变监测

除智能拉索之外，将在所有拉索的锚固端铸钢节点布置应变片，对施工阶段的拉索

索力进行短时监测，并采用智能拉索的监测结果进行标定。

2.2.2.2应变传感器测点位置和数量

应变传感器选取在：

(1)应力较大的截面，应力幅值变化较大的截面，局部受力复杂的位置；

(2)不利杆件集中的区域(在该区域，一根杆件的破坏可能导致多米勒骨牌效应)；

(3)筒体附近的方钢管混凝土柱；

(4)施工监测与健康监测系统的传感器尽量共享。

2.2.2.3加速度传感器

本项目加速度监测以监测结构竖向舒适度为目的，主要考虑汽车、直升机以及人群

荷载引起的楼面竖向振动。对于汽车和直升机引起的振动，传感器布置在结构二层悬挑

端或跨中的走廊处，同时也布置在有可能产生较大振动的冷冻水机组，水泵房等质量较

大的位置；对于人群引起的振动，布置在建筑功能上人员短时流动较大的培训中心，展

厅等位置。

2.2.2.4全站仪观测

主要用于监测结构施工阶段的首层钢结构变形情况。对索张拉后的结构上拱值以及

施加全部恒载和活载后的结构下挠值进行监测，筒体及落地构件顶端的水平位移监测。

控制点选择在拉索的下端点(与二层钢桁架的连接处)和上端点(与筒体或落地墙连接

的部位)，其中上锚固点在四层的拉索的上下锚固点不做监测。

2.3.数据采集与传输系统的设计原则

本次健康监测系统的传感器均为有线传感器，数据通过电缆和光缆在传感器和数据

采集系统之间实现第一级数据传输；进入数据采集系统的数据通过局域网、Internet网实

现第二级数据传输。第二级传输为可扩展功能。

2.4.系统的可维护性'可升级性和兼容性设计原则

(1)传感器的布设工艺具有在不损害结构的前提下可更换性；

(2)传感器的布设位置在满足施工监测和运营健康监测的前提下，布设在易于维修的

位置；

(3)数据采集方案应易于故障传感器的检测，数据采集方案的更改；

(4)软件系统宜具有普适性、开放性、友好性、易于升级；

(5)健康监测系统的可扩展性；

(6)健康监测系统与万科中心的其它安全监测系统具有良好的接口。

25万科中心施工监测与健康监测的总体方案

按照上述设计原则，课题组设计了万科中心施工监测与健康监测系统，其总体方案

框图和流程如图2.8所示。系统在Windows环境下运行。该系统包括：

(1)传感器子系统；

(2)数据采集、传输、存储子系统；

(3)施工过程结构安全评价子系统；

(4)健康安全评定子系统(包括在线和网络离线两种评价系统)；

(5)远程传输子系统(可扩展功能)；

(6)数据管理中心子系统。

图2.8总体方案的流程图

整个系统的流程为：

(1)数据采集系统首先收集传感器的数据并将数据传输到中心服务器(施工阶段有临

时的监测中心)，中心服务器接收数据后，首先对数据进行判断和预处理，并存入中心服

务器的数据管理中心。

(2)在施工过程中，对存入中心服务器的数据直接进行分析，并与设计结果进行比较,

若测试数据与设计结果差别较大，则需要对结构施工阶段的受力状态进行分析，并做出

相应的调整。

(3)在使用阶段，中心服务器中的应用程序调用数据管理中心的数据，进行结构安全

性与舒适性评定。安全评定的结果通过可视化技术在监控中心的监视器上实时显示，并

把安全评定的结果存入中心服务器的数据库中；此外，中心服务器内数据库的数据可以

通过局域网将有关的结果传输到万科中心业主，也允许系统开发人员远程维护(扩展功

能)。

-21-

3.施工监测系统设计方案

3.1.施工顺序和施工中及施工后构件位移控制标准

3.1.1.关于后浇带

(1)首层墙及筒体边不设后浇带，拉索间楼板拉应力较大，该区间楼板留后浇带，主

体结构完成，装修前浇注。

(2)张拉、锚固节点附近混凝土张拉完后浇。

(3)其余各层墙、筒体边设后浇带，主体结构完成，装修前后浇。

3.1.2.本工程各部分施工顺序

3.1.2.1A区施工顺序

(1)施工筒体及落地墙、柱等竖向构件；

(2)施工首层钢结构、二层混凝土结构和部分顶层混凝土结构及其支承柱；悬挑端施

工第三层混凝土结构；

(3)张拉第一批连接竖向落地构件的拉索；

(4)按设计层高和轴线施工第三层混凝土结构；

(5)张拉锚固于三层连接不落地框架柱的拉索，张拉前该柱下方的支撑保留；

(6)按设计层高和轴线施工第四层混凝土结构；

(7)按设计层高和轴线施工第五层混凝土结构，外包钢管与主体结构连接；

(8)按设计层高和轴线施工屋盖混凝土结构，找平施工部分悬臂板结构；

(9)安装出挑钢桁架。后浇带合拢，进入装修、幕墙等施工。

3.1.2.2B区施工顺序

(1)施工筒体及落地墙、柱等竖向构件；

(2)施工首层钢结构、二层混凝土结构和部分顶层混凝土结构及其支承柱，悬挑端施

工第三层混凝土结构；

(3)张拉连接筒体的拉索；

(4)按设计层高和轴线施工第三层混凝土结构；

(5)张拉锚固于三层的索。张拉前该柱下方支撑保留，外包钢管与主体结构连接；

(6)按设计层高和轴线施工第四层混凝土结构；

(7)按设计层高和轴线施工第五层混凝土结构；

(8)按设计层高和轴线施工第六层混凝土结构；

(9)按设计层高和轴线施工屋盖混凝土结构，找平施工顶层悬臂板结构；

(10)后浇带合拢，进入装修、幕墙等施工。

3.1.2.3C区施工顺序

(1)施工筒体及落地墙、柱等竖向构件；

(2)施工E2、E3、E4、ROOF层部分梁板及其支承柱；

(3)张拉拉索，合拢墙体后浇带；

(4)按设计层高和轴线施工E5层混凝土结构；

(5)找平施工ROOF层屋盖悬臂板结构；

(6)合拢楼层后浇带，拆除脚手架；合拢拉索外包钢管与主体结构；

(7)施工酒店大堂部分悬挑钢结构梁、柱、棒钢，张紧棒钢使其下支撑自然松开，拆

除其下临时支撑；

(8)逐层施工酒店大堂部分混凝土楼板至屋面；

(9)施工酒店大堂入口桁架及上部屋面；

(10)进入装修、幕墙等施工。

3.1.3.其他

(1)上部不落地柱，柱底支撑的拆撑原则：与柱相连的索张拉完成并稳定后，方可拆

除柱底支撑。

(2)索张拉后，结构上拱值应小于L/1000(L为落地竖向构件之间的距离)，后浇带

合拢，卸除施工荷载，施加全部恒载和活载后，结构下挠值应小于L/1000o如

出现异常情况时，需报设计、监理、甲方等单位，研究解决后，方可继续施工。

(3)上部楼面以各柱设计标高为基础，相应悬臂楼面与之找平，如图3.1所示。

图3.1拉索施工示意图

(4)索张拉前，与索相连的框架柱、单片墙和核心筒顶部水平施工误差为°〜-5nlm

(“一”表示水平偏移方向为索张拉完成后单片墙和核心筒顶部水平位移方向的

反方向)；索张拉中和张拉后应进行单片墙和核心筒水平位移监控，单片墙和核

心筒顶部水平相对位移小于5mm,与索相连的框架柱顶水平相对位移小于

10mm,如异常情况时，需报设计、监理、甲方等单位，研究解决后，方可继续

施工。

(5)健康监测应跟踪施工全过程，并采用多手段监测施工中和使用中的温度、位移、

应力、应变等，并有完整的数据记录文档。

3.2.传感器的测点布设位置

3.2.1.施工阶段结构受力特点分析

施工过程中的关键在于结构形状控制。控制结构变形，即可保证混凝土结构梁、柱

在施工过程中主要承受自重，由整体变形产生的弯矩效应较小，避免开裂。确定拉索的

预应力施加，张拉拉索时，拉索中的力作为控制指标。为了保证施工阶段的正常运行，

需要监测拉索的拉力、钢套筒的应力、二层钢梁的应力、二层钢管柱的应力、棒钢的应

力、二层钢梁起拱或下挠变形、筒体或落地墙的张拉变位。

-24-

3.2.2.施工阶段监测

3.2.2.1应力监测及变形监控

应力测量需要采用应变测量换算得到。测定拉索预加索力的大小、重要钢构件的应

力变化情况。结构的SAP模型见图3.2o应力监测的目标是：在施工中，对索、钢梁、

钢管混凝土柱及棒钢的监测，一方面可以保证它们的应力满足设计要求；另一方面，监

测施工过程中它们是否超应力，通过监测的结果积极配合施工顺利完成。

图3.2拉索与结构分布示意图

根据上述目标，应变监测点选择如下：

(1)拉索拉力监测

拉索是本结构的非常重要的构件，其应力水平影响整个结构的成型，也影响结构的

整体安全，对索应力的监测在施工阶段与运营使用阶段都非常重要。本系统对拉索索力

监测用两种方法:

在所有索的锚固端铸钢节点处布置电阻应变传感器，铸钢节点的侧面直接承受拉索

锚固端施加的压力，压力的大小可以反应拉索拉力的大小情况。该种方法主要对施工阶

段的索力进行全面的监测；

在拉索上布置智能索的方法，该种方法应用比较广泛，性价比高，对拉索的外观没

有影响，本方案选择16根拉索布置智能索；

以上两种方法共同完成对万科中心拉索拉力的监测。在承压面处布置传感器的拉索

（包括所有索）统计表见表3-1。布置智能索的拉索统计表见表3-2。传感器在拉索上的

布置如图3.3〜3.6所示。

智能索剖面示意图

图3.3拉索上筋式