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幕墻屋頂健康監(jiān)測漫談

2009-12-09 10:43    【  【打印】【我要糾錯】

  一、前言

  中國建筑幕墻從1983年開始起步,歷經(jīng)二十多年,到2004年底我國建成各式建筑幕墻(包括屋面)工程占世界總量的一半還多。從首都北京到新疆庫爾勒,從上海東部沿海大中城市到西部新興城市,從海拔5000m西藏的拉薩到基本風(fēng)壓為1.3kPa的東海嵊泗,從東北的哈爾濱到海南島三亞,隨處可見新型建筑幕墻、屋頂裝點著秀麗的城市大街。

  建筑幕墻、屋頂已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑文化、建筑個性化、建筑藝術(shù)、建筑新科學(xué)的重要標(biāo)志。中國已成為世界第一幕墻、屋頂生產(chǎn)大國和使用大國,正在發(fā)展成為幕墻、屋頂?shù)氖澜鐝妵?/p>

  很多幕墻、屋頂工程已使用幾十年,環(huán)境侵蝕,材料老化和荷載的長期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等因素的耦合作用將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷累積和抗力衰減,從而抵抗自然災(zāi)害、甚至正常環(huán)境作用下降,極端情況將引發(fā)災(zāi)害性突發(fā)事故,因此為了保障結(jié)構(gòu)的安全性、完整性、適用性和耐久性,除了對已建成的工程除了進行健康普查加固之外,對重大工程急需采用有效地手段監(jiān)測和評定其安全狀況、修復(fù)和控制損傷。新建的重大工程也要在建設(shè)同時,總結(jié)以往經(jīng)念和教訓(xùn),增設(shè)健康監(jiān)測系統(tǒng)和損傷控制系統(tǒng),以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的服役安全狀況,為預(yù)防突發(fā)性的災(zāi)害事故提供科學(xué)而經(jīng)濟的手段和方法。

  幕墻屋頂工程結(jié)構(gòu)的智能健康監(jiān)測系統(tǒng)至少包括如圖1所示的四個功能模塊。長期性、實時性和自動監(jiān)測是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的三個基本特征。

  二、已有的健康監(jiān)測的兩個案例

  1、拉索幕墻結(jié)構(gòu)的預(yù)拉力監(jiān)控及報警

  深圳堅朗公司針對拉索結(jié)構(gòu)的預(yù)拉力監(jiān)控及報警這個技術(shù)難題,公司成立了技術(shù)攻關(guān)小組,最終在2005年元旦前將該系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試完畢。該系統(tǒng)是在單層索網(wǎng)幕墻的基礎(chǔ)上,通過對拉索錨固端節(jié)點的細(xì)化設(shè)計,安裝了智能弦式傳感器,然后配備了專用的數(shù)據(jù)線、采集設(shè)備、控制計算機等共同組成。此系統(tǒng)具備了預(yù)拉力及溫度實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)自動采集保存、及自動報警等功能,可完成長期無人值守的索內(nèi)力監(jiān)控。另外,此系統(tǒng)還具有高靈敏度、高自動化、高穩(wěn)定性、高可靠性等特點。在玻璃幕墻中,應(yīng)用拉索結(jié)構(gòu)作為幕墻的主支承結(jié)構(gòu)已經(jīng)越來越廣泛。但拉索結(jié)構(gòu)是典型的柔性結(jié)構(gòu),預(yù)拉力是拉索結(jié)構(gòu)的靈魂,只有結(jié)構(gòu)具有一個比較準(zhǔn)確的預(yù)拉力,幕墻才能正常工作,結(jié)構(gòu)才會安全。但是,拉索的預(yù)拉力又受結(jié)構(gòu)變形、溫度變化、材料蠕變等影響比較大。要想保證拉索結(jié)構(gòu)的預(yù)拉力在長期內(nèi)(《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB50068)規(guī)定幕墻的設(shè)計年限不低于25年)始終保證在一個準(zhǔn)確的范圍內(nèi)是比較困難的。最好的途徑是能夠?qū)崟r進行預(yù)應(yīng)力監(jiān)控及報警,在拉索結(jié)構(gòu)預(yù)拉力超出或低于設(shè)定的預(yù)拉力范圍時,報警提醒管理人員采取應(yīng)對措施。

  A:監(jiān)控系統(tǒng)工作原理圖

  B:監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備

 。1)采樣器

 。2)采集模塊

 。3)顯示控制設(shè)備

  C:監(jiān)控系統(tǒng)布置

  監(jiān)控系統(tǒng)布置主要考慮的是采樣器的合理布置,對于主受力索,理論上應(yīng)該在每根拉索均設(shè)置采樣器。對于次受力索,可以在保證安全的前提下,有選擇地布置采樣器。

  2、大跨度屋頂結(jié)構(gòu)

  深圳市民中心大廈的屋頂為長486m、寬156m的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),跨中樹狀衍架支撐在塔上。該結(jié)構(gòu)屋頂部分安裝了一套健康監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)組成,其中傳感器子系統(tǒng)測量屋頂部分的風(fēng)壓和反應(yīng),結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)的反應(yīng)并進行安全評定。傳感器子系統(tǒng)包括光纖傳感器、應(yīng)變片、風(fēng)速儀、風(fēng)壓計和加速度傳感器,其中光纖傳感器和應(yīng)變片測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變反應(yīng),加速度傳感器測量結(jié)構(gòu)的位移和加速度反應(yīng),風(fēng)速儀和風(fēng)壓計測量屋頂?shù)镍P壓分布。結(jié)構(gòu)分析子系統(tǒng)在監(jiān)測得到的結(jié)構(gòu)反應(yīng)的基礎(chǔ)上,可以進行屋頂結(jié)構(gòu)的損傷識別、模型修正和安全評定。

  3、波士頓漢考克大廈

  1971年建成的60層高的波士頓漢考克大廈,是由貝聿銘事務(wù)所設(shè)計的玻璃的幕墻,共劃分成1.4×3.5米的玻璃10344塊。1968年開工,至1971年建成后就陸續(xù)有玻璃破裂。1973年一次風(fēng)暴中吹壞了數(shù)十塊,破玻璃落下來又砸壞了一些玻璃。至1975年已有兩千多塊玻璃因破裂由木板代替,美麗的漢考克變得千瘡百孔。為此,業(yè)主對貝聿銘事務(wù)所及有關(guān)的五個公司提出控告。據(jù)調(diào)查認(rèn)為原因是結(jié)構(gòu)剛度太差和玻璃強度不足(相對其厚度與面積而言)。決定采取加強中央豎井以增加結(jié)構(gòu)剛度,將玻璃改為鋼化玻璃,這些措施共花施工、材料、設(shè)計費達數(shù)百萬美元,約占建筑總投資的數(shù)十分之一。坎布里奇中級法院最后判決,按照6個單位在事故中的責(zé)任大小來分?jǐn)傔@筆費用,貝聿銘事務(wù)所占4/19,兩個玻璃制造廠商均占6/19.至此,漢考克大廈又恢復(fù)了閃閃光的從優(yōu)雅的儀容。但是,這樁公案仍未了結(jié),在修復(fù)后的五年中,又已破裂了55塊。開始,為了預(yù)測即將破裂的玻璃,專門委派了一小隊看守人員分散在大街上,拿著望運鏡仔細(xì)觀察每一塊玻璃的顏色變化,因而成為波士頓街道生活中的一件新鮮事,F(xiàn)在,這種工作已由電子傳感器健康監(jiān)測系統(tǒng)代替。這是一種大約有50美分錢幣那樣大小的薄片,每塊玻璃上都貼有一片,這10344片傳感器隨時將玻璃的內(nèi)部狀態(tài)傳至中央控制室,一旦有玻璃即將破裂,中央控制室即會發(fā)出指令,并指出其位置,管理人員可迅速將其換掉。

  三、幕墻屋頂結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測展望

  1、光纖光柵傳感技術(shù)

  就應(yīng)力測試而言:傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片傳感元件的性能也在不斷的提高,作為鋼結(jié)構(gòu)的短期應(yīng)變測量,還是能滿足工程要求的;但其受環(huán)境影響較大,長期應(yīng)變測試的結(jié)果會嚴(yán)重失真。長期應(yīng)變測試,通過國內(nèi)外同行的大量實踐,已將應(yīng)變傳感器鎖定在光纖傳感器上。光纖光柵傳感技術(shù)的確是一門新興的監(jiān)測技術(shù),而且可以看作是一種智能化的健康監(jiān)測技術(shù)。光纖可以歸為智能材料一類,它通過把結(jié)構(gòu)受力、變形的信息轉(zhuǎn)換為光信息,例如光強大小的改變、光柵的反射波長等光參數(shù)來實現(xiàn)力信息和光信息的互換,最后通過解調(diào)設(shè)備來進行質(zhì)詢和解調(diào),從而得到結(jié)構(gòu)應(yīng)變、應(yīng)力與光強變化或者光柵波長變化之間的對應(yīng)關(guān)系,精度很高。

  光纖傳感技術(shù)特別是光纖光柵傳感技術(shù)將是未來重要幕墻屋頂工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的首選技術(shù),有很大的應(yīng)用和發(fā)展前景。光纖光柵傳感技術(shù)是比較適合應(yīng)用于結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測,目前FBG傳感器也有很多實際應(yīng)用實例,的確目前有一個要認(rèn)真解決的問題是解調(diào)儀的穩(wěn)定性和精度,雖然國內(nèi)廠家已經(jīng)做了不少工作(如上海紫柵、北京品傲、武漢光科等),也有部分具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品,但在實際工程監(jiān)測中還是有很多工作要繼續(xù)深入研究。

  2、智能拉索哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了一種采用光纖光柵傳感器監(jiān)測拉索應(yīng)力的新技求,并在實際拱橋吊桿和大型斜拉橋斜拉索的生產(chǎn)過程中對光纖光柵的布設(shè)工藝、超張拉時的應(yīng)力傳感特性和長期監(jiān)測時的溫度補償技術(shù)進行了研究。此外,針對光纖光柵智能拉索的工程應(yīng)用問題與困難進行了深入探討。與目前己有的索力監(jiān)測技術(shù)相比較,智能拉索技術(shù)是一種監(jiān)測索力的可靠手段,具有精度高、絕對測量、分布式監(jiān)測、耐久性好、抗電磁干擾、操作簡單、成本低等優(yōu)點,在索結(jié)構(gòu)點支幕墻,張弦梁及索結(jié)構(gòu)屋頂具有廣泛的應(yīng)用前景。

  3、壓電薄膜裂紋萌生和擴展的監(jiān)測是健康監(jiān)測領(lǐng)域的重要研究課題。壓電薄膜是監(jiān)測結(jié)構(gòu)的裂紋蔭生與擴展是結(jié)構(gòu)損傷定位和安全評定的最直接、有效的方法,作為一種感知聚合物材料,壓電薄膜(PVDF)具有大變形能力、與基體良好的相容性、面監(jiān)測、自適應(yīng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀、靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點。試驗結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化將導(dǎo)致PVDF的電壓線性變化,PVDF可以用作應(yīng)變傳感器,其靈敏系數(shù)可達1mV/μs;此外,PVDF覆蓋的面裂紋蔭生將使PVDF產(chǎn)生脈沖電壓,由此信號可以判斷結(jié)構(gòu)的烈紋萌生。由于壓電材料具有的正、逆壓電效應(yīng),使得它既可以做驅(qū)動器,也可以做傳感器,F(xiàn)在壓電薄膜可用于幕墻和屋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與損傷識別方面的技術(shù)有三個方面,壓電應(yīng)變傳感技術(shù);壓電阻抗技術(shù)和壓電波檢測法。

  4、形狀記憶合金(SMA)

  形狀記憶合金(SMA)是一種全新的功能性材料,目前,主要的幾種記憶合金為Ni-Ti合金、Cu基合金和Fe基合金等。具有獨特的形狀記憶效應(yīng)和相變超彈性性能,因此可廣泛應(yīng)用于當(dāng)前迅速發(fā)展的智能結(jié)構(gòu)中,使智能結(jié)構(gòu)具有高度自適應(yīng)能力,能夠自動適應(yīng)結(jié)構(gòu)的一些特殊要求。例如把SMA材料處理后復(fù)合于幕墻屋頂?shù)拿姘宀牧现谢蚣庸こ芍悄茉惭b在立柱結(jié)構(gòu)的某些部位,就可利用其特殊的力學(xué)行為和物理性能,使之成為具有損傷監(jiān)控、被動或主動控制結(jié)構(gòu)變形和地震反應(yīng),以便對建筑結(jié)構(gòu)的裂縫、變形及振動進行準(zhǔn)確而有效的控制。

  5、疲勞壽命絲(箔)傳感器疲勞效應(yīng)是影響重大工程結(jié)構(gòu)健康的主要因素之一。至今,承受變幅交變荷載的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測仍是有待解決的難題。雖然一些理論,如結(jié)構(gòu)累積損傷理論已經(jīng)有一些比較成熟的方法用于疲勞壽命估計,但因缺乏可以信賴的實測數(shù)據(jù)(如疲勞載荷譜等)而難以用到實際結(jié)構(gòu)中。

  美國20世紀(jì)70年代提出了用類似于電阻應(yīng)變片的簡單元件來測試疲勞損傷的概念和方法。國內(nèi)從1984年開始,南京航空航天大學(xué)、第629研究所、上海有色金屬研究所、第702研究所等單位大力合作,經(jīng)過8年的努力,研制出了疲勞壽命計。隨后,南京航空航天大學(xué)的對疲勞壽命計的性能進行了深人的研究,得到了最大電阻變化率6.3%、1800μs下疲勞壽命大于106次、電阻變化率大于0.5%、離散度小于5%等的高性能疲勞壽命計,并研制了旨在提高疲勞敏感性的應(yīng)變倍增器,為疲勞壽命計的實用化研究打下了基礎(chǔ)。建筑幕墻在風(fēng)荷載作用下的疲勞壽命研究目前還是空白,在建筑幕墻和屋頂建立一套疲勞損傷監(jiān)測與評定系統(tǒng),將促進建筑幕墻和屋頂結(jié)構(gòu)的疲勞損傷監(jiān)測。

  四、結(jié)束語

  工程結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測系統(tǒng)在幕墻和屋頂工程還很少,工程結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測系統(tǒng)如何在幕墻和屋頂工程應(yīng)用還有很多開發(fā)性的工作,需要多學(xué)科研究人員和幕墻和屋頂工程技術(shù)人員的緊密合作。我國正處于幕墻屋頂工程與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰時期,因此,我國已經(jīng)、正在和計劃建造的重大工程結(jié)構(gòu)的安全需求,為健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究、發(fā)展與實施提供了廣闊的空間和美好的前景。

  本文淺要介紹和初淺展望,僅為拋磚引玉的參考,不妥之處,誠請指正。

延伸閱讀:監(jiān)測 屋頂 幕墻
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