李 兵

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 工程概況

背景工程為上海南京東路179號街坊項目新康大樓外墻保護工程，位于上海黃浦區(qū)江西中路264號，該大樓建造于1916—1921年，原設(shè)計單位為英籍建筑師事務(wù)所馬海洋行，原建設(shè)單位為英商新康洋行，結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框架（含部分混凝土墻），原建筑房屋占地面積1 154 m2，總建筑面積10 433.38 m2，現(xiàn)為重要歷史保護建筑。原設(shè)計為6層混凝土結(jié)構(gòu)，目前加建為9層，其中2層為早期加建，后期在屋面（9層）搭建1層磚混結(jié)構(gòu)房屋。為滿足日后功能需求，在保護外墻的要求下對該歷史保護建筑結(jié)構(gòu)進行改造，拆除原建筑內(nèi)部所有梁、板、柱結(jié)構(gòu)，并開挖5層地下室。為達到既保留外墻立面的歷史風貌，又不影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工的目的，在拆除內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同時對保留外墻進行臨時支撐，形成鋼桁架支撐體系結(jié)構(gòu)（圖1）。為增加外墻側(cè)向剛度，保證其整體穩(wěn)定性，在距三面保留墻體內(nèi)外側(cè)各一定距離（750～1 400 mm）設(shè)置與保留外墻走向一致的一排H400型鋼柱，內(nèi)外鋼柱之間及與保留外墻，通過鋼連梁以及水平、豎向和側(cè)向支撐進行拉結(jié)，局部設(shè)置鋼支撐進行加強，同時在結(jié)構(gòu)開口一面（東側(cè)）設(shè)置2個大型格構(gòu)柱式核心筒，2個核心筒之間設(shè)置交叉支撐形成整體，由核心筒出發(fā)增設(shè)水平空間伸臂桁架支撐，頂部同時加若干平面桁架式角撐增強頂部剛度，最終形成臨時鋼結(jié)構(gòu)支撐整體結(jié)構(gòu)體系，提高保留外墻的整體穩(wěn)定性。

圖1 新康大樓改造前及改造中的實景

2 自動化監(jiān)控

由于本建筑為歷史保護建筑，墻體的安全和穩(wěn)定是施工過程中首先要解決的問題，而鋼桁架圍護結(jié)構(gòu)是為了保護墻體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全而設(shè)置的臨時鋼結(jié)構(gòu)支撐體系，而對鋼桁架結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測是確保安全的一個有效手段。在保留外部墻體的基礎(chǔ)上拆除內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后進行基坑開挖。通過跟蹤監(jiān)測全過程施工階段墻體圍護結(jié)構(gòu)變形（反饋墻體平面外傾覆及豎向位移）、外墻圍護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形，實時將墻體及圍護結(jié)構(gòu)的狀態(tài)反映給施工管理人員，能夠有效確保保留外墻及周邊環(huán)境的安全，從而使得整個項目施工過程安全可控[1-3]。

針對該項目施工過程中鋼桁架結(jié)構(gòu)的自動化監(jiān)測內(nèi)容，主要包含面內(nèi)面外傾斜變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、豎向沉降變形等。傾斜變形監(jiān)控主要用于控制外立面保留墻體圍護結(jié)構(gòu)在施工過程中因基坑開挖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆除導(dǎo)致的平面外傾覆及基礎(chǔ)沉降引起的豎向位移。結(jié)構(gòu)應(yīng)力與豎向沉降變形控制主要是為了在施工過程中監(jiān)測鋼桁架應(yīng)力、鋼柱應(yīng)變，格構(gòu)柱底部應(yīng)力及相鄰沉降差變形。根據(jù)施工監(jiān)測方案布置：現(xiàn)場設(shè)有11套靜力水準儀（CJ1～CJ11），用以監(jiān)測鋼桁架沉降變形；鋼桁架設(shè)有應(yīng)變傳感器34支（YB01～YB34），用以監(jiān)測鋼桁架內(nèi)力；設(shè)有18套高精度傾角儀（QX01～QX18，共3層，每層布置6套），用以監(jiān)測鋼桁架的面內(nèi)與面外的傾斜變形（圖2）。

圖2 傾斜、應(yīng)力、沉降現(xiàn)場測點布置示意

通過現(xiàn)場自動化設(shè)備采集、傳輸傾斜、應(yīng)力、沉降等數(shù)據(jù)至云端服務(wù)器，由后臺遠程無線數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實時全天候查看數(shù)據(jù)變化情況。將采集到的隨著時間變化的結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)，通過自動化擬合傾斜變形的時程線來反饋和評估建筑結(jié)構(gòu)的安全性，尤其在重要危險工況施工過程對建筑結(jié)構(gòu)變形影響較大，通過實時監(jiān)控的手段，一旦出現(xiàn)預(yù)警或報警，就及時反饋給項目相關(guān)技術(shù)管理人員，以便于及時采取保護措施，以免發(fā)生重大事故。

3 有限元仿真

對鋼桁架結(jié)構(gòu)在考慮結(jié)構(gòu)自重、施工荷載、溫度影響、TRD施工時支座位移等因素下，采用有限元方法對鋼桁架整體變形與結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行施工全過程仿真模擬分析。本鋼桁架臨時支護結(jié)構(gòu)橫向約25 m，縱向約60 m，根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》8.1.5條規(guī)定可不考慮溫度作用，但考慮到該結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件布置較密，且該項目復(fù)雜重要性和專家咨詢意見考慮溫度作用影響，結(jié)合上海地區(qū)情況，綜合考慮溫差取30 K。根據(jù)施工方提供的項目資料，依據(jù)TRD施工流程，分5段來考慮支座位移影響，同時考慮側(cè)向水平位移以及支座沉降的影響，最大值分別控制在20 mm和10 mm，采用線性變化的方式加于結(jié)構(gòu)支座上。經(jīng)過有限元分析，得出鋼桁架結(jié)構(gòu)整體變形云圖及結(jié)構(gòu)應(yīng)力比數(shù)據(jù)（圖3）。

圖3 鋼桁架結(jié)構(gòu)有限元受力結(jié)果

考慮分段支座位移影響后，結(jié)構(gòu)的最大位移為26.6 mm，發(fā)生在頂部桁架支撐位置，該位置非關(guān)鍵位置，關(guān)鍵位置最大位移發(fā)生在西側(cè)中部鋼框架頂部，為24.4 mm，位移角為1/1 312，較初始狀態(tài)略有增大。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件驗算均滿足，應(yīng)力比最大為0.75，且絕大部分構(gòu)件應(yīng)力比均在0.5以下，鋼構(gòu)件應(yīng)力比較初始狀態(tài)增大較多。可見支座位移對鋼構(gòu)件影響較大，對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性影響并不是很大。

根據(jù)有限元分析的理論數(shù)據(jù)最值，配合設(shè)計院提供的監(jiān)測報警控制值，綜合無線自動化實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)，較為系統(tǒng)、全面地對鋼桁架面內(nèi)、面外傾斜變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、豎向變形進行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異?；蛘叱^報警值，就及時反饋給項目相關(guān)技術(shù)管理人員，以便采取應(yīng)急或加固措施，確保結(jié)構(gòu)安全和項目的順利進行。

4 結(jié)語

通過對比鋼桁架結(jié)構(gòu)有限元分析的理論最值及設(shè)計院提供的監(jiān)測報警控制值，采用無線自動化手段對上海南京東路歷史保護建筑新康大樓施工改造過程進行傾斜變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、豎向沉降變形監(jiān)控，理論結(jié)合實際監(jiān)測，確保了工程項目結(jié)構(gòu)安全和工期進展。在施工過程中，采用無線自動實時監(jiān)測、遠程實時顯示數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢，使用高精度監(jiān)測傳感器，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準性和全面性，能有效節(jié)約項目監(jiān)測的成本，可及時觀測鋼桁架結(jié)構(gòu)的振動變化規(guī)律。一旦發(fā)現(xiàn)問題，就及時通知項目相關(guān)人員采取必要的保護措施，確保了施工過程的結(jié)構(gòu)安全，降低安全事故帶來的不必要的損失，進一步確保了歷史保護建筑外圍鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性，提高了施工監(jiān)控的工作效率。