在服役期^[1], 由于结构部件腐蚀、外力作用及自然灾害 (如台风、地震和雪灾等) 等原因对结构造成损伤, 使结构承载力下降, 功能退化;加上设计理论和软件模拟的局限性。为了保证建筑物在使用期间的安全, 结构健康监测显得尤其重要。结构健康监测技术 (SHM) 监测的内容分为两方面:荷载作用和效应, 且缺一不可。荷载作用^[2]包括风、地震、温度等, 荷载效应包括位移、加速度、应力、裂缝等。用探测到的响应, 结合系统的特性分析, 来评价结构损伤的严重性以及对损伤进行定位。长期的在线监测还可以得到结构的退化情况和规律, 预估结构寿命, 或为设定的结构修复维护目标提供依据。所有类型的结构都适用健康监测。

监测系统是一个融合了多门学科的综合技术, 在没有普及之前, 最早用于航空航天飞行器的检查工作。到了20世纪中叶, 由于当时桥梁建造技术有限, 工程事故频发, 很多国家制定了桥梁健康监测标准, 第1次将监测系统用于建筑工程结构中, 然后逐渐使用在大跨空间结构和超高层结构当中。1个完整的结构健康监测系统主要由4个子系统组成:传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据处理与分析子系统、结构预警子系统。

结构裂缝的产生主要是材料内部应力超过材料的极限强度导致材料内部分离, 主要来源有3种:荷载作用、环境作用 (包括温度效应, 地基沉降等因素) 、特殊因素 (包括地震、火灾、爆炸和其他自然灾害等) 。从工程安全性角度来说, 结构裂缝的扩展会对结构造成大量的损伤, 对于混凝土结构^[3], 裂缝会引起保护层剥落、渗漏、混凝土碳化、钢筋锈蚀等现象, 进而影响到结构的安全和正常使用。对于钢结构来说, 所有的钢材内部都会有细微的损伤或者裂纹, 当裂纹受到外力或者材料性质的改变时出现迅速扩展甚至断裂, 会对结构造成非常突然和严重的破坏。因此建筑裂缝状况是建筑结构安全状态的重要指标之一, 若能通过建筑裂缝传感器和在线监测系统, 长期监测建筑裂缝的发展变化, 可成为研究建筑裂缝对建筑结构安全影响的重要手段。

裂缝传感器的监测对象是裂缝的位置、宽度、长度以及发展趋势等。裂缝监测的方法也有很多种, 传统的方法一般都是通过肉眼检查和敲击试验。对于混凝土结构, 当今国内外广泛使用的传感器有分布式光纤传感器, 如图1a所示。光纤传感技术^[4]具有高精度、分布式、实时性、耐久性、抗电磁干扰的特点, 可以有效避免点式监测方法的空间不连续造成漏检现象, 监测稳定可以实现自动化。根据不同的原理对裂缝监测的研究也各不相同, 建立不同的裂缝监测模型。对于金属材料, 如钢结构, 很多情况下使用智能涂层传感器 (ICMS) , 如图1b所示。ICMS^[5]是一种新型的采用智能涂层的裂纹探测仪, 利用裂纹产生会导致涂层电阻改变的原理来探测裂纹的开始和扩展宽度。除了以上2种方法之外, 还包括与结构机械阻抗相关的压电阻抗裂纹监测方法, 结构出现微小损伤时, 如腐蚀、裂纹、螺栓松动等, 利用压电电感器件能监测到机械动态阻抗的变化, 再根据得到的变化来反演算结构损伤的具体信息^[6]。机敏网传感器的工作原理是将检测线横竖形成网格粘贴在待检测构件的表面, 并保证所有检测线之间绝缘避免短路。机敏网工作原理如图2所示^[7]。当被监测表面开裂时, 经过裂缝的检测线将会被拉断, 接收端信号消失, 综合分析横竖2个方向的信号消失情况, 就能得到裂缝出现的具体位置, 再通过长时间连续的监测, 就能得到裂缝发展的方向和趋势。还有更为直观但是后期分析较难的数字图像处理裂缝监测方法。图像裂缝监测技术通过专门的计算机程序定期采集和分析图像, 处理包括^[8]灰度图、阈值确定、裂缝二值图、裂缝区域图像填充以及裂缝的分段宽度统计等, 并考虑图像抖动的偏差, 也可以人工进行图像处理。计算分析得到的裂缝宽度、长度与标准参照对比, 进而对结构安全性进行评估。除了使用传感器技术之外, 针对钢结构, 国内外的研究学者已经可以利用金属磁记忆检测技术对焊接裂纹的长度和深度进行定量计算, 随着理论和技术的发展, 其可信度正在一步一步提高。

为了能够实现裂纹监测数据的实时在线传输、储存和远程监控, 笔者开发出一套针对上海中心的在线监测系统, 能够在浏览器中实时观测各个被测物理量的变化, 其中焊接裂纹监测子系统在硬件方面可以分为5级, 如图3所示。

裂纹传感器采集得到的数据接入数据采集器, 并进行数据转换, 传到子站。采集器到子站、子站到中心路由或服务器可通过无线、有线、光纤等方式传递。用户或者管理单位通过网络远程读取和显示数据。随着传感器技术和计算机计算、通讯技术的不断发展, 监测系统也在不断地更新和完善。

上海中心大厦是上海市综合物业发展计划的一部分。该项目位于上海陆家嘴核心区Z3-2地块, 东泰路、银城南路、花园石桥路交界处, 地块东邻上海环球金融中心, 北面为金茂大厦。上海中心总高为632m, 结构高度为580m, 上海中心大厦采用了“巨型框架-核心筒-外伸臂”结构体系, 结构沿着全高共设置了6道2层高的伸臂桁架和8道箱形空间桁架, 再加上外围的巨型柱, 组成的巨型框架有非常大的抗侧刚度。上海中心监测项目的内容主要包括地震作用、风荷载、位移、应力应变、加速度、裂纹监测等。本文将介绍裂纹监测这一子监测项目, 巨型框架中涉及到非常多复杂的焊接工作, 本监测项目的目的在于监测钢结构焊接点有无裂纹, 检测施工质量, 保证工程安全性。

上海中心钢结构焊接工作复杂, 其最重要的部位有巨型柱连接处的焊接以及巨型桁架处的焊接。本项目中测点布置原则如下:巨型柱构件的柱脚布置裂纹测点, 选择8根巨型柱中的1根巨型柱和监测层的1榀径向桁架作为监测对象。另外, 沿建筑立面, 在底部 (7层) 、中部 (67层) 以及顶部 (117层) 选择1层楼面相对应的1根巨型柱和1根角柱作为监测对象布置测点。裂纹传感器布置在内埋钢柱焊缝位置以及混凝土表面, 仅选取第117层的传感器布置如图4所示。

由于施工进度的影响, 现有安装好的传感器仅限于外围巨型钢框架上。现有于2014年3月17日安装的首批裂纹传感器, 分别在7层、67层、117层的巨型柱和径向框架的焊接位置上, 每层2个测点, 每个测点3个ICMS智能涂层传感器。传感器现场按照:打磨贴装表面→焊接→临时固定→完全固定→表面涂防火涂料5个步骤完成传感器的安装。

在国内外的很多研究中, 智能涂层传感器基本都是正方形的, 根据传感器上裂纹发展的位置和长度, 用数值模拟计算传感器两端的电阻变化^[9], 由于裂纹模式的不确定性, 其在实际建设工程中并不十分精确可靠。本工程采用的焊接裂纹传感器为智能涂层传感器, 传感器的特征值为电阻, 通过用传感器配套的采集子模块和计算机程序对传感器的电阻进行采集, 根据传感器的工作原理便能分析被测点的实际工作情况。

智能涂层传感器实为电阻条的并联。电阻条的宽度2mm, 间距为1mm, 整个传感器宽8mm, 长度不限。设传感器初始电阻 (即传感器安装的固化值) 为R, 则每个电阻条电阻为3R, 当裂纹贯穿任一电阻条, 由传感器良好的损伤随附性能, 电阻条断裂, 传感器电阻变为1.5R, △R/R=0.5;当2条电阻条断裂时, 传感器电阻为3R, △R/R=2;当全部断裂时, 传感器电阻无穷大。中间可以用线性插值来近似表示。裂纹长度和电阻变化率近似如图5所示 (l表示理想状况下的理论裂纹长度) 。

在传感器接入监测系统以后, 通过适配传感器的数据采集子模块将物理信号转换成数字信号, 再通过串口服务器接入数据采集子系统。通过中心路由传入服务器, 并将数据存储在服务器上。远端通过访问服务器即可在网页上观测整个监测系统的运行情况。下面将裂纹监测传感器的数据选取一部分进行分析, 如图6所示。

理论上只要有裂纹产生, 传感器电阻就会出现变化, 由△R就能计算出裂纹的宽度。但是当传感器中的3个电阻条都没有断裂时, 裂纹的长度非常微小, 加上安装初期, 传感器与贴合面存在蠕变, 线路电阻有一个趋于稳定的过程, 并存在温差因素和传感器本身在应力作用下的弹性变形, 都将对测量电阻造成影响。因此当电阻变化率较小时, 裂纹引起的传感器电阻变化和其他因素引起的电阻变化的信噪比较小, 无法十分准确地计算裂纹长度。钢结构的可见裂纹一旦产生一般都会立即发展, 因此电阻值的变化率将迅速增大。从持续的监测数据来看, 第7, 67, 117层的数据, 整体趋于平稳。所有测点的电阻值都在预警值之内。同一测点附近的传感器电阻值比较相近, 3组数据的相对一致性能比较真实地反映测点的真实情况。

根据以上两点, 可以规定当传感器的电阻变化率△R/R<0.5 (1条电阻条断裂时的电阻变化率) , 且传感器的电阻变化趋于平稳时, 测点未出现焊接裂纹, 当△R/R>0.5, 或出现电阻值迅速突变时, 应该启动预警机制。根据图6中的监测结果, 比较每个月和上个月18个传感器数值, 电阻值比较平稳, 没有发生电阻值的突变。计算每个月与2015年9月的电阻变化率△R/R, 其结果都<0.5, 根据传感器的理论原理和分析得出的判断规则, 上海中心大厦第7, 67, 117层焊接裂纹监测点位都未出现焊接裂纹, 但仍应持续进行监测。

1) 对于复杂钢结构节点, 焊接裂纹的监测是保证施工质量和结构安全非常重要的手段。上海中心矩形柱连接点以及与钢桁架的焊接连接关键点位暂时无裂纹出现, 说明工程施工质量可靠, 结构运营是安全的。

2) 对于大型复杂建筑物而言, 结构健康监测是保证其在施工和使用期间保持安全性和适用性的必要和重要的方法。上海中心监测项目通过互联网实现在线监测, 方便可靠, 可以作为其他类似监测项目的借鉴案例。