世博大厦构造改造信息化监测方式研讨

【摘要】世博建设大厦项目改造中应用智能传感元件振弦式应变计、计算机数据采集仪结合结构计算有限元模型对建筑结构改造实现信息化管理，探索结构改造安全评估与预警的理论和方法。

【关键词】世博第一楼结构改造力学模型信息预警监测评估

一、概况

世博建设大厦是上海浦东世博园区的第一幢由12层工业厂房改造、装修而成的高级办公建筑。改造中为了扩展四层报告厅的室内空间，需要连续拆除三根Φ700高4000的混凝土受力柱（右图）。

如何对主体加固、受力柱拆除、荷载转换过程中的粱、板的挠度增量变化以及对加固改造后的结构安全性能进行正确监控评估成为改造的重要技术保证要点。

根据本工程特点，我们采用了曾在卢浦大桥和国家大剧院等重大工程中使用的“精密弦式应变数据采集仪”和“高精度水准仪”二套测量方案，实现结构混凝土柱拔除原位信息监控，达到对改造结构梁、板的挠度、应力变化数据由计算机同步分析和实时评价，对结构改造加固措施的有效性、安全性起到预警和评估的目的。

二、建筑结构受力模型分析

为了策划合理布置挠度变形测量点位及应力测试点位的方案，利用有限元软件（MIDAS/Gen）建立了原结构和改造加固后结构的有限元模型，分析结构施工前后相应构件变形及应力的变化情况，找出构件受力薄弱监控点，布置测量测试点进行结构安全跟踪。

根据原结构设计图纸和改造加固后的结构有限元，我们建立了尺寸1：1的计算模型，利用结构计算分析有限元软件MIDAS系列软件中GEN完成梁和板两种性质单元的各项计算，模型参数如下：

名称节点（个）梁单元（个）板单元（个）

边界条件荷载类型自重＋活载单元材料单元截面

数量/形式

1035

504

9261种（全固结压束形式）

200kg/m2

砼/钢

对应图纸

结果数据是在结构自重作用效果下考虑；活荷载（200kg/m2）只用于今后结构使用过程中，结构主次梁挠度变形预测中采纳。

1、计算分析

通过线弹性分析，可得出如下结构在改造加固后构件内力的变化情况：

1)原有结构的内力数据：

2)拆柱、加固改造后的内力模拟数据

3)结果数据分析

从以上结果分析可以得出如下结论：结构受力体系发生了变化，有平面体系转变成空间体系；无论是原结构还是改造加固后的结构，主次梁弯矩均出现在其立柱和剪力墙的连接位置；结构在改造加固立柱割除前后，位移最大变形位置转移，理论计算最大竖向位置变形为1.918毫米。

三、结构原位变形监测方法

1.弦式应变数据采集仪选用

本工程选用的振弦式应变计和弦式应变数据采集仪其设备抗干扰能力强、稳定性好、感应精确度高、同步监测预警信息分级明确。曾在多个重要结构荷载合成过程中得到成功地应用，符合施工现场复杂环境测试的要求。

振弦式应变计按主应力方向布置，采用安特固（3吨型）速干环氧胶粘结在混凝土梁的下端（右上图示）和上部叠合钢梁的翼缘（右中图示）等相应位置。

数据采集仪具有同时测量多个通道的功能，而且能够根据需要设定采集频率，并可存储数据。数据采集仪的通用接口，能够与电脑相连，将数据转移到电脑内以便进一步处理（右下图示）。

2.原位变形测量的工作流程

3.测点布置原则

根据内力模型结构主次梁位移等值线图，判断发生的变化主要是原有主次梁在柱子处的负弯矩区变成正弯矩区是产生最大位移的区域，需要加强关注的重要部位。本次的原位试验目标是监测和测量柱子割除前后相应梁的挠度变化，和附近关键部位的应力变化。所以，以拆除三根柱子前后的变形和梁板的竖向挠度为控制量，应力变化以梁的弯矩反向变化区为重点控制区域。

应变测点布置在下图所示区域：

本次测量测试方案：在4楼屋顶下的混凝土梁上布置6个应变测点和8个竖向挠度变形测点，具体位置如上图所示。

另外，在结构处理时所附加的屋顶上面，A点所在区域附近的工字钢上，上下翼缘各设置1个应变测点，以监测加固前后工字钢的应力变化。记录数据由采集仪器自动存储和同步下载到电脑中，在获得最原始的数据（频率数据），经过专用软件进行数据换算，得出结构内力变化情况。

4.监测预警方法

在切割柱子过程中，对混凝土梁的应力变化情况进行实时监测，监测数据与结构主次梁位移等值线图自动对比，如果累积增量达到5Mpa，将自动提出报警，停止现场施工作业，按预定应急方案采取有效措施保证结构的安全性。

5.原位测量测试及结果数据

1)测试数据的分析：

梁应力变化值（单位：Mpa）

点位ⅠⅣⅤⅥ钢梁

微应变-32.4642.8456.73-70.4575.22

应力（Mpa）-1.051.391.84-2.2915.49

注意：测点Ⅱ、Ⅲ由于施工过程中的保护问题，数据漂移较大，超出误差范围导致记录错误数据，故在数据分析过程中舍弃。

2)水准仪变形测量数据

测量后视基准点布置在靠近窗户的剪力墙之上，并做好相应的标记。混凝土梁上挠度变形点做好明显标记，用红色喷漆进行涂刷，喷射“测量点”字样标记。

在每一个测回过程中，水准仪摆放位置应该尽量固定，减少多次后视点读数引起的误差。水准仪读数时，严格按照“双读数”原则，即一次读数结束后，把水准仪旋转360度，进行二次读数。同时，测量读数过程中，应多次通过读后视点标高的方式，保证同一测回水准仪的标高保持不变。

变形数据测量成果表（单位：mm）：

初始数据（柱子割除前)最终数据（柱子割除后）梁最终挠度变形值

点位后视点读数前视点读数后视点读数前视点读数变形值

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

备注1、数据单位：mm

2、“后视点读数”为水准仪定位相对标高；“前视点读数”为测点相对标高

3、“点位”位置详见图“现场原位实验测点布置图”

4、“变形值”为立柱全部割除后相应测点的梁挠度增加值

5、标有“／”的数据未能给出是由于通风管道障碍无法测量。

四、结果数据分析结论

1.通过上述表格数据可以知道，钢梁应力增加15.49Mpa，并且为拉应力；混凝土梁测点Ⅵ应力变化最大，增加-2.29Mpa。其他测点应力增加值均在1.05Mpa～1.84Mpa之间。均在允许的设计强度范围内；且应力增长趋势与理论分析完全相符合，可以作为改造加固评估的实测数据依据。

2.立柱割除前后水平仪测试的结果，梁上测点发生最大挠度位移1.9mm，位于测点C1上。最小挠度位移发生在B1点上，量值为0.5mm。改造加固后的结构最大竖向位置变形为1.918mm，变形符合设计要求的安全值。

3.结构受力体系发生了变化，由平面体系转变成空间体系；

4.无论是原结构还是改造加固后的结构，主次梁弯矩均出现在其和立柱及剪力墙的固定连接位置；

5.根据计算分析，改造加固区最大竖向变形报警值为4mm，混凝土梁应力累积增量报警值为5Mpa，故监测数据小于报警值。

6.质量评估：达到了改造加固、增大室内视觉空间的要求，同时结构处于安全的使用状态。

五、总结：

旧建筑改造中，引入信息化监控设备和技术对结构改造的拆除、加固进行检测、预警、评估，是一种新方法和新技术，在世博建设大厦工程中对智能化信息监控技术的应用和研究体现了三个特征：

1.结构工作状态的预警：它能通过结构上布置的有限传感器了解整个结构的实时工作状态，并实现自动报警；

2.结构变形的自动记录：它能通过结构上布置的有限传感器自动诊断出结构可能损伤的发生位置和变形程度；

3.结构实时安全的评定：它能依据结构的实时工作状态和结构的变形情况，实现对结构实时安全的评价。

在倡导建设节约型社会的当下，城市建设旧房利用改造工程也会越来越多，对于此类复杂多变的改造工程，怎么样紧紧抓住科学技术服务于工程建设经济和安全的稳步发展，深入开展现代化城市工程建设安全与防灾科学的基础研究与技术应用，使工程建设逐步整合发展以现代信息技术、现代控制技术、现代高新技术装备，为城市建设工程安全完善应急反应关键技术，科学合理地提高城市生命线工程基础设施抵御各种工程灾变的能力，从而保证城市建设在突发性事故及工程灾害中的快速反应能力与抵御能力。