世博建設大廈結構改造信息化監(jiān)測方法研究

1、世博建設大廈結構改造信息化監(jiān)測方法研究上海市建筑裝飾工程有限公司 侯建設 王輝平【摘要】世博建設大廈項目改造中應用智能傳感元件振弦式應變計、計算機數(shù)據(jù)采集儀結合結構計算有限元模型對建筑結構改造實現(xiàn)信息化管理，探索結構改造安全評估與預警的理論和方法?！娟P鍵詞】 世博第一樓 結構改造 力學模型 信息預警 監(jiān)測評估一、 概況世博建設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、荷載轉換過程中的粱、板的撓度增量變化以及對加固改造后的結構安全性能進行正確監(jiān)

2、控評估成為改造的重要技術保證要點。根據(jù)本工程特點，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“精密弦式應變數(shù)據(jù)采集儀”和“高精度水準儀”二套測量方案，實現(xiàn)結構混凝土柱拔除原位信息監(jiān)控，達到對改造結構梁、板的撓度、應力變化數(shù)據(jù)由計算機同步分析和實時評價，對結構改造加固措施的有效性、安全性起到預警和評估的目的。二、 建筑結構受力模型分析為了策劃合理布置撓度變形測量點位及應力測試點位的方案，利用有限元軟件（MIDAS/Gen）建立了原結構和改造加固后結構的有限元模型，分析結構施工前后相應構件變形及應力的變化情況，找出構件受力薄弱監(jiān)控點，布置測量測試點進行結構安全跟蹤。根據(jù)原結構設計圖紙和改

3、造加固后的結構有限元，我們建立了尺寸1：1的計算模型，利用結構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10355049261種（全固結壓束形式）200kg/m2砼/鋼對應圖紙結果數(shù)據(jù)是在結構自重作用效果下考慮；活荷載（200kg/m2）只用于今后結構使用過程中，結構主次梁撓度變形預測中采納。1、 計算分析通過線彈性分析，可得出如下結構在改造加固后構件內(nèi)力的變化情況：1) 原有結構的內(nèi)力數(shù)據(jù)：結構主次梁彎矩內(nèi)力圖（單位：N*mm）結構主次梁位移等值線圖（單

4、位：mm）2) 拆柱、加固改造后的內(nèi)力模擬數(shù)據(jù)結構主次梁位移等值線圖（單位：mm）結構主次梁彎矩內(nèi)力圖（單位：N*mm）3) 結果數(shù)據(jù)分析從以上結果分析可以得出如下結論：結構受力體系發(fā)生了變化，有平面體系轉變成空間體系；無論是原結構還是改造加固后的結構，主次梁彎矩均出現(xiàn)在其立柱和剪力墻的連接位置；結構在改造加固立柱割除前后，位移最大變形位置轉移，理論計算最大豎向位置變形為1.918毫米。三、 結構原位變形監(jiān)測方法1. 弦式應變數(shù)據(jù)采集儀選用本工程選用的振弦式應變計和弦式應變數(shù)據(jù)采集儀其設備抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、感應精確度高、同步監(jiān)測預警信息分級明確。曾在多個重要結構荷載合成過程中得到成功地應

5、用，符合施工現(xiàn)場復雜環(huán)境測試的要求。振弦式應變計按主應力方向布置，采用安特固（3噸型）速干環(huán)氧膠粘結在混凝土梁的下端（右上圖示）和上部疊合鋼梁的翼緣（右中圖示）等相應位置。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)轉移到電腦內(nèi)以便進一步處理（右下圖示）。2. 原位變形測量的工作流程 原位鋼反粱加固鑒定鋼反梁表面弦式應變計安裝水準標尺點設置固定混凝土粱表面弦式應變計安裝初始數(shù)據(jù)調(diào)整預警數(shù)據(jù)設 置混凝土柱子按序割除結構變形同步信息 監(jiān)測報告 3. 測點布置原則根據(jù)內(nèi)力模型結構主次梁位移等值線圖，判斷發(fā)生的變化主要是

6、原有主次梁在柱子處的負彎矩區(qū)變成正彎矩區(qū)是產(chǎn)生最大位移的區(qū)域，需要加強關注的重要部位。本次的原位試驗目標是監(jiān)測和測量柱子割除前后相應梁的撓度變化，和附近關鍵部位的應力變化。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，應力變化以梁的彎矩反向變化區(qū)為重點控制區(qū)域。應變測點布置在下圖所示區(qū)域： 本次測量測試方案：在4樓屋頂下的混凝土梁上布置6個應變測點和8個豎向撓度變形測點，具體位置如上圖所示。另外，在結構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，上下翼緣各設置1個應變測點，以監(jiān)測加固前后工字鋼的應力變化。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)

7、據(jù)），經(jīng)過專用軟件進行數(shù)據(jù)換算，得出結構內(nèi)力變化情況。4. 監(jiān)測預警方法在切割柱子過程中，對混凝土梁的應力變化情況進行實時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)與結構主次梁位移等值線圖自動對比，如果累積增量達到5Mpa，將自動提出報警，停止現(xiàn)場施工作業(yè)，按預定應急方案采取有效措施保證結構的安全性。5. 原位測量測試及結果數(shù)據(jù)1) 測試數(shù)據(jù)的分析： 梁應力變化值（單位：Mpa）點位鋼梁微應變應力（Mpa）注意：測點、由于施工過程中的保護問題，數(shù)據(jù)漂移較大，超出誤差范圍導致記錄錯誤數(shù)據(jù)，故在數(shù)據(jù)分析過程中舍棄。2) 水準儀變形測量數(shù)據(jù)測量后視基準點布置在靠近窗戶的剪力墻之上，并做好相應的標記。混凝土梁上撓度變形點做好明顯

8、標記，用紅色噴漆進行涂刷，噴射“測量點”字樣標記。在每一個測回過程中，水準儀擺放位置應該盡量固定，減少多次后視點讀數(shù)引起的誤差。水準儀讀數(shù)時，嚴格按照“雙讀數(shù)”原則，即一次讀數(shù)結束后，把水準儀旋轉360度，進行二次讀數(shù)。同時，測量讀數(shù)過程中，應多次通過讀后視點標高的方式，保證同一測回水準儀的標高保持不變。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A1-46.0 1751.1 A2-46.0 1745.0 1680.5 1.0 A3-46.0 1760.0 1695.3 1.2 A4-46.0

9、1754.5 B1-46.0 1731.0 1667.0 0.5 B2-46.0 1757.6 1693.5 0.6 B3-46.0 1749.1 1684.5 1.1 B4-46.0 1751.0 1686.8 0.7 C1-46.0 1743.9 1678.5 1.9 備注1、 數(shù)據(jù)單位：mm2、 “后視點讀數(shù)”為水準儀定位相對標高；“前視點讀數(shù)”為測點相對標高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測點的梁撓度增加值5、 標有“”的數(shù)據(jù)未能給出是由于通風管道障礙無法測量。四、 結果數(shù)據(jù)分析結論1. 通過上述表格數(shù)據(jù)可以知道，鋼梁應力增加15.

10、49 Mpa，并且為拉應力；混凝土梁測點應力變化最大，增加-2.29 Mpa。其他測點應力增加值均在1.05 Mpa1.84 Mpa之間。均在允許的設計強度范圍內(nèi)；且應力增長趨勢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果，梁上測點發(fā)生最大撓度位移1.9 mm，位于測點C1上。最小撓度位移發(fā)生在B1點上，量值為0.5 mm。改造加固后的結構最大豎向位置變形為1.918 mm，變形符合設計要求的安全值。3. 結構受力體系發(fā)生了變化，由平面體系轉變成空間體系；4. 無論是原結構還是改造加固后的結構，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

11、. 根據(jù)計算分析，改造加固區(qū)最大豎向變形報警值為4 mm，混凝土梁應力累積增量報警值為5 Mpa，故監(jiān)測數(shù)據(jù)小于報警值。6. 質(zhì)量評估：達到了改造加固、增大室內(nèi)視覺空間的要求，同時結構處于安全的使用狀態(tài)。五、 總結：舊建筑改造中，引入信息化監(jiān)控設備和技術對結構改造的拆除、加固進行檢測、預警、評估，是一種新方法和新技術，在世博建設大廈工程中對智能化信息監(jiān)控技術的應用和研究體現(xiàn)了三個特征： 1. 結構工作狀態(tài)的預警：它能通過結構上布置的有限傳感器了解整個結構的實時工作狀態(tài)，并實現(xiàn)自動報警；2. 結構變形的自動記錄：它能通過結構上布置的有限傳感器自動診斷出結構可能損傷的發(fā)生位置和變形程度；3. 結構實時安全的評定：它能依據(jù)結構的實時工作狀態(tài)和結構的變形情況，實現(xiàn)對結構實時安全的評價。在倡導建設節(jié)約型社會的當下，城市建設舊房利用改造工程也會越來越多，對于此類復雜多變的改造工程，怎么樣緊緊抓住科學技術服務于工程建設經(jīng)濟和安全的穩(wěn)步發(fā)展，深入開展現(xiàn)代化城市工程建設安全與防災科學的基礎研究與技術應用，使工程建設逐步整合發(fā)