土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與加載檢測(cè)新技術(shù)的發(fā)展

1在實(shí)施體系試驗(yàn)中,對(duì)基本結(jié)構(gòu)試驗(yàn)進(jìn)行研究土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和加載檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展是隨著我國(guó)社會(huì)主義的發(fā)展和國(guó)內(nèi)外高新技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。新中國(guó)成立后經(jīng)過(guò)幾代專業(yè)從事結(jié)構(gòu)試驗(yàn)科研、教學(xué)和工程實(shí)踐的人才的相繼努力,各類適應(yīng)各行各業(yè)發(fā)展要求的專業(yè)教材和書(shū)籍不斷涌現(xiàn),如“飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)”、“船體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)”、“建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)”、“橋梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)”、“地下結(jié)構(gòu)試驗(yàn)”、“土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)”等等,根據(jù)共性可把它們簡(jiǎn)稱為“結(jié)構(gòu)試驗(yàn)”。其主要是研究采用先進(jìn)的加載設(shè)備和傳感器以及調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集測(cè)試分析系統(tǒng),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜載、動(dòng)靜載、動(dòng)載和超動(dòng)載的加載和測(cè)試,根據(jù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理,得出真實(shí)合理的試驗(yàn)結(jié)論。大量的土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)實(shí)踐,建立起了相應(yīng)的測(cè)試分析理論,獲得了各種結(jié)構(gòu)性能的真實(shí)反映,這為制訂和修訂各種專業(yè)規(guī)范和檢定規(guī)程提供了依據(jù)?？偠灾敖Y(jié)構(gòu)試驗(yàn)”對(duì)提高土木工程結(jié)構(gòu)的理論分析、設(shè)計(jì)和建造水平起到了十分重大的作用。對(duì)從事結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)、科研和工程實(shí)踐的各位新老專業(yè)人員而言,回顧過(guò)去,面對(duì)現(xiàn)在,有助于振奮精神去開(kāi)創(chuàng)這門(mén)學(xué)科的美好未來(lái)!2結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和加載檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展我國(guó)土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與加載檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展,根據(jù)不同歷史時(shí)期,大致可分為如下三個(gè)時(shí)代,參見(jiàn)表一所示,下面分別給予簡(jiǎn)述。2.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)解放初期,我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)處于萬(wàn)業(yè)待興,同樣“結(jié)構(gòu)試驗(yàn)”學(xué)科幾乎處于空白狀態(tài)。隨著工農(nóng)業(yè)的恢復(fù)和初步發(fā)展,適應(yīng)社會(huì)發(fā)展要求,一批土木類型的大專院校和專業(yè)院所得到恢復(fù)和新建,同時(shí)逐步籌建了一批大小不等的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室,添置了數(shù)量不一的加載設(shè)備和簡(jiǎn)易測(cè)試儀器。伴隨這一恢復(fù)和新建過(guò)程一支專業(yè)技術(shù)人才隊(duì)伍得到培養(yǎng),并通過(guò)教學(xué)、科研積累了初步的試驗(yàn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。此時(shí)期為滿足教學(xué)需要編寫(xiě)了相關(guān)教材,如1958年由建筑工程出版社出版的由翁兆祥編著的《結(jié)構(gòu)試驗(yàn)》等,但僅僅初步滿足教學(xué)的急需。盡管在這個(gè)時(shí)代中,經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)期的社會(huì)政治干擾,但土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)同樣也得到了發(fā)展,現(xiàn)舉例如下:①1953年,在吉林省長(zhǎng)春市第一次進(jìn)行了高25.3米酒杯形輸電鐵塔的原型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該試驗(yàn)垂直荷載通過(guò)采用在懸吊籃中,人工分級(jí)加放鐵塊來(lái)實(shí)施,水平荷載通過(guò)人工絞車(chē)分級(jí)施加;結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變采用機(jī)械式杠桿引伸儀或手持式引伸儀測(cè)量;結(jié)構(gòu)不同高度處的水平位移,只能采用測(cè)試精度較差的經(jīng)緯儀來(lái)觀測(cè)。②1957年,對(duì)武漢長(zhǎng)江大橋進(jìn)行了簡(jiǎn)單的靜力和動(dòng)力試驗(yàn),這是我國(guó)橋梁建設(shè)史上的首次較為正規(guī)化的驗(yàn)收工作。試驗(yàn)采用載重卡車(chē)停放在橋跨不同斷面作為靜載加載,載重車(chē)采用不同車(chē)速跳過(guò)一定高度的障礙物作為動(dòng)載加載,當(dāng)時(shí)的檢測(cè)儀器十分簡(jiǎn)單。③1959年對(duì)北京火車(chē)站中央大廳平面尺寸35m×35m的雙曲鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)靜力試驗(yàn),這是大跨度結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的首創(chuàng)。④1973年先后進(jìn)行了上海萬(wàn)人體育場(chǎng)和南京五臺(tái)山體育館大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的全模型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)及結(jié)果分析,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論的正確性,并對(duì)某些受力桿件作出了適當(dāng)加強(qiáng)處理的建議,確保了場(chǎng)館的安全使用。⑤1977年在湖北隨州市山區(qū)中,完成了一次由國(guó)家建設(shè)部組織的有清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等參加的現(xiàn)場(chǎng)大型綜合性試驗(yàn)研究。試驗(yàn)采用引爆埋于地下的500噸梯恩梯炸藥作為動(dòng)態(tài)荷載,對(duì)地處不同地域的全模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)采集,得到一批有用數(shù)據(jù),隨后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工計(jì)算分析獲得一定的有價(jià)值結(jié)論。試驗(yàn)中使用了動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、光線示波器、磁帶記錄儀等設(shè)備,這是一次國(guó)內(nèi)少有的大型現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。這個(gè)時(shí)代,在北京、昆明、南寧和上海等地,還先后進(jìn)行了十余次規(guī)模較大的足尺結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn),分別對(duì)鋼筋混凝土裝配式大板結(jié)構(gòu)和大中小型粉煤灰砌塊房屋的抗震性能作出了評(píng)估并提出了抗震加固的技術(shù)措施,為確保居住民房的安全做出了貢獻(xiàn)。2.21結(jié)構(gòu)試驗(yàn)案例在這個(gè)振興時(shí)代,隨著我國(guó)改革開(kāi)放的發(fā)展深入,國(guó)民經(jīng)濟(jì)獲得了較大增長(zhǎng),國(guó)家對(duì)基本建設(shè)和教育方面的投入越來(lái)越大,一批土木類的專業(yè)得以壯大發(fā)展,許多綜合性大中型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室相繼得到籌備和建成應(yīng)用。此一時(shí)期國(guó)外專業(yè)儀器設(shè)備公司相繼登陸我國(guó),其代理公司也隨之成立。如歐美大地儀器設(shè)備中國(guó)有限公司、美國(guó)MTS和N1儀器公司、中科泛華測(cè)控有限公司、日本共和電業(yè)和TML公司、英國(guó)施力強(qiáng)公司等等,它們?yōu)槲覈?guó)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)用大中型加載設(shè)備和自動(dòng)化測(cè)試儀器設(shè)備的更新?lián)Q代起到了促進(jìn)作用,同時(shí)使我們迅速了解了世界先進(jìn)儀器設(shè)備水平。如同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從美國(guó)MTS公司引進(jìn)的臺(tái)面尺寸4m×4m的三向六自由度模擬地震振動(dòng)臺(tái),不僅可進(jìn)行國(guó)家重大工程項(xiàng)目的縮尺全模型的地震模擬振動(dòng)的試驗(yàn)研究,還可對(duì)重要機(jī)電產(chǎn)品的抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)室先后又從德國(guó)申克公司引進(jìn)了三臺(tái)630kN擬動(dòng)力試驗(yàn)機(jī),提供了進(jìn)行小縮尺模型結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)的動(dòng)靜載電液伺服液壓加載設(shè)備。該實(shí)驗(yàn)室還擁有PNS-500疲勞試驗(yàn)機(jī)和長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的YE-5000型液壓長(zhǎng)柱壓力試驗(yàn)機(jī)等加載設(shè)備,建成的大小風(fēng)洞設(shè)備可以對(duì)橋梁、大跨度結(jié)構(gòu)和高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)模擬模型試驗(yàn)。在這一時(shí)期各種檢測(cè)和采集系統(tǒng)逐步從機(jī)械式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮邮?。由L.R.C非電量變換成電量的各種拉壓力、壓強(qiáng)、位移(線位移和角位移)等新型傳感器不斷出現(xiàn),與之相連接的放大器相應(yīng)變化,由模擬式改變?yōu)閿?shù)字式。隨著電子器件的集成化微型化,由計(jì)算機(jī)軟件與功能齊全的硬件組成的一體化數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。原華東電子儀器廠為代表的國(guó)內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)廠家,提供了各種規(guī)格型號(hào)的力傳感器、電子秤和動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變放大器等產(chǎn)品。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,一批技術(shù)更先進(jìn)、功能更齊全、軟硬件兼容的數(shù)采系統(tǒng)生產(chǎn)廠家逐步出現(xiàn),如江蘇靖江東華測(cè)試技術(shù)有限公司、江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司、北戴河電子儀器廠等。這些公司推出的靜態(tài)、動(dòng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)變式數(shù)采系統(tǒng),幾乎可以滿足土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中各種電阻應(yīng)變的采集、計(jì)算、分析,直至試驗(yàn)報(bào)告的生成,這大大方便了結(jié)構(gòu)試驗(yàn),同時(shí)又提高了測(cè)試準(zhǔn)確度和試驗(yàn)質(zhì)量。在這個(gè)時(shí)代中,先后完成了上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)(東西跨度288.4m,南北向274.4m,建筑高度70.6m)的1/50全模型試驗(yàn),上海大劇院全模型振動(dòng)臺(tái)抗震試驗(yàn)及其現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè),上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)81m跨度鋼屋架足尺現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等項(xiàng)目。利用地脈動(dòng)和風(fēng)振風(fēng)壓方式對(duì)上海金貿(mào)大廈和森貿(mào)大廈進(jìn)行了結(jié)構(gòu)自振頻率、振型以及臨界阻尼比等結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)選用同濟(jì)大學(xué)自行研發(fā)的超低頻高靈敏度壓電晶體加速度傳感器,配合相應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)采系統(tǒng),利用傳遞函數(shù)法和FFT分析等方法計(jì)算,對(duì)結(jié)構(gòu)的安全度和舒適度作出了評(píng)判。這一時(shí)代的典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)案例列舉如下:①1985年5月,西藏羊卓雍湖擬興建世界矚目的高山水電站時(shí),需探索水下爆破開(kāi)通泄水管洞口對(duì)已建廠房建筑的振害影響,同濟(jì)大學(xué)接受了這一任務(wù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試要求,選用當(dāng)時(shí)比較先進(jìn)的CD-7型磁電式速度傳感器和相匹配的動(dòng)態(tài)放大器、數(shù)字磁帶記錄儀和分析儀等設(shè)備,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試。因種種原因,未進(jìn)行水下爆破,采用在陸地上進(jìn)行模擬動(dòng)測(cè),進(jìn)行了不同地域、不同炸藥量、不同測(cè)點(diǎn)位置的動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試,經(jīng)過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)分析,得出了場(chǎng)地振動(dòng)衰減系數(shù)和主頻等參數(shù),為水電站建設(shè)的安全開(kāi)挖提出了合理方案。②1991年上海東方明珠電視塔在浦東陸家嘴金融開(kāi)發(fā)區(qū)興建,塔高464m,當(dāng)時(shí)是世界第二亞洲第一,為確保工程安全,設(shè)計(jì)方華東建筑設(shè)計(jì)院委托同濟(jì)大學(xué)對(duì)該工程進(jìn)行多方位的模型靜載試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)抗震試驗(yàn),對(duì)其立柱進(jìn)行縮尺模型節(jié)點(diǎn)擬動(dòng)力強(qiáng)度試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)上述多組試件的靜動(dòng)態(tài)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析結(jié)果對(duì)原設(shè)計(jì)提出了修改意見(jiàn)。例如根據(jù)立柱節(jié)點(diǎn)的擬動(dòng)力試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)梁柱節(jié)點(diǎn)間受力性能不足,經(jīng)由設(shè)計(jì)院采取了修改節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和加強(qiáng)配筋等技術(shù)措施,對(duì)修改加強(qiáng)后的節(jié)點(diǎn)又加工了一組試件再次試驗(yàn),得到滿意結(jié)果從而保證了結(jié)構(gòu)的安全可靠建成和正常運(yùn)行。③1999年～2000年受廣西交通科學(xué)研究所委托,對(duì)廣西梧州市桂江三橋主拱應(yīng)變和邊拱相對(duì)位移進(jìn)行了施工監(jiān)測(cè)。該橋采用三跨連續(xù)自錨中承式拱橋形式,主拱為雙肋拱,矢高43.74m、跨度175m,每片拱肋由四根φ975mm×14mm的鋼管混凝土組成,全橋由主拱肋、邊拱肋、系桿、橫梁、立柱及吊桿和橋面系等部分組成,其中主拱肋是全橋中的主體結(jié)構(gòu)。為了控制和檢測(cè)施工加載過(guò)程中橋體受力和變形狀況,對(duì)主拱肋的兩個(gè)拱腳、兩個(gè)四分之一跨度位置和拱頂斷面處,共布置7×8=56個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn),同時(shí)對(duì)混凝土邊拱肋與混凝土立柱間相對(duì)位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)檢測(cè)方案的要求,采用直接粘貼式表面電阻應(yīng)變計(jì),連接DH3816采集儀兩臺(tái),分別進(jìn)行橋東西兩側(cè)主拱肋的應(yīng)變監(jiān)測(cè),采用四只YHD-50型位移傳感器進(jìn)行東西拱腳的相對(duì)水平位移值的監(jiān)測(cè)。因該橋施工歷時(shí)11個(gè)月,且施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境十分惡劣,在應(yīng)變電測(cè)技術(shù)方案中,選用縱橫兩片互為補(bǔ)償貼片的方式,起到了自動(dòng)補(bǔ)償和提高輸出靈敏度(1+μ)倍的效果。操作時(shí)嚴(yán)格注意粘貼質(zhì)量,并采用多道防潮密封技術(shù)措施,在測(cè)試全過(guò)程中還采取虛擬零點(diǎn)跟隨測(cè)試并進(jìn)行相應(yīng)修正。對(duì)整個(gè)施工過(guò)程的測(cè)試數(shù)據(jù)分析比較后,確認(rèn)了施工監(jiān)測(cè)結(jié)果,滿足設(shè)計(jì)對(duì)施工控制的應(yīng)變、位移要求,測(cè)試數(shù)據(jù)可信,確保了施工安全。2.32應(yīng)用效果及結(jié)論在這個(gè)時(shí)代,隨著我國(guó)進(jìn)一步深化改革開(kāi)放,深入貫徹科學(xué)發(fā)展觀,更加重視科學(xué)、重視教育、重視人才培養(yǎng),在科研和教育上的投入資金越來(lái)越大,新建和改建的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室也有了重大發(fā)展。如2005年同濟(jì)大學(xué)建筑工程系建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室由國(guó)家資助新建了一臺(tái)10000kN大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)加載設(shè)備和全套自動(dòng)測(cè)控?cái)?shù)采系統(tǒng),它可進(jìn)行測(cè)點(diǎn)多達(dá)200多個(gè)的小縮尺比例模型和足尺梁、柱、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)等試件試驗(yàn),為進(jìn)行垂向和水平向加載的復(fù)合受力狀態(tài)試驗(yàn)提供了一套大型綜合性試驗(yàn)設(shè)備。目前同濟(jì)大學(xué)在嘉定校區(qū)正在興建一個(gè)投資規(guī)模宏大、功能齊全、設(shè)備世界一流的大型綜合性結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心,它的建成定將會(huì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)外土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究與提高工程實(shí)踐水平,并將在教學(xué)與人才培養(yǎng)等方面發(fā)揮重大作用。在這個(gè)時(shí)代土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)項(xiàng)目越做越大,越做越復(fù)雜,如2001年廣州國(guó)際會(huì)展中心跨度163m的張弦桁架屋蓋預(yù)應(yīng)力施工監(jiān)測(cè),2002年深圳地鐵樁基托換工程施工監(jiān)測(cè),2003年上海音樂(lè)廳平移改造工程監(jiān)測(cè),2008年北京奧運(yùn)會(huì)鳥(niǎo)巢體育場(chǎng)和水立方工程模型試驗(yàn)與施工監(jiān)測(cè),北京中央電視臺(tái)新樓模型試驗(yàn),上海2010年世博會(huì)一軸四館的短期和長(zhǎng)期施工與運(yùn)行監(jiān)測(cè)等,這些多是比較典型的重大工程。舉例評(píng)述如下:①2002年深圳地鐵1號(hào)線穿越百貨廣場(chǎng)裙樓地下,需要對(duì)其6根承重樁進(jìn)行新樁托換,施工全過(guò)程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。該工程施工采用主動(dòng)托換方式,設(shè)計(jì)與施工單位首先在原有每根樁旁做兩根直徑2m深20m的人工挖孔樁,再用截面為3.2m×2.2m長(zhǎng)16m雙向預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土大梁,將原樁上柱與兩個(gè)新樁連接起來(lái),將原樁的荷載安全傳遞到新樁上。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和分析計(jì)算,托換大梁和新樁的變形很小,未對(duì)正在營(yíng)業(yè)的大樓上部結(jié)構(gòu)造成任何影響。為確保樁基托換過(guò)程中百貨廣場(chǎng)的安全,整個(gè)工程實(shí)行信息化施工。工程施工期間在大樓上部、周邊環(huán)境及托換結(jié)構(gòu)上安裝了100多個(gè)不同型號(hào)的應(yīng)變、位移和沉降傳感器,接三臺(tái)DH3816型靜態(tài)數(shù)采系統(tǒng)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)特定時(shí)間、特定工況條件下應(yīng)變及位移的變化,對(duì)采集到的數(shù)據(jù)由專門(mén)軟件進(jìn)行計(jì)算分析,監(jiān)測(cè)結(jié)果即時(shí)提交給工程指揮部,由總指揮確定施工進(jìn)度,最后經(jīng)過(guò)各方共同努力,在2002年4月24日,當(dāng)時(shí)世界地鐵工程中最大的軸力為1890噸的樁基托換工程安全圓滿完成。②2003年6月因市政工程發(fā)展需要,對(duì)建成70多年的上海音樂(lè)廳進(jìn)行了工程平移和改造,將其向南移動(dòng)66.46m,整體抬升3.38m。根據(jù)平移改造方案,采用59只液壓千斤頂排成10行,“站”在10根伸向新址的混凝土滑梁上頂起重達(dá)5850噸的整體建筑物,水平方向由14只大行程千斤頂同步頂推。整個(gè)音樂(lè)廳平移改造過(guò)程就是一個(gè)土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與加載檢測(cè)技術(shù)的綜合體現(xiàn),在當(dāng)時(shí)屬國(guó)內(nèi)絕無(wú)僅有。平移改造過(guò)程中,由總控室通過(guò)光纜線連通每個(gè)受力點(diǎn),以0.1mm的精度計(jì)算,通過(guò)計(jì)算機(jī)同步控制多個(gè)監(jiān)測(cè)和加載系統(tǒng),保證平移過(guò)程中的水平度、傾斜度和姿態(tài)狀況,一些系統(tǒng)使用了國(guó)際上最先進(jìn)的水平光纖尺等高科技設(shè)備。經(jīng)過(guò)約半個(gè)月的努力,安全完滿地完成了這一歷史性建筑的平移保護(hù),經(jīng)過(guò)相應(yīng)的修繕,這幢著名古建筑又展示出青春的魅力。③2010年上海世界博覽會(huì)世博中軸工程(簡(jiǎn)稱“世博軸”)健康監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。世博軸位于浦東世博園核心區(qū),是園區(qū)主入口和主軸,是主辦方建設(shè)的五個(gè)永久建筑之一。其由混凝土框架、鋼結(jié)構(gòu)“陽(yáng)光谷”、大型膜結(jié)構(gòu)屋面組成。膜結(jié)構(gòu)屋面南北長(zhǎng)約1km、東西寬約80m,面積達(dá)到68000平米。6個(gè)鋼結(jié)構(gòu)陽(yáng)光谷從40m高處向地下空間引入陽(yáng)光和新鮮空氣,同時(shí)收集雨水經(jīng)處理后循環(huán)利用。膜結(jié)構(gòu)屋面固定在邊桅桿、中桅桿以及陽(yáng)光谷之間連結(jié)的拉索上。為保證此大型復(fù)雜索膜結(jié)構(gòu)的安全性對(duì)其進(jìn)行了健康監(jiān)測(cè),包括以下幾個(gè)方面:1)膜結(jié)構(gòu)拉索索力監(jiān)測(cè)。2)膜面預(yù)張力監(jiān)測(cè)。3)陽(yáng)光谷鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力監(jiān)測(cè)。4)桅桿變形監(jiān)測(cè)。5)結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)監(jiān)測(cè),包括風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)、膜面內(nèi)外表面風(fēng)壓監(jiān)測(cè)以及膜面風(fēng)振監(jiān)測(cè)。索力監(jiān)測(cè)方法采用基于電磁感應(yīng)原理的EM線圈法,測(cè)試精度可達(dá)到95%左右,EM線圈可長(zhǎng)期留置結(jié)構(gòu)中供使用階段進(jìn)行索力監(jiān)測(cè)。膜面預(yù)張力測(cè)試采用同濟(jì)大學(xué)自行開(kāi)發(fā)的膜材預(yù)張力測(cè)量?jī)x,原理是根據(jù)膜面應(yīng)力剛化程度進(jìn)行張力測(cè)量,這是國(guó)內(nèi)首個(gè)目前也是唯一的自行開(kāi)發(fā)的膜面張力測(cè)量?jī)x器,獲國(guó)家發(fā)明專利。鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力采用同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的GBY型工具式表面應(yīng)變計(jì),避免了施工現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件表面貼片不易、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)條件下應(yīng)變片保護(hù)和密封困難且容易產(chǎn)生漂移的問(wèn)題。桅桿頂端位移監(jiān)測(cè)采用安裝反射棱鏡用高精度全站儀測(cè)量的方法。風(fēng)效應(yīng)監(jiān)測(cè)方式包括安裝風(fēng)速儀,在膜面測(cè)點(diǎn)位置貼放加速度傳感器,以及膜面測(cè)點(diǎn)內(nèi)外貼放風(fēng)壓傳感器等途徑,獲得結(jié)構(gòu)環(huán)境風(fēng)速風(fēng)向、膜面內(nèi)外表面風(fēng)壓以及膜面風(fēng)振加速度等數(shù)據(jù)。這些監(jiān)測(cè)傳感器通過(guò)有線或無(wú)線方式連接至控制機(jī)房,進(jìn)入主控軟件處理,全部采集獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析處理后可供對(duì)結(jié)構(gòu)整體工作狀況進(jìn)行評(píng)判。④2010年7月同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行的上海中心大廈結(jié)構(gòu)全模型模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,是發(fā)展時(shí)代的土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與加載檢測(cè)技術(shù)的綜合代表。該中心大廈位于上海浦東新區(qū)陸家嘴中心區(qū),由一幢124層塔樓(建筑高度632m,結(jié)構(gòu)高度580m)和一個(gè)7層商業(yè)裙房(高度38m)組成,整個(gè)場(chǎng)地下設(shè)5層地下室,基礎(chǔ)埋深25.4m。塔樓采用巨型框架-核心筒-外伸臂結(jié)構(gòu)體系,設(shè)置了六道外伸臂桁架。鑒于上海中心大廈建筑的重要性及其結(jié)構(gòu)高度超限、樓層平面尺寸突變等因素,有必要通過(guò)結(jié)構(gòu)整體模型的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)來(lái)研究結(jié)構(gòu)的地震破壞機(jī)理,確定抗震薄弱部位,綜合檢驗(yàn)其抗震性能,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠技術(shù)依據(jù)。該試驗(yàn)包括等效風(fēng)荷載靜力試驗(yàn)和多遇地震、設(shè)防烈度地震、罕遇地震三種不同地震工況下的動(dòng)力特性測(cè)試振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用了17個(gè)拉線式位移計(jì)、24個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)、57個(gè)加速度計(jì)、9個(gè)三向動(dòng)態(tài)力傳感器來(lái)采集分析結(jié)構(gòu)模型在等效風(fēng)靜力荷載,振動(dòng)臺(tái)各種地震波輸入振動(dòng)下的結(jié)構(gòu)反應(yīng),包括層間位移分布情況、扭轉(zhuǎn)反應(yīng)、加速度放大系數(shù)、樓層剪力分布、剪重比、傾覆力矩、模型自振周期以及振型和阻尼比等特性。得到模型的動(dòng)力特性后可根據(jù)動(dòng)力相似關(guān)系推算原型結(jié)構(gòu)的各種地震反應(yīng)量大小,分析其受力特點(diǎn),為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全提供依據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中,由主控計(jì)算機(jī)發(fā)出指令信息,進(jìn)行震動(dòng)波輸入和同步數(shù)據(jù)采集,各個(gè)復(fù)雜子系統(tǒng)被完美統(tǒng)一起來(lái)。3預(yù)測(cè)和建議3.1試驗(yàn)測(cè)試方向和測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)①土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與加載檢測(cè)技術(shù),經(jīng)過(guò)幾代人的共同努力,已有了非常大的進(jìn)步和飛速發(fā)展,從本文的介紹中可以有所了解。例如試驗(yàn)中采用的加載裝置(設(shè)備),從人工操作的簡(jiǎn)易裝置,如杠桿加砝碼,逐步發(fā)展到用液壓千斤頂,再到用高壓油泵實(shí)施多點(diǎn)同步或異壓同步加載。有的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室,目前已經(jīng)可以完成由計(jì)算機(jī)軟件控制伺服液壓加載系統(tǒng)實(shí)施特殊加載工況,試驗(yàn)全過(guò)程各類數(shù)據(jù)同步采集的復(fù)雜試驗(yàn)。有的測(cè)試機(jī)構(gòu)已經(jīng)做到將被測(cè)試件上各種不同類型不同參數(shù)的傳感器與相應(yīng)數(shù)采測(cè)試系統(tǒng)同時(shí)聯(lián)機(jī),按設(shè)計(jì)好的加載測(cè)試程序,實(shí)行閉環(huán)試驗(yàn),可以做到在試驗(yàn)時(shí)邊顯示,邊存儲(chǔ),邊傳輸,邊分析乃至一次生成試驗(yàn)結(jié)果。這不僅節(jié)省了大量人力物力和試驗(yàn)時(shí)間,同時(shí)也提高了測(cè)試精度,一些目前尚未達(dá)到這個(gè)測(cè)試水平的單位也正朝著這個(gè)方向積極努力。需要注意的是全自動(dòng)試驗(yàn)的加載測(cè)試方案和實(shí)施步驟必須精心設(shè)計(jì),對(duì)每個(gè)試驗(yàn)部件要充分做好嚴(yán)密的挑選檢查等準(zhǔn)備工作,否則有可能會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)失控的安全事故,這是對(duì)廣大試驗(yàn)技術(shù)人員的一種嚴(yán)峻考驗(yàn)。②土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與加載檢測(cè)新技術(shù)需要各行各業(yè)的共同努力,研發(fā)各種功能齊全、體積小、自重輕、長(zhǎng)期性能穩(wěn)定、量程多樣、靈敏度高、頻響范圍寬、使用安裝方便、性價(jià)比良好的新型智能化傳感器。各類傳感器,如位移計(jì)(線位移和角位移,電阻應(yīng)變式、LVDT式和膜電位變化式)、拉壓力計(jì)、扭矩計(jì)、應(yīng)變計(jì)(振弦式、光導(dǎo)纖維式和電阻應(yīng)變式)、溫度計(jì)、濕度計(jì)、速度計(jì)、加速度計(jì)等,它們的不斷研發(fā)和改進(jìn)創(chuàng)新,才能有效地促進(jìn)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)向自動(dòng)化方向發(fā)展。有了多功能多品種傳感器的研發(fā)和投產(chǎn),還需要解決與各種不同原理傳感器匹配的信號(hào)調(diào)理器和通用數(shù)采分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)問(wèn)題。目前應(yīng)變式位移傳感器和工具式表面應(yīng)變傳感器均可與應(yīng)變電橋式數(shù)采系統(tǒng)匹配連接,電感式位移傳感器需要專門(mén)的差動(dòng)調(diào)制調(diào)理器匹配,而振弦式表面應(yīng)變計(jì)和振弦式土壓力盒就要與頻率調(diào)理器相連接。因此期待今后的數(shù)采分析系統(tǒng)可以開(kāi)發(fā)出“萬(wàn)能”調(diào)理器,滿足各種不同變換原理和參數(shù)測(cè)試的需要。這對(duì)數(shù)采系統(tǒng)生產(chǎn)廠商來(lái)講是一個(gè)新的技術(shù)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn),對(duì)廣大用戶來(lái)講是一個(gè)福音。對(duì)數(shù)采分析系統(tǒng),除按傳統(tǒng)模式生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型以外,還應(yīng)積極推廣以計(jì)算機(jī)軟件為主構(gòu)成的虛擬儀器,用它來(lái)構(gòu)建滿足各種不同需要的測(cè)試系統(tǒng),按柔性測(cè)試的測(cè)試?yán)砟罱M建測(cè)試平臺(tái),這樣做既滿足人性化的測(cè)試需要又節(jié)省投資,值得今后推廣應(yīng)用。③“虛擬儀器”、“柔性測(cè)試”和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將迎來(lái)土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與加載測(cè)