世博大廈構(gòu)造改造信息化監(jiān)測方式研討

1、世博大廈構(gòu)造改造信息化監(jiān)測方式研討 【摘要】世博建設(shè)大廈項目改造中應(yīng)用智能傳感元件振弦式應(yīng)變計、計算機數(shù)據(jù)采集儀結(jié)合結(jié)構(gòu)計算有限元模型對建筑結(jié)構(gòu)改造實現(xiàn)信息化管理，探索結(jié)構(gòu)改造安全評估與預(yù)警的理論和方法。 【關(guān)鍵詞】世博第一樓結(jié)構(gòu)改造力學(xué)模型信息預(yù)警監(jiān)測評估 一、概況 世博建設(shè)大廈是上海浦東世博園區(qū)的第一幢由12層工業(yè)廠房改造、裝修而成的高級辦公建筑。改造中為了擴展四層報告廳的室內(nèi)空間，需要連續(xù)拆除三根700高4000的混凝土受力柱（右圖）。 如何對主體加固、受力柱拆除、荷載轉(zhuǎn)換過程中的粱、板的撓度增量變化以及對加固改造后的結(jié)構(gòu)安全性能進(jìn)行正確監(jiān)控評估成為改造的重要技術(shù)保證要點。 根據(jù)本工程特

2、點，我們采用了曾在盧浦大橋和國家大劇院等重大工程中使用的“精密弦式應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀”和“高精度水準(zhǔn)儀”二套測量方案，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)混凝土柱拔除原位信息監(jiān)控，達(dá)到對改造結(jié)構(gòu)梁、板的撓度、應(yīng)力變化數(shù)據(jù)由計算機同步分析和實時評價，對結(jié)構(gòu)改造加固措施的有效性、安全性起到預(yù)警和評估的目的。 二、建筑結(jié)構(gòu)受力模型分析 為了策劃合理布置撓度變形測量點位及應(yīng)力測試點位的方案，利用有限元軟件（MIDAS/Gen）建立了原結(jié)構(gòu)和改造加固后結(jié)構(gòu)的有限元模型，分析結(jié)構(gòu)施工前后相應(yīng)構(gòu)件變形及應(yīng)力的變化情況，找出構(gòu)件受力薄弱監(jiān)控點，布置測量測試點進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全跟蹤。 根據(jù)原結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙和改造加固后的結(jié)構(gòu)有限元，我們建立了尺寸1：1

3、的計算模型，利用結(jié)構(gòu)計算分析有限元軟件MIDAS系列軟件中GEN完成梁和板兩種性質(zhì)單元的各項計算，模型參數(shù)如下： 名稱節(jié)點（個）梁單元（個）板單元（個） 邊界條件荷載類型自重活載單元材料單元截面 數(shù)量/形式 1035 504 9261種（全固結(jié)壓束形式） 200kg/m2 砼/鋼 對應(yīng)圖紙 結(jié)果數(shù)據(jù)是在結(jié)構(gòu)自重作用效果下考慮；活荷載（200kg/m2）只用于今后結(jié)構(gòu)使用過程中，結(jié)構(gòu)主次梁撓度變形預(yù)測中采納。 1、計算分析 通過線彈性分析，可得出如下結(jié)構(gòu)在改造加固后構(gòu)件內(nèi)力的變化情況： 1)原有結(jié)構(gòu)的內(nèi)力數(shù)據(jù)： 2)拆柱、加固改造后的內(nèi)力模擬數(shù)據(jù) 3)結(jié)果數(shù)據(jù)分析 從以上結(jié)果分析可以得出如下結(jié)論

4、：結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生了變化，有平面體系轉(zhuǎn)變成空間體系；無論是原結(jié)構(gòu)還是改造加固后的結(jié)構(gòu)，主次梁彎矩均出現(xiàn)在其立柱和剪力墻的連接位置；結(jié)構(gòu)在改造加固立柱割除前后，位移最大變形位置轉(zhuǎn)移，理論計算最大豎向位置變形為1.918毫米。 三、結(jié)構(gòu)原位變形監(jiān)測方法 1.弦式應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀選用 本工程選用的振弦式應(yīng)變計和弦式應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀其設(shè)備抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、感應(yīng)精確度高、同步監(jiān)測預(yù)警信息分級明確。曾在多個重要結(jié)構(gòu)荷載合成過程中得到成功地應(yīng)用，符合施工現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境測試的要求。 振弦式應(yīng)變計按主應(yīng)力方向布置，采用安特固（3噸型）速干環(huán)氧膠粘結(jié)在混凝土梁的下端（右上圖示）和上部疊合鋼梁的翼緣（右中圖示）等相

5、應(yīng)位置。 數(shù)據(jù)采集儀具有同時測量多個通道的功能，而且能夠根據(jù)需要設(shè)定采集頻率，并可存儲數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集儀的通用接口，能夠與電腦相連，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到電腦內(nèi)以便進(jìn)一步處理（右下圖示）。 2.原位變形測量的工作流程 3.測點布置原則 根據(jù)內(nèi)力模型結(jié)構(gòu)主次梁位移等值線圖，判斷發(fā)生的變化主要是原有主次梁在柱子處的負(fù)彎矩區(qū)變成正彎矩區(qū)是產(chǎn)生最大位移的區(qū)域，需要加強關(guān)注的重要部位。本次的原位試驗?zāi)繕?biāo)是監(jiān)測和測量柱子割除前后相應(yīng)梁的撓度變化，和附近關(guān)鍵部位的應(yīng)力變化。所以，以拆除三根柱子前后的變形和梁板的豎向撓度為控制量，應(yīng)力變化以梁的彎矩反向變化區(qū)為重點控制區(qū)域。 應(yīng)變測點布置在下圖所示區(qū)域： 本次測量測試方案

6、：在4樓屋頂下的混凝土梁上布置6個應(yīng)變測點和8個豎向撓度變形測點，具體位置如上圖所示。 另外，在結(jié)構(gòu)處理時所附加的屋頂上面，A點所在區(qū)域附近的工字鋼上，上下翼緣各設(shè)置1個應(yīng)變測點，以監(jiān)測加固前后工字鋼的應(yīng)力變化。記錄數(shù)據(jù)由采集儀器自動存儲和同步下載到電腦中，在獲得最原始的數(shù)據(jù)（頻率數(shù)據(jù)），經(jīng)過專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)換算，得出結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化情況。 4.監(jiān)測預(yù)警方法 在切割柱子過程中，對混凝土梁的應(yīng)力變化情況進(jìn)行實時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)主次梁位移等值線圖自動對比，如果累積增量達(dá)到5Mpa，將自動提出報警，停止現(xiàn)場施工作業(yè)，按預(yù)定應(yīng)急方案采取有效措施保證結(jié)構(gòu)的安全性。 5.原位測量測試及結(jié)果數(shù)據(jù) 1)測試數(shù)

7、據(jù)的分析： 梁應(yīng)力變化值（單位：Mpa） 點位鋼梁 微應(yīng)變-32.4642.8456.73-70.4575.22 應(yīng)力（Mpa）-1.051.391.84-2.2915.49 注意：測點、由于施工過程中的保護(hù)問題，數(shù)據(jù)漂移較大，超出誤差范圍導(dǎo)致記錄錯誤數(shù)據(jù)，故在數(shù)據(jù)分析過程中舍棄。 2)水準(zhǔn)儀變形測量數(shù)據(jù) 測量后視基準(zhǔn)點布置在靠近窗戶的剪力墻之上，并做好相應(yīng)的標(biāo)記?；炷亮荷蠐隙茸冃吸c做好明顯標(biāo)記，用紅色噴漆進(jìn)行涂刷，噴射“測量點”字樣標(biāo)記。 在每一個測回過程中，水準(zhǔn)儀擺放位置應(yīng)該盡量固定，減少多次后視點讀數(shù)引起的誤差。水準(zhǔn)儀讀數(shù)時，嚴(yán)格按照“雙讀數(shù)”原則，即一次讀數(shù)結(jié)束后，把水準(zhǔn)儀旋轉(zhuǎn)360

8、度，進(jìn)行二次讀數(shù)。同時，測量讀數(shù)過程中，應(yīng)多次通過讀后視點標(biāo)高的方式，保證同一測回水準(zhǔn)儀的標(biāo)高保持不變。 變形數(shù)據(jù)測量成果表（單位：mm）： 初始數(shù)據(jù)（柱子割除前)最終數(shù)據(jù)（柱子割除后）梁最終撓度變形值 點位后視點讀數(shù)前視點讀數(shù)后視點讀數(shù)前視點讀數(shù)變形值 A1-46.01751.117.5 A2-46.01745.017.51680.51.0 A3-46.01760.017.51695.31.2 A4-46.01754.517.5 B1-46.01731.017.51667.00.5 B2-46.01757.617.51693.50.6 B3-46.01749.117.51684.51.1 B

9、4-46.01751.017.51686.80.7 C1-46.01743.917.51678.51.9 備注1、數(shù)據(jù)單位：mm 2、“后視點讀數(shù)”為水準(zhǔn)儀定位相對標(biāo)高；“前視點讀數(shù)”為測點相對標(biāo)高 3、“點位”位置詳見圖“現(xiàn)場原位實驗測點布置圖” 4、“變形值”為立柱全部割除后相應(yīng)測點的梁撓度增加值 5、標(biāo)有“”的數(shù)據(jù)未能給出是由于通風(fēng)管道障礙無法測量。 四、結(jié)果數(shù)據(jù)分析結(jié)論 1.通過上述表格數(shù)據(jù)可以知道，鋼梁應(yīng)力增加15.49Mpa，并且為拉應(yīng)力；混凝土梁測點應(yīng)力變化最大，增加-2.29Mpa。其他測點應(yīng)力增加值均在1.05Mpa1.84Mpa之間。均在允許的設(shè)計強度范圍內(nèi)；且應(yīng)力增長趨勢

10、與理論分析完全相符合，可以作為改造加固評估的實測數(shù)據(jù)依據(jù)。 2.立柱割除前后水平儀測試的結(jié)果，梁上測點發(fā)生最大撓度位移1.9mm，位于測點C1上。最小撓度位移發(fā)生在B1點上，量值為0.5mm。改造加固后的結(jié)構(gòu)最大豎向位置變形為1.918mm，變形符合設(shè)計要求的安全值。 3.結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生了變化，由平面體系轉(zhuǎn)變成空間體系； 4.無論是原結(jié)構(gòu)還是改造加固后的結(jié)構(gòu)，主次梁彎矩均出現(xiàn)在其和立柱及剪力墻的固定連接位置； 5.根據(jù)計算分析，改造加固區(qū)最大豎向變形報警值為4mm，混凝土梁應(yīng)力累積增量報警值為5Mpa，故監(jiān)測數(shù)據(jù)小于報警值。 6.質(zhì)量評估：達(dá)到了改造加固、增大室內(nèi)視覺空間的要求，同時結(jié)構(gòu)處于

11、安全的使用狀態(tài)。 五、總結(jié)： 舊建筑改造中，引入信息化監(jiān)控設(shè)備和技術(shù)對結(jié)構(gòu)改造的拆除、加固進(jìn)行檢測、預(yù)警、評估，是一種新方法和新技術(shù)，在世博建設(shè)大廈工程中對智能化信息監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用和研究體現(xiàn)了三個特征： 1.結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的預(yù)警：它能通過結(jié)構(gòu)上布置的有限傳感器了解整個結(jié)構(gòu)的實時工作狀態(tài)，并實現(xiàn)自動報警； 2.結(jié)構(gòu)變形的自動記錄：它能通過結(jié)構(gòu)上布置的有限傳感器自動診斷出結(jié)構(gòu)可能損傷的發(fā)生位置和變形程度； 3.結(jié)構(gòu)實時安全的評定：它能依據(jù)結(jié)構(gòu)的實時工作狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的變形情況，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)實時安全的評價。 在倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)約型社會的當(dāng)下，城市建設(shè)舊房利用改造工程也會越來越多，對于此類復(fù)雜多變的改造工程，怎么樣緊緊抓住科學(xué)技術(shù)服務(wù)于工程建設(shè)經(jīng)濟和安全的穩(wěn)步發(fā)展，深入開展現(xiàn)代化城市工程建設(shè)安全與防災(zāi)科學(xué)的基礎(chǔ)研究與技術(shù)應(yīng)用，使工程建設(shè)逐步整合發(fā)展以現(xiàn)代信