一種新的無線傾角計在應急監測中的應用

潘振雄，孔憲文，胡國保，邱澤良，吳 桐

（1、清遠市建設工程質量檢測站有限公司 廣東清遠 511500；2、廣東省建設工程質量安全檢測總站有限公司 廣州 510500）

0 引言

長沙自建房倒塌事故教訓慘痛［1］，人們愈發重視房屋安全，全國也迅速開展了自建房排查工作。大多數結構在倒塌前都是有預兆的，例如產生沉降、傾斜、結構性裂縫等。如果一開始就進行監測，則能有效避免一些房屋安全事故的發生。

傾斜是指建筑中心線或其墻、柱等，在不同高度的點對其相應底部點的偏移現象，可以用基礎兩端點傾斜方向的沉降差與其距離的比值來表示。結構產生傾斜的主要原因［2-4］有土壤不均勻沉降、地基基礎設計不當或被損壞、施工誤差等。結構一旦發生傾斜形變，結構受力也會隨之發生變化（使結構產生附加的次應力），構件的承載力也會因此受到影響，進而降低結構的安全性，嚴重時甚至會導致結構整體失穩而倒塌。因此不論是正在建的結構還是已經建成并投入使用的結構，傾斜都是需要密切關注的重要監測指標［5］。隨著科技的進步，傾斜監測的方法也越來越多，許多學者對此展開了深入研究：王占武等人［6］采用投點法測量建筑物傾斜，認為在建筑周邊環境復雜時采用投點法測量建筑傾斜更為高效；譚龍等人［7］采用多種方法測量建筑傾斜，認為建筑物傾斜受施工、溫度、光照等因素影響，應綜合研判傾斜變化情況；XIA 等人［8］提出了一種使用實時應變數據計算結構變形的新方法，在廣州塔上安裝了400多個振動應變計，使用實時監測應變數據計算結構頂部的位移和傾斜，計算出的變形與GPS 和傾角儀的測量結果非常吻合；張貴鑫［9］采用無線傾角儀監測建筑物傾斜，在對比分析后認為該方式滿足監測精度要求，且可節約監測成本；ZHUANG 等人［10］演示了一種基于高分辨率外征法布里-珀羅干涉儀（EFPI）的二維光纖傾角儀，用于兩個正交維度的傾斜測量，并連續監測重力壩傾斜角1年，其表現出優異的穩定性和實用性；MA 等人［11］使用無線傾角儀實時監測結構在環境荷載和運行荷載下的實際傾角響應，可以有效避免重大安全事故的發生。

相比于傳統的傾斜監測方法（如投點法、前方交會法、相對沉降差法、吊垂球法等），無線傾角傳感器具有安裝方便、響應速度快、精度高、無需布線等優點。其通過無線網絡傳輸數據，用戶可以在監測云平臺上隨時隨地查看遠程監測數據，同時也方便監測專業人員查看監測具體情況，在必要時刻進行預警。

近些年對于無線傾角計的研究也越來越多，本文設計了一種新的無線傾角計，并將其應用于房屋傾斜應急監測中，同時采用傳統的監測方法進行對比分析，體現出無線傾角計在應急監測中的應用優勢。

1 建筑物傾斜傳統測量方法

傳統的傾斜測量主要包含投點法、前方交會法、相對沉降差法、吊垂球法等。

1.1 投點法

如果被監測對象所處場地較為寬敞，其外部具有明顯特征點時，可以采用投點法。其具體過程如下：在被監測房屋結構的兩個相互垂直的豎直平面外墻上布設監測點。確定基準點，用全站儀對準一側墻體m 的頂部觀測點a，通過盤左、盤右分中投點法來確定相應底部觀測點b；再照準另一側外墻n 頂部觀測點測c，同理確定其底部觀測點d。a、b、c、d 這4 點即為結構傾斜監測的標志點。一段時間后，使用全站儀的望遠鏡瞄準之前標記好的監測點a 和監測點c，用上述方法再次確定觀測點b'和觀測點d'。測出b和b'之間以及d 和d'之間的距離△1、△2，若△1和△2同時為零，則結構沒有發生傾斜，若不為零，則結構發生了傾斜。按照矢量相加法求得水平位移值，即為傾斜量，同時也可求出傾斜度。

式中：D為結構傾斜量；i為傾斜度；H為結構高度。

在實際現場測量中，投點法相對而言較為簡單方便，用得較多。其可以直觀快速測量出結構的傾斜量，但在用投點法時，需要考慮觀測視野是否開闊，測點是否容易布設等問題。

1.2 前方交會法

利用前方交會法進行傾斜測量時，基準點的位置距離被監測對象較遠，需要較大的空間進行作業，其具體操作為：

在被測結構的一側布設好基準線MN，選取監測測點P。將兩臺全站儀架設在基準點M 和基準點N上，觀測測點P，得到∠BAP 和∠ABP 的角度值，分別記為α和β。然后根據M、N 兩點坐標以及角α和β，用前方交會公式［12］計算出測點P 坐標，一段時間后，再按上述方法得到P'的坐標，即可求出傾斜量。

前方交會法適合對圓筒型建（構）筑物進行傾斜監測，特別是當監測對象沒辦法埋設監測點時，用前方交會法更合適。但是，其有一定的局限性，且計算較為復雜。

1.3 相對沉降差法

除了用上述方法直接計算結構的傾斜量以外，還可以用結構兩邊的沉降差來間接計算結構整體的傾斜度。

2 無線傾角計

2.1 無線傾角計組成及主要參數

在應急監測中，現場環境復雜，接觸式的傳統作業手段容易對監測人員的人身安全造成傷害；應急監測頻率往往需要達到一小時一測，甚至十分鐘一測，在夜間亦需進行不間斷測量，傳統的人工監測手段大多無法在夜間進行作業，且測量頻率難以保證。因此，在應急監測中，傳統的建筑傾斜監測方法難以起到應有的作用。為了解決傳統傾斜監測方法在應急監測應用中的不足之處，本文設計了一種無線傾角計：由上蓋、硅膠密封圈、印制線路板（Printed Circuit Board，PCB）、防水Type-C 充電接口和下殼組成，以用于建筑結構應急傾斜監測，如圖1 所示。其主要參數如表1所示。

表1 主要參數Tab.1 Main Parameter

圖1 結構設計Fig.1 Structural Design

其內置電容式加速度計，當物體受到外力作用時，傾角傳感器內部的電容也會發生變化，從而產生一個微弱的電壓，這個電壓會通過精密的放大電路放大，然后將放大后的信號送出，從而測量出物體所受的加速度大小，最后通過加速度-傾角轉換算法得到結構具體傾斜情況。電容式加速度計與其他類型的加速度計相比，具有靈敏度高、零頻響應、環境適用性好等特點，尤其是其受溫度的影響比較小。

2.2 傾角數據采集方式

現有的傾角儀大多采用定時監測方式，事先預定好監測時間，到預定時間再喚醒設備，完成數據采集和數據上傳后，設備再次進入休眠狀態。如果在兩次數據采集的間隔期間出現特殊或危險情況，設備則無法感知，容易產生監測盲點。本文設計的無線傾角計采用定期采集結合振動喚醒模式，提前在數據接收監測平臺內設置振動喚醒限值，若振動數據超過限值，則馬上喚醒設備，進行數據采集加報，同時，也可以將其設置成不休眠模式，進行高頻次數據采集，不間斷的監測傾斜情況。這種數據采集方式可以有效減少數據的少報漏報。

2.3 供電方式

本文設計的無線傾角儀提供鋰電池、太陽能并用兩種供電模式，續航能力更好，因此除了可以用于短期應急監測，還可以用于長期安全監測。

2.4 安裝方法

外殼由水平式調整為垂立式，方便其直接安裝于結構或構件表面，安裝方式包括膨脹螺絲固定與強力片粘接，便于視現場工況選擇合適的安裝方法（見圖2）。

圖2 傾角計現場安裝Fig.2 On-site Installation of Inclinometer

無線傾角計具有一體化、免布線、低功耗、精度高等特點，可以應用于施工現場周邊建筑物傾斜監測、結構健康監測等自動化安全傾斜監測項目。在應急監測項目中，無線傾角計在安裝完成后即可進行無接觸式監測，且監測數據可高頻實時回傳，相較于傳統的傾斜測量方法，本文設計的無線傾角計在應急監測工程中的時效性與安全性皆有較大的提升——與非接觸式變形監測方法（測量機器人法、激光掃描測量法等）相比較，無需擔心居民區中房屋結構形式多樣且分布密集等因素造成的測量通視問題；與接觸式變形監測方法（投點法、前方交會法等）相比較，可進行長期、實時高頻率監測。

3 工程應用分析

3.1 工程概況

廣東某公寓為鋼筋混凝土框架結構，地上10 層，總高度32.3 m，占地114 m2，總建筑面積1 410 m2。該建筑發生較嚴重傾斜，建筑內部人員已全部撤離，經專家現場研判后，應急小組決定將該建筑拆除。因地處鬧市，無法進行爆破作業，且需保證建筑在拆除過程中不直接倒塌，因此，需對該結構傾斜變形進行周密的實時監測。在接受委托后，監測小組對其傾斜變形進行連續監測直至該結構完全拆除。

3.2 監測方法選擇

該工程監測項目需要監測這個建筑拆除的全過程，如果用傳統的傾斜監測方法，則無法24 h 不間斷進行監測，而無線傾角計彌補了這一缺點，可以實時監測結構傾斜情況，因此最終決定采用無線傾角計進行傾斜監測，同時用全站儀投點法進行對比校核。

3.3 監測結果

本次監測時間從10月10日開始，10月16日結束。無線傾角計選擇安裝在房屋兩條對角棱線底部；全站儀投點法選擇上述兩條對角棱線作為監測對象，測點分別記為為F1 與F2。因建筑物處于逐漸被拆除的階段，在10 月12 日，F1 測點棱線頂部被拆除，停止全站儀監測，在10 月14 日，F2 測點棱線頂部被拆除，停止全站儀監測。而無線傾角計安裝在建筑物底部，監測數據一直持續至建筑物基本完全拆除（10 月16 日）。無線傾角計與全站儀投點法測量結果數據對比如表2所示。F1和F2測點傾角累計變化值如圖3所示。

表2 兩種傾斜測量數據對比Tab.2 Comparison of Two Tilt Measurements

圖3 F1和F2測點傾角累計變化值Fig.3 F1 and F2 Cumulative Change Value of Dip Angle of Measuring Point

從表2 中可以看出，用無線傾角計對結構進行傾斜監測和用全站儀對結構進行傾斜監測所測得傾角數據相差不大，兩者相對誤差最大不超過10%，平均相對誤差不超過8%，說明用無線傾角計的測量結果較為準確，可以反映出建筑物的實際傾斜變化。

溫度是影響設備監測值的重要因素，隨著一天溫度的變化，傳感器會產生溫漂（環境溫度變化時引起晶體管參數的變化）。從無線傾角計的監測數據（見圖3）可以看出，其監測數據呈現出循環波動的趨勢，在F2測點比較明顯。因為F1測點的無線傾角計的周邊有較高建筑的遮擋，因此，受溫度影響較小，F2測點周邊無遮擋，受溫度變化的影響相對較大。

在這次應急監測中，無線傾角計監測頻率為10 min/次，持續回傳的監測數據在本次應急監測中起到了較為關鍵的作用，為專家組判斷建筑安全狀態提供了重要依據。而使用全站儀進行傾斜監測受到人力限制，監測頻率較低，且隨著建筑的不斷拆除而終止。但是用無線傾角計進行傾斜監測也有一定的局限性，其不能得出建筑的絕對傾斜量，僅能測量出在安裝無線傾角計后，建筑傾斜的變化量。因此，在采用無線傾角計測量建筑傾斜時，最好配合傳統測量方法共同使用。

4 結論

結構傾斜監測是結構安全監測中的一個重要參數。本文介紹了傳統常用的建筑傾斜測量方法，提出可采用無線傾角計測量結構傾斜變形，并對已發生嚴重傾斜的某建筑結構進行傾斜監測，同時用全站儀法進行校核，將監測數據對比分析，驗證了無線傾角計方法的可靠性，也反映出在應急監測中，無線傾角計的測量方法具備其獨特的優勢，得到主要結論如下：

⑴本文設計了一種無線傾角計，該裝置由上蓋、硅膠密封圈、印制線路板、防水Type-C 充電接口和下殼組成，其中印制線路板中含有傾角傳感器、震動傳感器和定位芯片。其可以用于不同建筑物的傾斜監測，且能大大提高監測效率和頻率，比傳統監測方法更適用于應急監測的需求。

⑵ 將本文設計的無線傾角計應用于某實際工程。通過對比分析該裝置與全站儀測得的數據可知，無線傾角計對兩個測點的數據與傳統的全站儀投點法測得數據的平均相對誤差分別不超過8%，最大相對誤差分別不超過10%。該裝置能較好的反映出建筑物的真實傾斜情況。