世博大廈構造改造信息化監測方式研討

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【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、計算機數據采集儀結合結構計算有限元模型對建筑結構改造實現信息化管理，探索結構改造安全評估與預警的理論和方法。

【關鍵詞】世博第一樓結構改造力學模型信息預警監測評估

一、概況

世博建設大廈是上海浦東世博園區的第一幢由12層工業廠房改造、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空間，需要連續拆除三根Φ700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控評估成為改造的重要技術保證要點。

根據本工程特點，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“精密弦式應變數據采集儀”和“高精度水準儀”二套測量方案，實現結構混凝土柱拔除原位信息監控，達到對改造結構梁、板的撓度、應力變化數據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控點，布置測量測試點進行結構安全跟蹤。

根據原結構設計圖紙和改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單元的各項計算，模型參數如下：

名稱節點（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

數量/形式

1035

504

9261種（全固結壓束形式）

200kg/m2

砼/鋼

對應圖紙

結果數據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力的變化情況：

1)原有結構的內力數據：

2)拆柱、加固改造后的內力模擬數據

3)結果數據分析

從以上結果分析可以得出如下結論：結構受力體系發生了變化，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、結構原位變形監測方法

1.弦式應變數據采集儀選用

本工程選用的振弦式應變計和弦式應變數據采集儀其設備抗干擾能力強、穩定性好、感應精確度高、同步監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用，符合施工現場復雜環境測試的要求。

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。

數據采集儀具有同時測量多個通道的功能，而且能夠根據需要設定采集頻率，并可存儲數據。數據采集儀的通用接口，能夠與電腦相連，將數據轉移到電腦內以便進一步處理（右下圖示）。

2.原位變形測量的工作流程

3.測點布置原則

根據內力模型結構主次梁位移等值線圖，判斷發生的變化主要是原有主次梁在柱子處的負彎矩區變成正彎矩區是產生最大位移的區域，需要加強關注的重要部位。本次的原位試驗目標是監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為重點控制區域。

應變測點布置在下圖所示區域：

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點所在區域附近的工字鋼上，上下翼緣各設置1個應變測點，以監測加固前后工字鋼的應力變化。記錄數據由采集儀器自動存儲和同步下載到電腦中，在獲得最原始的數據（頻率數據），經過專用軟件進行數據換算，得出結構內力變化情況。

4.監測預警方法

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測，監測數據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，停止現場施工作業，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據

1)測試數據的分析：

梁應力變化值（單位：Mpa）

點位ⅠⅣⅤⅥ鋼梁

微應變-32.4642.8456.73-70.4575.22

應力（Mpa）-1.051.391.84-2.2915.49

注意：測點Ⅱ、Ⅲ由于施工過程中的保護問題，數據漂移較大，超出誤差范圍導致記錄錯誤數據，故在數據分析過程中舍棄。

2)水準儀變形測量數據

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引起的誤差。水準儀讀數時，嚴格按照“雙讀數”原則，即一次讀數結束后，把水準儀旋轉360度，進行二次讀數。同時，測量讀數過程中，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。

變形數據測量成果表（單位：mm）：

初始數據（柱子割除前)最終數據（柱子割除后）梁最終撓度變形值

點位后視點讀數前視點讀數后視點讀數前視點讀數變形值

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

B4-46.01751.017.51686.80.7

C1-46.01743.917.51678.51.9

備注1、數據單位：mm

2、“后視點讀數”為水準儀定位相對標高；“前視點讀數”為測點相對標高

3、“點位”位置詳見圖“現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“／”的數據未能給出是由于通風管道障礙無法測量。

四、結果數據分析結論

1.通過上述表格數據可以知道，鋼梁應力增加15.49Mpa，并且為拉應力；混凝土梁測點Ⅵ應力變化最大，增加-2.29Mpa。其他測點應力增加值均在1.05Mpa～1.84Mpa之間。均在允許的設計強度范圍內；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據依據。

2.立柱割除前后水平儀測試的結果，梁上測點發生最大撓度位移1.9mm，位于測點C1上。最小撓度位移發生在B1點上，量值為0.5mm。改造加固后的結構最大豎向位置變形為1.918mm，變形符合設計要求的安全值。

3.結構受力體系發生了變化，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，主次梁彎矩均出現在其和立柱及剪力墻的固定連接位置；

5.根據計算分析，改造加固區最大豎向變形報警值為4mm，混凝土梁應力累積增量報警值為5Mpa，故監測數據小于報警值。

6.質量評估：達到了改造加固、增大室內視覺空間的要求，同時結構處于安全的使用狀態。

五、總結：

舊建筑改造中，引入信息化監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控技術的應用和研究體現了三個特征：

1.結構工作狀態的預警：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，并實現自動報警；

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生位置和變形程度；

3.結構實時安全的評定：它能依據結構的實時工作狀態和結構的變形情況，實現對結構實時安全的評價。

在倡導建設節約型社會的當下，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濟和安全的穩步發展，深入開展現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展以現代信息技術、現代控制技術、現代高新技術裝備，為城市建設工程安全完善應急反應關鍵技術，科學合理地提高城市生命線工程基礎設施抵御各種工程災變的能力，從而保證城市建設在突發性事故及工程災害中的快速反應能力與抵御能力。