幕墙屋顶健康监测漫谈

一、前言

中国建筑幕墙从1983年开始起步，历经二十多年，到2004年底我国建成各式建筑幕墙（包括屋面）工程占世界总量的一半还多。从首都北京到新疆库尔勒，从上海东部沿海大中城市到西部新兴城市，从海拔5000m西藏的拉萨到基本风压为1.3kPa的东海嵊泗，从东北的哈尔滨到海南岛三亚，随处可见新型建筑幕墙、屋顶装点着秀丽的城市大街。

建筑幕墙、屋顶已经成为现代建筑文化、建筑个性化、建筑艺术、建筑新科学的重要标志。中国已成为世界第一幕墙、屋顶生产大国和使用大国，正在发展成为幕墙、屋顶的世界强国。

很多幕墙、屋顶工程已使用几十年，环境侵蚀，材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤累积和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用下降，极端情况将引发灾害性突发事故，因此为了保障结构的安全性、完整性、适用性和耐久性，除了对已建成的工程除了进行健康普查加固之外，对重大工程急需采用有效地手段监测和评定其安全状况、修复和控制损伤。新建的重大工程也要在建设同时，总结以往经念和教训，增设健康监测系统和损伤控制系统，以监测结构的服役安全状况，为预防突发性的灾害事故提供科学而经济的手段和方法。

幕墙屋顶工程结构的智能健康监测系统至少包括如图1所示的四个功能模块。长期性、实时性和自动监测是结构健康监测系统的三个基本特征。

二、已有的健康监测的两个案例

1、拉索幕墙结构的预拉力监控及报警

深圳坚朗公司针对拉索结构的预拉力监控及报警这个技术难题，公司成立了技术攻关小组，最终在2005年元旦前将该系统设计、安装、调试完毕。该系统是在单层索网幕墙的基础上，通过对拉索锚固端节点的细化设计，安装了智能弦式传感器，然后配备了专用的数据线、采集设备、控制计算机等共同组成。此系统具备了预拉力及温度实时监控、数据自动采集保存、及自动报警等功能，可完成长期无人值守的索内力监控。另外，此系统还具有高灵敏度、高自动化、高稳定性、高可靠性等特点。在玻璃幕墙中，应用拉索结构作为幕墙的主支承结构已经越来越广泛。但拉索结构是典型的柔性结构，预拉力是拉索结构的灵魂，只有结构具有一个比较准确的预拉力，幕墙才能正常工作，结构才会安全。但是，拉索的预拉力又受结构变形、温度变化、材料蠕变等影响比较大。要想保证拉索结构的预拉力在长期内（《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068）规定幕墙的设计年限不低于25年）始终保证在一个准确的范围内是比较困难的。最好的途径是能够实时进行预应力监控及报警，在拉索结构预拉力超出或低于设定的预拉力范围时，报警提醒管理人员采取应对措施。

A：监控系统工作原理图

B：监控系统设备

（1）采样器

（2）采集模块

（3）显示控制设备

C：监控系统布置

监控系统布置主要考虑的是采样器的合理布置，对于主受力索，理论上应该在每根拉索均设置采样器。对于次受力索，可以在保证安全的前提下，有选择地布置采样器。

2、大跨度屋顶结构

深圳市民中心大厦的屋顶为长486m、宽156m的网壳结构，跨中树状衍架支撑在塔上。该结构屋顶部分安装了一套健康监测系统，该系统由传感器子系统和结构分析子系统组成，其中传感器子系统测量屋顶部分的风压和反应，结构分析子系统计算结构的反应并进行安全评定。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，其中光纤传感器和应变片测量结构的应变反应，加速度传感器测量结构的位移和加速度反应，风速仪和风压计测量屋顶的凤压分布。结构分析子系统在监测得到的结构反应的基础上，可以进行屋顶结构的损伤识别、模型修正和安全评定。

3、波士顿汉考克大厦

1971年建成的60层高的波士顿汉考克大厦，是由贝聿铭事务所设计的玻璃的幕墙，共划分成1.4×3.5米的玻璃10344块。1968年开工，至1971年建成后就陆续有玻璃破裂。1973年一次风暴中吹坏了数十块，破玻璃落下来又砸坏了一些玻璃。至1975年已有两千多块玻璃因破裂由木板代替，美丽的汉考克变得千疮百孔。为此，业主对贝聿铭事务所及有关的五个公司提出控告。据调查认为原因是结构刚度太差和玻璃强度不足（相对其厚度与面积而言）。决定采取加强中央竖井以增加结构刚度，将玻璃改为钢化玻璃，这些措施共花施工、材料、设计费达数百万美元，约占建筑总投资的数十分之一。坎布里奇中级法院最后判决，按照6个单位在事故中的责任大小来分摊这笔费用，贝聿铭事务所占4/19，两个玻璃制造厂商均占6/19.至此，汉考克大厦又恢复了闪闪光的从优雅的仪容。但是，这桩公案仍未了结，在修复后的五年中，又已破裂了55块。开始，为了预测即将破裂的玻璃，专门委派了一小队看守人员分散在大街上，拿着望运镜仔细观察每一块玻璃的颜色变化，因而成为波士顿街道生活中的一件新鲜事。现在，这种工作已由电子传感器健康监测系统代替。这是一种大约有50美分钱币那样大小的薄片，每块玻璃上都贴有一片，这10344片传感器随时将玻璃的内部状态传至中央控制室，一旦有玻璃即将破裂，中央控制室即会发出指令，并指出其位置，管理人员可迅速将其换掉。

三、幕墙屋顶结构健康监测展望

1、光纤光栅传感技术

就应力测试而言：传统的电阻应变片传感元件的性能也在不断的提高，作为钢结构的短期应变测量，还是能满足工程要求的；但其受环境影响较大，长期应变测试的结果会严重失真。长期应变测试，通过国内外同行的大量实践，已将应变传感器锁定在光纤传感器上。光纤光栅传感技术的确是一门新兴的监测技术，而且可以看作是一种智能化的健康监测技术。光纤可以归为智能材料一类，它通过把结构受力、变形的信息转换为光信息，例如光强大小的改变、光栅的反射波长等光参数来实现力信息和光信息的互换，最后通过解调设备来进行质询和解调，从而得到结构应变、应力与光强变化或者光栅波长变化之间的对应关系，精度很高。

光纤传感技术特别是光纤光栅传感技术将是未来重要幕墙屋顶工程结构健康监测的首选技术，有很大的应用和发展前景。光纤光栅传感技术是比较适合应用于结构长期健康监测，目前FBG传感器也有很多实际应用实例，的确目前有一个要认真解决的问题是解调仪的稳定性和精度，虽然国内厂家已经做了不少工作（如上海紫栅、北京品傲、武汉光科等），也有部分具有自主知识产权的产品，但在实际工程监测中还是有很多工作要继续深入研究。

2、智能拉索哈尔滨工业大学开发了一种采用光纤光栅传感器监测拉索应力的新技求，并在实际拱桥吊杆和大型斜拉桥斜拉索的生产过程中对光纤光栅的布设工艺、超张拉时的应力传感特性和长期监测时的温度补偿技术进行了研究。此外，针对光纤光栅智能拉索的工程应用问题与困难进行了深入探讨。与目前己有的索力监测技术相比较，智能拉索技术是一种监测索力的可靠手段，具有精度高、绝对测量、分布式监测、耐久性好、抗电磁干扰、操作简单、成本低等优点，在索结构点支幕墙，张弦梁及索结构屋顶具有广泛的应用前景。

3、压电薄膜裂纹萌生和扩展的监测是健康监测领域的重要研究课题。压电薄膜是监测结构的裂纹荫生与扩展是结构损伤定位和安全评定的最直接、有效的方法，作为一种感知聚合物材料，压电薄膜（PVDF）具有大变形能力、与基体良好的相容性、面监测、自适应复杂的结构形状、灵敏度高、响应快等优点。试验结果表明，结构的应变变化将导致PVDF的电压线性变化，PVDF可以用作应变传感器，其灵敏系数可达1mV／μs；此外，PVDF覆盖的面裂纹荫生将使PVDF产生脉冲电压，由此信号可以判断结构的烈纹萌生。由于压电材料具有的正、逆压电效应，使得它既可以做驱动器，也可以做传感器。现在压电薄膜可用于幕墙和屋结构健康监测与损伤识别方面的技术有三个方面，压电应变传感技术；压电阻抗技术和压电波检测法。

4、形状记忆合金（SMA）

形状记忆合金（SMA）是一种全新的功能性材料，目前，主要的几种记忆合金为Ni-Ti合金、Cu基合金和Fe基合金等。具有独特的形状记忆效应和相变超弹性性能，因此可广泛应用于当前迅速发展的智能结构中，使智能结构具有高度自适应能力，能够自动适应结构的一些特殊要求。例如把SMA材料处理后复合于幕墙屋顶的面板材料之中或加工成智能元件安装在立柱结构的某些部位，就可利用其特殊的力学行为和物理性能，使之成为具有损伤监控、被动或主动控制结构变形和地震反应，以便对建筑结构的裂缝、变形及振动进行准确而有效的控制。

5、疲劳寿命丝（箔）传感器疲劳效应是影响重大工程结构健康的主要因素之一。至今，承受变幅交变荷载的结构寿命预测仍是有待解决的难题。虽然一些理论，如结构累积损伤理论已经有一些比较成熟的方法用于疲劳寿命估计，但因缺乏可以信赖的实测数据（如疲劳载荷谱等）而难以用到实际结构中。

美国20世纪70年代提出了用类似于电阻应变片的简单元件来测试疲劳损伤的概念和方法。国内从1984年开始，南京航空航天大学、第629研究所、上海有色金属研究所、第702研究所等单位大力合作，经过8年的努力，研制出了疲劳寿命计。随后，南京航空航天大学的对疲劳寿命计的性能进行了深人的研究，得到了最大电阻变化率6.3％、1800μs下疲劳寿命大于106次、电阻变化率大于0.5％、离散度小于5％等的高性能疲劳寿命计，并研制了旨在提高疲劳敏感性的应变倍增器，为疲劳寿命计的实用化研究打下了基础。建筑幕墙在风荷载作用下的疲劳寿命研究目前还是空白，在建筑幕墙和屋顶建立一套疲劳损伤监测与评定系统，将促进建筑幕墙和屋顶结构的疲劳损伤监测。

四、结束语

工程结构的智能监测系统在幕墙和屋顶工程还很少，工程结构的智能监测系统如何在幕墙和屋顶工程应用还有很多开发性的工作，需要多学科研究人员和幕墙和屋顶工程技术人员的紧密合作。我国正处于幕墙屋顶工程与基础设施建设的高峰时期，因此，我国已经、正在和计划建造的重大工程结构的安全需求，为健康监测系统的研究、发展与实施提供了广阔的空间和美好的前景。

本文浅要介绍和初浅展望，仅为抛砖引玉的参考，不妥之处，诚请指正。