朱永順，李東平，譚川龍，唐興榮，張宇陽

（1.蘇州市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，江蘇 蘇州 215129；2 蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011）

0 引言

將傳統(tǒng)房屋以單個(gè)房間或一定的三維建筑空間劃分為若干個(gè)鋼結(jié)構(gòu)模塊單元，并在工廠對(duì)模塊單元進(jìn)行預(yù)制裝配，完成后將這些模塊單元運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，采用起重設(shè)備和吊具協(xié)助提升將其堆疊、連接所組成的一個(gè)完整的建筑稱為模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑，其主要施工工序包括現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)施工、模塊單元工廠預(yù)制裝配、模塊單元運(yùn)輸、模塊單元吊裝以及模塊單元拼接安裝等，其預(yù)制率可達(dá)到 85 %～95 %。因此，模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑是一種高度裝配化的建筑，也是建筑工業(yè)化發(fā)展的最高階段［1］。

模塊單元的空間尺度為單個(gè)房間或一定的三維建筑空間，具有空間尺度大、結(jié)構(gòu)自重大、形狀復(fù)雜等特點(diǎn)。模塊單元可采用鋼繩索與其頂部構(gòu)件直接連接的方式進(jìn)行吊裝，但對(duì)于空間尺度大、形狀復(fù)雜的模塊單元，需采用吊具（分配鋼梁或分配鋼框架）協(xié)助進(jìn)行吊裝。在吊裝過程中，在結(jié)構(gòu)自重等荷載作用下模塊單元會(huì)產(chǎn)生空間變形，變形過大將導(dǎo)致模塊單元主體鋼骨架與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的變形不協(xié)調(diào)，引起門窗和外設(shè)零部件損傷，室內(nèi)裝飾損壞。因此，需要采取措施控制吊裝過程中模塊單元的變形。在安裝階段，模塊單元及模塊化建筑的垂直度和平面彎曲度是模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的重要變形控制指標(biāo)。在使用階段，模塊化建筑的整體變形（層間位移、層間位移角等）也是重要的變形控制指標(biāo)。因此，吊裝階段、安裝階段模塊單元的空間變形、使用階段模塊化建筑的整體變形指標(biāo)是模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑質(zhì)量檢測(cè)的主控項(xiàng)目。

由于模塊化建筑的上述工程特征，常規(guī)的建筑變形性能檢測(cè)方法不再適用于吊裝階段、安裝階段模塊單元的空間變形，以及使用階段模塊化建筑的整體變形的檢測(cè)。本課題組研發(fā)一種基于串聯(lián)傳感器系統(tǒng)模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑變形性能檢測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)模塊化建筑吊裝階段、安裝階段和使用階段各種變形性能的檢測(cè)，并現(xiàn)實(shí)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為了驗(yàn)證所提出檢測(cè)方法的可行性，進(jìn)行了一根方形鋼管簡(jiǎn)支梁試件的驗(yàn)證性檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用研制的串聯(lián)傳感器系統(tǒng)測(cè)得的試件側(cè)移曲線與常規(guī)測(cè)量?jī)x器測(cè)得試件側(cè)移曲線基本一致，跨中最大側(cè)移誤差滿足工程精度要求。這種檢測(cè)方法可適用于模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑吊裝階段、安裝階段以及使用階段各種變形性能的檢測(cè)，并能夠?qū)崿F(xiàn)變形性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 測(cè)量原理

1.1 姿態(tài)測(cè)量原理

傳感器采用多軸加速度傳感器，每個(gè)傳感器同向串聯(lián)安裝，通過傳感器中的加速度計(jì)測(cè)量靜止?fàn)顟B(tài)下 X、Y、Z 三軸的加速度分別為 gx、gy、gz，利用與重力加速度與其在三軸加速度傳感器的 X′、Y′、Z′三軸的分量關(guān)系，計(jì)算出各軸與重力加速度方向的夾角，從而得出測(cè)量傳感器的三維傾角（即三維姿態(tài)）α、β、γ［2，3］（見圖 1）。

圖1 方位角計(jì)算示意圖

可得如式（2）～（4）所示的測(cè)量傳感器的三維傾角（即三維姿態(tài)）α、β、γ 。

當(dāng)測(cè)量傳感器未同向安裝時(shí)，各測(cè)量傳感器需要通過磁力計(jì)測(cè)量方位角；但當(dāng)磁力計(jì)不是處于水平位置時(shí)，其測(cè)得的方位角將出現(xiàn)偏差，此時(shí)就需要利用測(cè)量傳感器當(dāng)前的三維姿態(tài)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計(jì)算，得到真實(shí)的方位角。

1）將之前的計(jì)算結(jié)果代入式（5）、式（6）計(jì)算Heading 值。

2）根據(jù)式（7）計(jì)算方位角。

Xh＞0，且Yh＞0，方位角

=180°-（arctanYh/Xh）×180°/π

Xh＜0，且Yh＞0，方位角

=180°+（arctanYh/Xh）×180°/π

Xh＜0，且Yh＜0，方位角

Xh＞0，且Yh＜0，方位角

=360°-（arctanYh/Xh）×180°/π

Xh=0，且Yh＞0，方位角=90°

Xh=0，且Yh＜0，方位角=270°

1.2 空間姿態(tài)軌跡曲線構(gòu)建

根據(jù)測(cè)量傳感器前后的姿態(tài)角度變化量并結(jié)合各測(cè)量傳感器之間的間距Δs，按下述方法確定空間姿態(tài)軌跡曲線，或通過三角函數(shù)近似計(jì)算出模塊單元的變形量及其方位角。

圖2 曲線后點(diǎn)坐標(biāo)推算圖

以測(cè)量起點(diǎn)為固定坐標(biāo)的原點(diǎn)，可以按式（10）進(jìn)行遞推，得到各點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，各點(diǎn)之間可按直線或圓弧段連接得到空間曲線。

2 模塊單元變形性能檢測(cè)方法

基于串聯(lián)傳感器系統(tǒng)的模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑模塊單元變形性能檢測(cè)方法，包括如下步驟。

1）綜合考慮模塊單元所處的施工階段及所需測(cè)定的變形性能指標(biāo)，確定模塊單元測(cè)量傳感器的布置方案。

在吊裝階段，測(cè)定模塊單元天花板或地面板豎向變形時(shí)可按圖 3（a）同向安裝串聯(lián)傳感器。測(cè)定模塊單元鋼骨架變形時(shí)，可按圖 3（b）同向安裝串聯(lián)傳感器。

圖3 吊裝階段模塊單元串聯(lián)傳感器布置示意

在安裝、使用階段，測(cè)定模塊單元平面彎曲度時(shí)，可沿模塊建筑主體結(jié)構(gòu)（框架梁）串聯(lián)布置測(cè)量傳感器，如圖 4（a）所示。測(cè)定模塊單元的垂直度時(shí)，可沿模塊建筑主體結(jié)構(gòu)（框架角柱）或圍護(hù)結(jié)構(gòu)（墻體）串聯(lián)布置測(cè)量傳感器，如圖 4（b）所示。

圖4 安裝、使用階段模塊單元串聯(lián)傳感器布置示意圖

2）將測(cè)量傳感器固定（采用傳感器固定架或直接用結(jié)構(gòu)膠黏貼）在相應(yīng)位置，并形成同向串聯(lián)系統(tǒng)；測(cè)量傳感器間距與所述測(cè)量精度之間呈反比，一般傳感器之間的間距Δs（0.50 m 或 1.00 m），為了高測(cè)量精度可適當(dāng)減小測(cè)量傳感器的間距。

3）待測(cè)量傳感器安裝結(jié)束后，采用信號(hào)線進(jìn)行串聯(lián)連接，通過計(jì)算機(jī)采集分析處理測(cè)量數(shù)據(jù)，并通過系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)發(fā)送信號(hào)給測(cè)量傳感器。

4）測(cè)量傳感器進(jìn)行融合計(jì)算得到測(cè)量傳感器的方位角與三位姿態(tài)。融合計(jì)算之間的采樣的間隔根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)間間隔進(jìn)行采樣和計(jì)算，也可以進(jìn)行連續(xù)采樣與計(jì)算。

根據(jù)加速度計(jì)的精度設(shè)置所述微處理器的閾值，若測(cè)量數(shù)值的抖動(dòng)超過閥值，則丟棄本次測(cè)量數(shù)據(jù)并重新采樣。

5）將得出的數(shù)據(jù)輸出至相應(yīng)的顯示設(shè)備。

模塊單元水平變形計(jì)算時(shí)，取端部的某點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，從基準(zhǔn)點(diǎn)開始向上進(jìn)行測(cè)量，每隔一個(gè)測(cè)量間距便有 1、2、3、…、n 個(gè)測(cè)點(diǎn)，則在第 j 個(gè)測(cè)點(diǎn)的水平變形總量，即是它前面各水平變形自端部至 j 測(cè)點(diǎn)的逐段累加。則第 j 個(gè)測(cè)點(diǎn)在 X 方向、Y 方向的水平變形 δjx、δjy按式（11）（12）計(jì)算：

式中：δxi、δyi分別為第 i 測(cè)點(diǎn)沿 x 軸、Y 軸方向水平變形；αi、βi分別為第 i 測(cè)點(diǎn)與 x 軸、Y 軸方向傾角；sv為測(cè)量傳感器的間距。

3 模塊單元變形性能檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建

按照上述測(cè)量思路，研制的串聯(lián)傳感器系統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)模塊單元變形性能檢測(cè)系統(tǒng)包括：計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)及與其連接的串聯(lián)測(cè)量傳感器系統(tǒng)。串聯(lián)測(cè)量傳感器系統(tǒng)中包括有若干通訊連接的同向測(cè)量傳感器，測(cè)量傳感器之間可以通過有線網(wǎng)進(jìn)行，也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)連接，如圖 5 所示。

3.2 測(cè)量傳感器研制

系統(tǒng)中的測(cè)量傳感器（見圖 6）內(nèi)設(shè)置有微處理器及傳感器，傳感器可采用磁力計(jì)傳感器、多軸數(shù)字加速度傳感器、陀螺儀傳感器或兩者或兩者以上傳感器的結(jié)合。在鋼結(jié)構(gòu)模塊單元中，測(cè)量傳感器可直接選用無磁力計(jì)傳感器，但若采用磁力傳感器，由于磁力計(jì)傳感器是通過地球磁場(chǎng)來測(cè)量方位角的，當(dāng)周邊有磁性物質(zhì)時(shí)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生干擾，所以應(yīng)將所有測(cè)量傳感器同向安裝，同時(shí)，為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，磁力計(jì)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)不參與融合計(jì)算。

圖5 串聯(lián)傳感器系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 測(cè)量傳感器組成示意

4 驗(yàn)證性檢測(cè)試驗(yàn)

圖7 試件電測(cè)位移計(jì)布置圖（單位：mm）

圖8 試件測(cè)量傳感器布置圖（單位：mm）

圖9 試件液壓水準(zhǔn)測(cè)量傳感器布置圖（單位：mm）

圖10 簡(jiǎn)支梁計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖 10 給出了跨中集中荷載（P）作用下簡(jiǎn)支梁撓曲計(jì)算簡(jiǎn)圖，其撓曲方程可按材料力學(xué)方法得到［4］，按式（13）和式（14）確定。

式中：f 為離原點(diǎn) x 處簡(jiǎn)支梁豎向撓度；L 為簡(jiǎn)支梁的跨度；EI 為簡(jiǎn)支梁截面抗彎剛度；P 為作用于簡(jiǎn)支梁跨中的集中荷載。

圖11 試驗(yàn)裝置及傳感器布置照片

驗(yàn)證性檢測(cè)試驗(yàn)在江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（蘇州科技大學(xué)）的 5 000 kN 液壓伺服壓力機(jī)進(jìn)行（見圖 11），采用荷載控制加載，ΔP=10kN，加載至跨中鋼管截面受拉邊緣的應(yīng)變接近其屈服應(yīng)變。

表1 跨中變形實(shí)測(cè)值與理論值比較

圖 12 給出了集中荷載 P=60 kN 時(shí)，各測(cè)量傳感器實(shí)測(cè)變形值與理論值比較。由圖 12 可見，各測(cè)量傳感器的實(shí)測(cè)值均要比相應(yīng)的理論值小，跨中最大撓度誤差為 5.17 %～14.45 %，這可能是計(jì)算模型簡(jiǎn)化所致。傳統(tǒng)的位移計(jì)實(shí)測(cè)跨中最大豎向位移值為 4.974 mm，研制的測(cè)量傳感器實(shí)測(cè)值為 5.320 mm，兩者誤差為6.96 %，這表明本課題組研制的傳感器測(cè)量的變形值能夠滿足工程進(jìn)度的要求。液壓水準(zhǔn)傳感器實(shí)測(cè)跨中最大豎向位移值為 5.513 mm，與位移計(jì)實(shí)測(cè)值的誤差為10.84 %，這可能是液壓水準(zhǔn)傳感器以水平面為依據(jù)，而試驗(yàn)臺(tái)座的水平度在加載過程中有稍微變化所致。

圖12 各測(cè)量傳感器實(shí)測(cè)變形值與理論值比較（P=60 kN）

5 結(jié)語

驗(yàn)證性檢測(cè)試驗(yàn)表明，采用研制的串聯(lián)傳感器系統(tǒng)測(cè)得的試件側(cè)移曲線與常規(guī)測(cè)量?jī)x器測(cè)得試件側(cè)移曲線基本一致，跨中最大側(cè)移誤差滿足工程精度要求。這種檢測(cè)方法可適用于模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑吊裝階段、安裝階段以及使用階段各種變形性能的檢測(cè)。這種方法便于室外作業(yè)，可采用有線或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)模塊單元變形性能進(jìn)行檢驗(yàn)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。