0 引言

　　超高层建筑为人群密集的大型公共建筑，在复杂的结构形式及施工环境等多因素作用下，使超高层建筑对结构自身和周边环境的影响与控制变得较为重要。因此，须进行结构性态监测，包括结构设计、施工、运行管理、评估诊断、处置决策等多个环节，是工程结构全寿命周期安全运维的关键。结构性态监测系统由传感器子系统，数据采集、处理与传输子系统，数据管理与处理子系统，性态预警、模型修正、安全评定与异常处置子系统构成，各子系统间的关系如图1所示^[1,2]。

　　图1 子系统间的关系  

　　近年来，性态监测技术在桥梁工程中得到广泛应用，如香港青马大桥安装了保证桥梁运营阶段安全的风和结构性态监测系统^[3]，该系统可监测桥梁外部荷载与动力响应;南京长江大桥、润扬大桥、淮安大桥等均安装了性态监测系统^[4,5,6]。

　　性态监测技术在大跨度空间结构与超高层建筑中的应用越来越广泛，深圳市民中心屋顶安装了性态监测系统，该系统由传感器子系统和结构分析子系统构成。其中，传感器子系统包括光纤传感器、应变片、风速仪、风压计和加速度传感器，可测量屋顶风压和响应;结构分析子系统计算结构响应，可进行屋顶结构损伤识别、模型修正与安全评定^[7]。上海中心大厦以20个楼层为监测层，设有7个监测子站及1个总控基站，可实现结构性态监测^[8]。贺映候等^[9]设计深圳平安金融中心性态监测系统，采用13种(共515台)监测设备对结构进行实时监测和数据采集，并通过结构监测健康评估系统进行损伤识别、状态评估和安全预警。通过复杂部位性态监测及数值仿真分析可保证结构安全^{[10,11,12,13]}。

　　基于以上研究成果，对山东省某超高层建筑进行数值模拟计算，并完成结构性态监测。

　　1 工程概况

　　某超高层建筑地上建筑面积约18万m²，总占地面积6 663m²。塔楼东西长55.60m、南北宽55.60m，地上72层，建筑高度339m。塔楼平面为方形，外形随高度变化。中央混凝土核心筒为八角形，主要作为电梯设备用房和服务用房。该工程采用二重结构体系构成多道设防防线，共同抵抗水平地震作用及风荷载，并提供侧向刚度，满足层间位移要求。该建筑采用由钢梁和钢筋桁架楼承板组成的组合楼板系统，围护结构为玻璃幕墙系统。

　　2 数值模拟计算

　　数值模拟计算时采用SATWE V3.2.0软件，根据现场施工情况调整计算模型。核心筒施工完成时，外框架施工至43层，幕墙施工至19层。楼面恒荷载取1.0k N/m²(自动计算现浇楼板自重)，活荷载取2.0k N/m²，幕墙荷载施加至19层(取13k N/m)，结构有限元模型如图2所示。

　　图2 有限元模型  

　　2.1 模型信息

　　结构抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，场地类别为I1类。有限元模型中将墙梁跨中结点作为刚性楼板从结点，水平力通过楼层剪力差法确定，并假定所有楼层采用刚性楼板。结构重要性系数为1.1，框架梁梁端配筋考虑受压钢筋，并将梁端简化为刚域。

　　2.2 变形验算

　　经验算，所有工况下结构最大层间位移角均满足JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.7.3条的规定。设定扭转不规则位移比为1.20，位移比限值为1.50，根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》第3.4.3条及《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.4.5条的规定，可知本结构不属于扭转不规则。

　　2.3 抗倾覆验算

　　根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第12.1.7条的规定，验算结构抗倾覆性能，结果如表1所示。

　　表1 抗倾覆验算结果 

　　表1 抗倾覆验算结果

　　2.4 抗震分析

　　地震作用最不利方向角为1.97°，计算得第1地震方向有效质量系数为99.74%，第2地震方向有效质量系数为99.72%，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第5.1.13条的规定，可知2个方向参与振型足够。

　　3 施工阶段监测

　　根据结构特点、荷载作用及环境特点，对荷载源和结构响应进行监测。其中，荷载源监测主要包括风环境、温湿度、地震监测;结构响应监测主要包括应力、应变、倾斜、动力特性、舒适度、结构顶层位移监测。

　　3.1 应力、应变监测

　　主要监测塔楼关键构件应力、应变，关键构件包括巨型钢管混凝土柱核心筒和转换桁架。在1,30层角部8根巨柱四周安装应力、应变计，每根柱布置4个测点。

　　随着楼层的增加，巨柱和核心筒应力逐渐增加，1层巨柱最大压应力增量<100MPa,1层核心筒混凝土内钢筋最大应力增量<86MPa。30层巨柱最大压应力增量<40MPa,30层转换桁架最大应力增量<50MPa。应力增长趋势符合施工进度，结构安全。

　　3.2 倾斜监测

　　由于加强层和环带桁架的作用，整个结构在运动过程中沿垂直方向并非均匀分布，通过垂直方向的倾斜监测，可拟合该方向精确运动形态。当形态不正常时，及时预警，可定位问题楼层。选取10,20,30,41,50,59,RF01(设备层)层和塔楼顶进行监测，每层设置2个双向监测点。

　　对部分水平倾斜仪数据进行分析，结果如表2所示。由表2可知，在核心筒施工期间，所有监测点倾角均较小，计算得核心筒倾斜度均<1/1 000，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》中对水平位移限值的要求。

　　表2 各层倾角 

　　表2 各层倾角

　　3.3 动力特性监测

　　在关键楼层布置加速度传感器(采样频率为100Hz)，以获取结构自振周期、频率及阻尼，实时记录结构在风荷载、地震作用下的响应，可验证并修正理论计算结果。对塔楼动力特性数据进行功率谱分析，结果如图3所示，各阶频率如表3所示。

　　图3 功率谱密度  

　　表3 各阶频率  

　　表3 各阶频率

　　结构自振周期与现状结构模型计算结果相近，施工状态可控。结构振动幅值较小，第1周期基本<5s，刚度满足要求，且水平两主轴方向动力特性相似，符合《建筑抗震设计规范》第3.5.3条的规定。

　　4 结果分析

　　由数值模拟计算结果可知，1层巨柱应力比约为0.25，应力约为78MPa，这与监测结果相近。计算得施工状态下x向前3阶频率分别为0.196,0.539,1.181Hz,y向前3阶频率分别为0.207,0.582,1.272Hz，可知动力特性监测结果与数值模拟计算结果相近。

　　5 结语

　　对山东省某超高层建筑进行结构性态监测及数值模拟计算，将监测结果与计算结果进行对比，可知二者较接近，表明结构性态监测具有一定可行性。实际工程结构性态监测过程中，施工各方需加强管理，并提高产品保护意识，以实现最佳监测效果。性态监测进一步保证了结构安全，安全预警子系统在监测数据接近临界值时，可通过互联网技术自动将预警发送至相关单位，应及时做好防范工作。整个性态监测系统对错误数据的智能过滤十分重要，否则安全预警子系统将产生错误预警，造成人力、物力、财力的严重损失。