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1、 高新区软件与服务外包基地综合配套区中央商务区一期117 大厦结构性态监测技术方案业主： 编制单位： 高银金融大厦结构性态监测技术部分目录III 监测设计及施工方案11 绪论21.1 施工监测与运营安全监测的目的和意义21.2 工程概况21.3 本工程进行性态监测的必要性和意义31.4 结构施工及运营安全监测的内容51.5 施工与运营安全监测系统的功能和目标71.6 结构性态监测的基本要求71.7 结构性态监测总体架构91.8 监测项目及各阶段监测重点131.9 天津高银金融大厦结构性态监测服务内容141.10 监测执行的主要技术标准162 施工监测控制系统172.1 结构施工过程分析172.
2、2 施工监控的主要项目和内容192.3 施工监控的基本原则和基本流程202.4 施工阶段地震作用监测232.5 施工阶段风荷载监测262.6 施工阶段风压监测292.7 施工阶段结构位移监测（GPS 部分）332.8 施工阶段结构位移监测（倾角仪部分）362.9 施工阶段温度检测422.10 施工阶段构件应力应变监测472.11 施工阶段结构标高监测612.12 施工阶段倾斜度检测653 运营阶段安全监测控制系统683.1 施工阶段与运营阶段安全监测的无缝连接683.2 运营安全监测的基本内容和原则693.3 运营阶段地震监测703.4 运营阶段风荷载监测713.5 运营阶段风压监测733.6
3、 运营阶段结构位移监测（GPS 部分）733.7 运营阶段结构位移监测（倾角仪部分）743.8 运营阶段结构加速度监测753.9 运营阶段温度监测833.10 运营阶段应力应变监测833.11 虚拟现实系统84二 结构性态监测系统设计维护方案861 系统总体技术要求871.1 在线显示和查询技术要求871.2 模态识别分析技术要求871.3 结构分析技术要求871.4 结构性态评估技术要求871.5 灾害预警功能技术要求871.6 结构性态监测系统功能框架882 数据采集与传输系统892.1 总体目标892.2 系统组成902.3 结构性态监测功能概述933 数据处理与控制系统1023.1 总
4、体要求/系统组成1023.2 数据处理与控制系统组成1033.3 数据处理与控制系统功能1033.4 数据处理流程和方法1043.5 结构健康数据管理1073.6 远程浏览查询界面1094 结构健康评估与预警系统1124.1 系统概述1124.2 主要功能与界面1124.3 结构健康性态评估与预警1175 监测控制系统维护更新以及升级1195.1 系统的日常维护1195.2 系统的更新与升级119三 设备仪器维护及更新方案1201 基本原则1212 检测设备的维护、检修与更新1222.1 传感器的保护措施1222.2 数据线的保护措施1252.3 采集设备的保护措施1252.4 中控系统的维护
5、方法1252.5 检测设备的升级与更新125四 天津高银金融大厦结构性态监测服务计划进度表128五 方案调整与变更1301 基本原则1312 方案调整措施1323 数据成活率的保证措施1333.1 传感器富余量的设置1333.2 数据采集富余量的设置1333.3 各分项监测数据的相互印证与对比133高银金融大厦结构性态监测技术部分 监测设计及施工方案绪论1.1 施工监测与运营安全监测的目的和意义近二十年来，随着我国社会经济的不断发展，超高层建筑在我国得到迅速发展、高度不断增加。但是，由于设计理论和方法本身的局限性，无法完全控制超高层建筑施工阶段结构性态的安全性、无法完全了解施工完成后结构性态与
6、设计预期的差异性；由于使用期长达上百年，超高层建筑因荷载的长期效应、环境侵蚀、材料老化、疲劳效应等因素将不可避免地导致结构系统的损伤积累和抗力衰减，从而导致结构性态的退化；由于地震、强风、恐怖袭击等自然和人为的灾害作用，可能导致结构部件或部分的损坏，从而导致结构性态的恶化。只有对超高层建筑在施工完成后的结构性态、在长期使用中的结构性态的退化程度、在各种灾害作用后的结构性态的恶化程度有定量的了解，才能通过采用合适和必要的措施确保超高层建筑使用的安全性和适用性。定量了解超高层建筑的结构性态的唯一途径是构建结构施工和运营阶段的结构性态监测。本项目旨在构建天津高银金融大厦超高层建筑在施工期间和运营阶段
7、的性态监测系统， 对结构性态进行实时在线监测，对超出设计范围的结构性态进行预警和报警，最终确保其在建造和运营全过程的安全性和适用性。1.2 工程概况天津高银金融大厦工程位于天津市高新区，是天津高新区国家软件及服务外包产业基地综合配套服务区首个建设项目，地上可容许建筑面积大约 37 万平方米，建筑高度约为 597 米（至顶部停机坪），共 117 层（包括避难层，设备层地上总结构层为 126 层)。塔楼平面为正方形，外形随高度变化，各层周边建筑轮廓随着斜外立面逐渐变小，楼首层建筑平面尺寸约65X65m（幕墙边），渐变至顶层时平面尺寸约 45X45m。中央混凝土核心筒为矩形，平面尺寸约 37X37m
8、，主要用作高速电梯设备用房和服务用房。本工程采用了三重结构体系承担风力和地震力产生的水平荷载，分别由钢筋混凝土核心筒，带有巨型支撑和腰桁架的外框架及构成核心筒与外框架之间相互作用的伸臂桁架组成，构成了多道设防的结构体系，如图 B-1-1-1 所示，共同抵抗水平地震及风荷载，提供必要的侧向刚度，满足层间位移的要求。楼板系统采用钢梁、压型钢板和混凝土组成的组合楼板系统。本项目地上可容许建筑面积大约 38 万平136方米，地下层面积约 14.3 万平方米。图 B-1-1-1 天津高银金融大厦结构体系组成图1.3 本工程进行性态监测的必要性和意义天津处于中国北方地震高烈度区（7 度，0.15g），项目
9、所在场地覆盖层较厚，场地类别介于 IIIIV 类之间，天津高银金融大厦项目是特征周期较长的超高层建筑，对长周期地震动较为敏感。考虑到国内外目前长周期部分地震观测资料缺乏的现状，结合天津高银金融大厦项目的特点，设置可以有效反映地震长周期分量的地震监测系统，对了解天津高银金融大厦在地震作用下的实际性态，促进我国在长周期地震动研究方面的技术进步，有着重要的意义。天津地区属于冲积平原，粘土层为其常见土层，在其上建造超高层建筑将改变场地地基的地质应力分布，使地基产生复杂的均匀和不均匀弹塑性变形。加之由于建筑物竖向构件尺寸大，水平构件约束强，收缩徐变等非荷载效应非常显著。通过长期监测的手段了解包括地基沉降
10、差异和竖向构件收缩徐变等非荷载效应对超高层建筑结构的影响，并在此基础上建立起包含非荷载效应监测信息的超高层建筑结构性态和安全性评估系统将有效地保障超高层建筑的正常运行，从而提高结构的安全性。天津位于中纬度欧亚大陆东岸，主要受季风环流的支配，是东亚季风盛行的地区，属大陆性气候，冬春季节风速较大，最大风力可达 9 级。由于高度比较高，且结构比较柔，天津高银金融大厦对风荷载的静力和动力作用均较为敏感。一方面，设计阶段对风荷载的数值模拟以及相关的风洞试验研究成果并不能完全准确地反映天津高银金融大厦真实的风环境及风荷载；另一方面，由于设计使用年限较长，全球气候的变迁也将对结构全寿命周期内的风环境及风荷载
11、造成较大影响。结合天津高银金融大厦设计分析模型和实测风荷载及风致响应， 可以实现对天津高银金融大厦结构真实性态的全面了解。在实测信息的基础上，可以进一步对结构的设计分析模型进行修正，在一定程度上获得更加能够反映结构真实性态的分析模型。从而为天津高银金融大厦的结构振动控制、响应预测、性态评估和结构可靠度分析提供了重要的基础。结构性态监测系统还可以动态了解结构施工过程各阶段最新的性态，并对理论分析与实测结果进行比较。在必要的情况下，可以基于实测信息及时地采取技术措施，调整施工工艺和施工方案，从而实现对施工过程的有效控制，确保施工的安全性。建成后的天津高银金融大厦是超高层建筑的代表和典范，是天津市的
12、中心地标，它的安全运营具有极其重要的社会意义和政治意义。建立天津高银金融大厦结构性态监测系统，可以即时了解天津高银金融大厦在日常使用环境下以及在强风、地震等灾害性荷载下的结构性态，进行极端灾害情况下的安全性预警，并为业主进行灾害的应急管理提供决策依据。在监测信息的基础上，结合设计单位的分析及设计结果，可以进一步评估服役结构实际的安全性、可靠性、耐久性和适用性。同时，大量的实测数据对类似超高层建筑结构的设计具有指导意义，也为超高层建筑结构新技术的研究工作提供了重要的参考。综上所述，针对天津高银金融大厦工程建设建立完善的结构性态监测系统，具有重要的研究价值和社会价值，也可以进一步提升作为天津城市地
13、标性建筑的天津高银金融大厦的高科技含量、进一步展现天津卓越的城市精神。1.4 结构施工及运营安全监测的内容结构施工及运营安全监测的内容主要包括：1.4.1 地震作用监测通过在塔楼设置两台强震仪获得塔楼的三向平动地震动输入，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，实现地震灾害的
14、预警，以及地震作用后结构的损伤识别及健康性态评估。1.4.2 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。1.4.3 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
15、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态。结构水平位移的测量可在天气条件允许的情况下每年或一定时间内采用高速摄像机进行测量，作为校核，配合倾斜仪的使用以得到准确的结构反应曲线。1.4.4 加速度监测结构动力特性是反映结构性态的一个最重要、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 阶反应即前 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施工阶段和使用阶段不同结构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。1.4.5 温度监测观测塔
