殷志堅(jiān) 王東云 郟鴻韜 周益眾 戴瑩芝 龔安燦 李 強(qiáng)

1.浙江省二建建設(shè)集團(tuán)有限公司 浙江 寧波 315200；2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074；3.溫州肯恩大學(xué) 浙江 溫州 325060；4.浙大寧波理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院 浙江 寧波 315100

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)因其承載能力高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，已越來越多地應(yīng)用在大跨度、大截面以及高層建筑結(jié)構(gòu)中。已有不少學(xué)者做過型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)控，如曾敏[1]利用現(xiàn)場(chǎng)人工采集數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行大跨度預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁的施工監(jiān)控；夏堯[2]進(jìn)行過大跨度型鋼混凝土梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。然而，針對(duì)大截面型鋼混凝土梁的施工監(jiān)控卻少有學(xué)者研究。因大截面型鋼混凝土梁的截面尺寸大，故其結(jié)構(gòu)自重和施工荷載也遠(yuǎn)大于普通型鋼混凝土梁。另外，大截面型鋼混凝土梁鋼筋及混凝土用量也會(huì)比普通型鋼混凝土梁多，混凝土的連續(xù)澆搗施工強(qiáng)度會(huì)更大，在施工期間會(huì)存在諸多安全隱患。基于此，針對(duì)大截面型鋼混凝土梁的監(jiān)控和研究工作變得更加重要。但傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方式主要是人工巡視，施工環(huán)境復(fù)雜，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有局限性，因此，目前探索這一方面的方法主要是數(shù)值模擬和理論分析?；谏鲜鲈?，為實(shí)現(xiàn)對(duì)大截面型鋼梁的無線智能化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在工程施工時(shí)采用先進(jìn)的傳感裝置具有十分重要的意義。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，智能化監(jiān)測(cè)成為可能?，F(xiàn)在已經(jīng)有不少學(xué)者利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)工程進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)。阿拉塔等[3]利用物聯(lián)網(wǎng)對(duì)老舊磚房進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)；李惠玲等[4]利用物聯(lián)網(wǎng)對(duì)裝配整體式混凝土安裝過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理；竇宏冰等[5]基于物聯(lián)網(wǎng)提出了一種房建結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度實(shí)時(shí)跟蹤的方法，確保工程的完整性和關(guān)聯(lián)性。

本文以溫州市某項(xiàng)目中大截面型鋼梁的施工監(jiān)控為例，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，集成一套無線智能化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取型鋼混凝土梁的應(yīng)變和位移等信息，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大截面型鋼梁的施工監(jiān)控。

1 工程概況

溫州市某學(xué)生活動(dòng)中心工程由地下1層整體地下室、地上1～6層組成。該項(xiàng)目總建筑面積24 498.36 m2，建筑主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。本文監(jiān)控研究的型鋼梁位于2層多功能廳頂部，型鋼采用Q345B，型鋼梁混凝土采用C30混凝土。將、軸的型鋼梁分別編號(hào)為A、B，如圖2所示。A、B兩根型鋼梁凈長均為18.9 m，梁沿軸線方向有2種截面形式：②—③軸梁截面尺寸為800 mm×2 750 mm，其余梁截面尺寸為800 mm×2 200 mm。由于型鋼梁尺寸較大，在施工過程中易出現(xiàn)危險(xiǎn)，故需要對(duì)該重要構(gòu)件進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

圖1 多功能廳頂部結(jié)構(gòu)平面

圖2 A型鋼梁立面及測(cè)點(diǎn)布置

2 型鋼梁物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)搭建

2.1 監(jiān)控方案

以圖1編號(hào)為A、B的型鋼梁作為研究對(duì)象，采用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)加人工巡檢的方式對(duì)其進(jìn)行施工期安全保護(hù)監(jiān)測(cè)。根據(jù)有關(guān)研究和相應(yīng)技術(shù)規(guī)范，對(duì)圖1、圖2所示位置進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，監(jiān)控內(nèi)容包括型鋼梁的應(yīng)變和下?lián)?。以A型鋼梁為例，每根梁設(shè)置3處應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)位置，3個(gè)位置編號(hào)分別為A-Y1、A-Y2、A-Y3（A-Y1表示A型鋼梁Y1位置，余同），編號(hào)為A的型鋼梁另設(shè)1根位移傳感器，以測(cè)量該梁的下?lián)稀?/p>

2.2 監(jiān)測(cè)儀器選擇

型鋼梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)設(shè)備為基康BGK4000振弦式應(yīng)變計(jì)，測(cè)量應(yīng)變時(shí)精度可達(dá)0.01 με。應(yīng)變計(jì)采用環(huán)氧樹脂膠固定安裝在型鋼梁側(cè)面梁底位置。型鋼梁的下?lián)媳O(jiān)測(cè)設(shè)備為基康BGK4420振弦式裂縫計(jì)，測(cè)量精度可達(dá)0.01 μm。裂縫計(jì)通過鉆孔固定安裝在A型鋼梁跨中梁底位置，該儀器可長期在惡劣環(huán)境下進(jìn)行監(jiān)測(cè)。另外，儀器內(nèi)部安裝有場(chǎng)地溫度自動(dòng)感應(yīng)裝置，可實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄每次場(chǎng)地溫度的變化情況，以便對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償和對(duì)異常數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理。同時(shí)，為不影響現(xiàn)場(chǎng)的施工進(jìn)展和防止工人誤碰造成數(shù)據(jù)異常，不宜在型鋼梁處布設(shè)過多的線纜。而現(xiàn)有的大部分型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控仍采用連接線的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，這種方法不僅費(fèi)力，而且對(duì)設(shè)備的維護(hù)也較為不便。近年來，科技發(fā)展的速度越來越快，無線通信、集成電路、傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）以及數(shù)字電子學(xué)越來越成熟，這一系列的發(fā)展，使開發(fā)低功耗、小體積、低成本和多功能的無線短距離通信傳感器模塊成為了可能[6]。因此，將無線傳感技術(shù)與土木工程相結(jié)合的方式成為結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控與健康監(jiān)測(cè)的熱點(diǎn)。

基于上述情況，該監(jiān)控系統(tǒng)以無線傳感技術(shù)為依托，利用微機(jī)電系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)上傳信號(hào)。儀器監(jiān)測(cè)得到的信號(hào)通過終端向網(wǎng)關(guān)發(fā)送，再由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)服務(wù)器。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)大截面型鋼混凝土梁狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。為獲取更多數(shù)據(jù)，計(jì)劃將系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)置為5 min/次，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。該監(jiān)控系統(tǒng)共布置了6個(gè)應(yīng)變儀、1個(gè)裂縫計(jì)和1個(gè)無線網(wǎng)關(guān)。

2.3 監(jiān)測(cè)云平臺(tái)搭建

為實(shí)現(xiàn)對(duì)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的智能化管理，在上述提到的硬件基礎(chǔ)上，可以通過設(shè)定的用戶名、密碼登錄系統(tǒng)，查看傳感器的工作狀態(tài)，以便實(shí)時(shí)觀察大截面型鋼梁的應(yīng)變和位移等數(shù)據(jù)，如圖3所示。同時(shí)，該云平臺(tái)具有存檔、下載、比較等功能，在確保數(shù)據(jù)安全性的同時(shí)也使得監(jiān)控人員對(duì)監(jiān)控項(xiàng)目的管理更加便捷。

圖3 監(jiān)測(cè)云平臺(tái)

2.4 型鋼梁結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)

本文施工監(jiān)控的目的是實(shí)時(shí)獲得大截面型鋼梁應(yīng)變及跨中下?lián)闲畔ⅲ缓髮⑵渑c相關(guān)技術(shù)規(guī)范和工程標(biāo)準(zhǔn)給出的控制值進(jìn)行比較，確定結(jié)構(gòu)是否處于安全狀態(tài)，為相應(yīng)的施工過程控制提供可靠、實(shí)時(shí)的工程指導(dǎo)。在監(jiān)控期間，以JGJ 138—2016《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》為依據(jù)，對(duì)本文所研究的型鋼梁的最大撓度進(jìn)行判斷，具體數(shù)值如表1所示。

表1 型鋼混凝土梁撓度限值 單位：mm

3 施工期型鋼梁的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析

儀器監(jiān)測(cè)時(shí)間為8月28日—9月28日，共31 d。監(jiān)測(cè)期間，工程先后進(jìn)行了5層梁板支模架的安裝、多功能廳內(nèi)架的拆除、多功能廳相鄰區(qū)域和所在區(qū)域的5層梁板澆筑及養(yǎng)護(hù)，為方便分析上部結(jié)構(gòu)施工對(duì)型鋼梁的影響，對(duì)型鋼梁區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，如圖4所示。由于現(xiàn)場(chǎng)安裝的振弦式應(yīng)變計(jì)和振弦式裂縫計(jì)的采集頻率較高，加上監(jiān)控時(shí)間較長，為了更直觀地分析采集到的數(shù)據(jù)，故在數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)后，以天為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。

圖4 監(jiān)測(cè)前后局部結(jié)構(gòu)變化

3.1 型鋼梁下?lián)戏治?/h3>

從8月28日—9月28日，共31 d，對(duì)A型鋼梁下?lián)线M(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 A型鋼梁跨中下?lián)献兓闆r

從圖5可以看出：型鋼梁總體呈下?lián)馅厔?shì)。在開始監(jiān)測(cè)后的一天時(shí)間里，梁下?lián)显龃?，根?jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，該區(qū)域4層自那天起開始搭設(shè)5層梁板支模架。在開始監(jiān)測(cè)的15 d后，5層梁板相鄰區(qū)域開始澆筑，型鋼梁下?lián)显俅蚊黠@增大。在監(jiān)測(cè)的20 d后，該區(qū)域5層梁板開始澆筑，但型鋼梁的下?lián)馅呌诜€(wěn)定。在監(jiān)測(cè)的31 d時(shí)間里，型鋼梁的總下?lián)霞s為0.45 mm。根據(jù)表1中型鋼梁撓度限值規(guī)定，撓度限值為l0/400 mm。這說明上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)，型鋼梁會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)下?lián)?，但下?lián)现迪鄬?duì)于梁的跨度很小，型鋼梁在上部結(jié)構(gòu)施工過程中處于安全狀態(tài)。

3.2 型鋼梁應(yīng)變分析

圖6、圖7分別為監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)A、B型鋼梁應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)，圖8為不同型鋼梁相同位置的對(duì)比。

圖6 A型鋼混凝土梁應(yīng)變變化情況

圖7 B型鋼混凝土梁應(yīng)變變化情況

圖8 A、B型鋼梁相同位置應(yīng)變對(duì)比

由圖可知：在上部施工主要節(jié)點(diǎn)時(shí)期，型鋼梁應(yīng)變均會(huì)發(fā)生較大變化，在內(nèi)架拆除和5層相應(yīng)區(qū)域梁板澆筑時(shí)，梁端最大有45 με的應(yīng)變變化，總體來說，2根梁梁端和跨中的應(yīng)變變化趨勢(shì)基本一致。A型鋼梁監(jiān)控期間Y1、Y2、Y3處應(yīng)變的最大值分別為19、50、67 με，應(yīng)變的最小值分別為－75、－37、－40 με；B型鋼梁Y1、Y2、Y3處應(yīng)變的最大值分別為25、38、90 με，應(yīng)變的最小值分別為－37、－35、－40 με。通過2根型鋼梁對(duì)比可以看出，在開始監(jiān)測(cè)19 d之后，A-Y3處應(yīng)變與B-Y3處應(yīng)變大小基本一致，但A-Y1處應(yīng)變與B-Y1處應(yīng)變相差約40 με，兩梁Y2處應(yīng)變相差約10 με。另外，通過查看施工圖紙了解到，A-Y1處配筋率比B-Y1處大。綜合上述信息，分析Y1處應(yīng)變差值較大的主要原因是型鋼梁、柱節(jié)點(diǎn)施工時(shí)存在施工質(zhì)量的差異。型鋼梁中節(jié)點(diǎn)處大量的梁柱縱向鋼筋、箍筋與型鋼交叉，配筋構(gòu)造復(fù)雜，容易在澆筑過程中引起梁端混凝土澆筑困難，造成澆筑質(zhì)量不佳。另外，Y1位置構(gòu)造比Y3位置復(fù)雜，所以Y1位置2根型鋼梁應(yīng)變約有40 με的應(yīng)變差，而Y3位置2根型鋼梁的應(yīng)變相差不大。

4 結(jié)語

1）基于物聯(lián)網(wǎng)對(duì)大截面型鋼梁的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，揭示了型鋼梁的下?lián)虾蛻?yīng)變與上部結(jié)構(gòu)施工過程存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。在31 d的監(jiān)控時(shí)間內(nèi)，型鋼梁的總下?lián)霞s為0.45 mm，未超過規(guī)定指標(biāo)。

2）采用基于物聯(lián)網(wǎng)的無線監(jiān)控系統(tǒng)，首次對(duì)型鋼梁在上部結(jié)構(gòu)施工作業(yè)時(shí)進(jìn)行施工監(jiān)控。結(jié)果表明：基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控技術(shù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且具有高精度、高可靠性等特點(diǎn)，可有效解決人工監(jiān)測(cè)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的難題。

3）通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的對(duì)比分析可為型鋼梁可能出現(xiàn)的問題提供一定的幫助。同時(shí)，通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步的使用，如在本施工監(jiān)控系統(tǒng)中加入警報(bào)功能，對(duì)不正常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警，可有效避免上部結(jié)構(gòu)施工造成的過大影響。