謝麗宇 張 睿 盧文勝，* 張鳳亮

（1.同濟大學結構防災減災工程系，上海200092；2.同濟大學建筑物移位技術研究中心，上海200092）

0 引 言

采用姊妹篇《玉佛禪寺大雄寶殿移位監(jiān)測系統(tǒng)（Ⅰ）：監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)》中所建立的設計方法，建立大雄寶殿移位監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)大雄寶殿在移位施工中的實時監(jiān)測，以保證移位施工的安全進行。

玉佛禪寺移位監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與無線傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)和網(wǎng)絡終端組成。本工程的傳感器系統(tǒng)由靜力水準儀、傾角儀、激光位移計和應變計組成。靜力水準儀測量主體結構的高程變化，激光位移計測量佛像和梁柱榫卯節(jié)點等關鍵部位的變形，傾角儀用于測量佛臺和木柱等關鍵部位的傾斜變形，應變計測量佛臺四周托換鋼架的應變變化［1-3］。

本文基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究結構整體姿態(tài)、木柱、榫卯節(jié)點和佛像的變形情況，進一步探討移位施工對結構狀態(tài)產(chǎn)生的影響并對結構的安全性能進行評價。

1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析原則

玉佛禪寺大雄寶殿于2017 年9 月2 日上午正式啟動平移工程，并于9 月8 日上午平移到位；于2017 年9 月12 日正式啟動頂升工程，并于9 月14日頂升到位。本次研究采用2017 年8 月29 日至2017 年9 月9 日期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，時間包括移位前、移位中和移位后。為探討移位施工對結構性能的影響，并對不同傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，本次研究的數(shù)據(jù)均取相對于初始值的變化值。

本工程采用的傳感器擁有不同的采樣周期，為方便數(shù)據(jù)分析，將監(jiān)測數(shù)據(jù)以1 h為單位進行數(shù)據(jù)分析，類似于平滑處理，即取每1 h 的監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值作為這1 h的監(jiān)測數(shù)據(jù)代表值，因此所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的采樣周期調(diào)整為1 h。

為驗證采樣周期調(diào)整為1 h的合理性，以一個靜力水準儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例進行分析。靜力水準儀原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的采樣周期為30 s，分別繪制采樣周期為30 s 和1 h 的時程變化曲線，結果如圖1所示?？梢姴蓸又芷跒?0 s 和1 h 的時程曲線幾乎重合。因此，采樣周期采用1 h可以滿足數(shù)據(jù)分析的要求，本次研究除特殊說明外，采樣周期均采用1 h。

2 結構形變分析

2.1 整體結構姿態(tài)變化

為監(jiān)測整體結構的豎向變形，在圍墻四個角部和中央佛臺上布置了靜力水準儀。其中靜力水準儀HL2、HL4 和HL5 的位置是靜力水準儀的基準點。繪制其他靜力水準儀相對于基準點的相對變化值的時程曲線，如下圖所示。由圖中可見，在移位之前靜力水準儀數(shù)值幾乎保持不變。移位開始后，靜力水準儀數(shù)值開始明顯變化，離散性增強。其中，位于結構南側(cè)頂推位置的靜力水準儀HL-1、HL-3 的變化較為明顯，最大的豎向相對變形為2.1 mm；位于佛臺的靜力水準儀HL-6的變化相對較小，最大的豎向相對變形為0.6 mm。

在移位前后，分別選取A、B、C、D 四個時間點，分別代表移位之前、移位開始、移位期間和移位結束（圖2）。將靜力水準儀按照相同基準點的原則，分成HL-1、HL-2，HL-3、HL-4 和HL-5、HL-6三組。假定底盤結構是一個理想變形體，滿足均勻連續(xù)性、各向同性和小變形假設。即底盤結構是由密實無空隙的連續(xù)分布的材料構成，物體上任一部分材料的力學性質(zhì)都相同，材料沿不同方向都具有相同的力學性質(zhì)。將每組靜力水準儀的位置連成直線，并按照變形協(xié)調(diào)的原則連接成網(wǎng)格，繪制整體結構的豎向變形圖示意圖，如圖3 所示，其中虛線網(wǎng)格代表結構的初始位置。

圖1 靜力水準儀變化值：不同采樣間隔Fig.1 Variation of the hydrostatic leveling：different sample interval

2.2 木柱傾斜角

整體結構的傾斜會導致木柱傾斜，同理木柱的傾斜變化也反映了整體結構的傾斜情況。某些關鍵木柱上布置了傾角儀（IC5-IC-12），其中IC5和IC6為雙軸傾角儀，測量木柱沿X/Y方向的傾斜角，其中IC7-IC-12 為單軸傾角儀，測量木柱沿X方向的傾斜角。每個傾角儀測量的木柱偏移角如圖4 所示。由圖可知，木柱傾斜角的變化范圍在-0.4°～0.4°。按照《古建筑木結構維護與加固技術規(guī)范》［4］第4.1.7 條的規(guī)定，對于抬梁式結構，柱頭與柱腳的相對位移應大于1/90 柱高，換算成傾斜角，即傾斜角不應大于0.637°。因此，木柱的傾斜角變化滿足規(guī)范要求。

以傾角儀IC7 測量的傾斜角變化量為例，研究其在移位施工前后的數(shù)據(jù)變化。結果如圖5 所示，表明在移位施工之前和之后，木柱傾斜角變化不大，離散性較小，異常值較少。而在移位施工期間，木柱傾斜角變化變大，離散性增強，異常值增多。

圖2 靜力水準儀變化值Fig.2 Variation of the hydrostatic leveling

2.3 木柱水平方向偏移角

對于安裝雙軸傾角儀的木柱，可以測得木柱沿X/Y 方向的傾斜角，通過數(shù)學關系式可求出柱子的水平偏移角，計算原理如圖6所示。

以安裝雙軸傾角儀IC-5 的木柱為例，木柱沿X/Y方向的傾斜角如圖7所示，木柱水平方向偏移角計算結果如圖8所示。由結果可知，木柱沿X/Y方向的傾斜角變化趨勢相似。尤其在移位施工之前，木柱沿X/Y 方向的傾斜角變化幾乎相同，水平偏移角始終在45°左右?？梢?，在移位施工前，該木柱的傾斜角度雖然在不斷變化，但木柱的水平偏移方向即傾斜趨勢是趨于穩(wěn)定一致的。但在移位施工以后，木柱傾斜角和水平偏移角開始明顯變化，離散性增強。

圖3 整體結構豎向變形示意圖（單位：mm）Fig.3 Overall structural settlement deformation（Unit：mm）

2.4 榫卯節(jié)點變形

激光位移計分別安裝在梁的上下表面，測得其與木柱的相對距離，可求得榫相對于木柱的位移，且在已知梁高的情況下，可以得出梁相對于木柱的轉(zhuǎn)角。計算原理如圖9 所示。通過數(shù)據(jù)分析，在移位前后，大梁與木柱交界的榫卯節(jié)點部位沒有發(fā)生明顯的變形。

圖4 木柱傾斜角變化值Fig.4 Angle of inclination variation of wooden columns

圖5 某一木柱傾斜角變化值Fig.5 Angle of inclination variation of a wooden column

圖6 水平偏移角計算原理Fig.6 Calculation principle of horizontal offset angle

2.5 佛臺托換鋼架應變

在佛臺的托換底盤鋼結構的四周表面布置應變計SG1-SG4。鋼結構應變在平移頂升過程中的數(shù)據(jù)變化幅度小于45 微應變，設計規(guī)定的鋼結構微應變在-100～100 微應變范圍內(nèi)（按鋼材設計強度的1/10取值）［5］，滿足要求（圖10）。

圖7 木柱傾斜角Fig.7 Angle of inclination of wooden columns

圖8 木柱水平偏移角Fig.8 Horizontal offset angle of wooden columns

圖9 節(jié)點變形計算原理Fig.9 Calculation principle of joint deformation

2.6 佛像傾斜

佛像的支撐框架上布置了6 個激光位移計LR5-LR10，其中3 個安裝在支撐框架的高位，另外3 個安裝在支撐框架的低位。激光位移計測得相應位置的距離變化量，在已知支撐框架高位與低位高度差的情況下，可以得出佛像沿Y 方向的傾斜角（圖11）。

佛臺上也安裝了2 個雙軸傾角儀IC1 和IC2，可以測得佛臺沿Y方向的傾斜角（圖12）。對比圖11 和圖12 的結果可以發(fā)現(xiàn)，在移位施工前，佛臺和佛臺上的佛像幾乎沒有發(fā)生傾斜。移位施工以后，佛臺和佛像的傾斜角變化量增加，并且離散性增強。同時，佛臺和佛像整體傾斜方向一致。

圖10 鋼結構應變Fig.10 The strain of steel structure

圖11 佛像傾斜角Fig.11 Angle of inclination of buddha statue

圖12 佛臺傾斜角Fig.12 Angle of inclination of pedestal

3 結 論

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，并依據(jù)以往文獻資料總結和實際工程經(jīng)驗［6-9］，可以得出移位施工過程中，主體結構各個監(jiān)測項目的實際變化值，進而得到移位施工對結構產(chǎn)生的影響。將結論總結如下，并對結構的安全性能進行評價。

（1）在結構移位施工期間，安裝在墻面、佛臺和木柱上的靜力水準儀和傾角儀測量數(shù)據(jù)變化量增加，離散性增強，說明玉佛禪寺大雄寶殿在移位施工過程中，整體結構產(chǎn)生了豎向不均勻變形。且由于移位的頂推裝置布置在主體結構的南側(cè)，結構南側(cè)的沉降變化量和離散性都比結構其他部位更大。但整體變化量不大，可知整體結構在平移頂升施工過程并未發(fā)生顯著的偏移、下沉或旋轉(zhuǎn)。

（2）在結構移位施工期間，木柱傾斜角和水平偏移角變化量增加，離散性增強。但整體變化量不大，且在移位施工之后，木柱的傾斜角和水平偏移角變化量減小，離散性減弱。表明移位施工過程中，木柱并未發(fā)生顯著的傾斜或下沉。

（3）安裝在大殿頂部橫向、縱向梁上的激光測距儀的測量數(shù)據(jù)在移位施工前后幾乎保持不變，可知柱子在平移過程并未發(fā)生顯著的傾斜或下沉，且大梁與木柱交界的卯榫節(jié)點部位沒有發(fā)生明顯的變形。

（4）佛臺托換鋼結構在結構移位施工過程中的應變變化幅度在設計規(guī)定的鋼結構微應變范圍內(nèi)，滿足要求。表明移位施工過程中，佛臺及佛臺托換結構并未發(fā)生顯著的變形。

（5）安裝在佛臺上的靜力水準儀和傾角儀，以及正對佛像的激光測距儀的測量數(shù)據(jù)在平移期間變化量增加，離散性增強。但變化量不大，前后幾乎保持不變，可知佛像在平移過程與整體結構幾乎保持相對靜止，并未發(fā)生顯著的相對移動、傾斜或旋轉(zhuǎn)。且不同傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以相互印證，證明監(jiān)測方案合理可靠。

（6）移位監(jiān)測系統(tǒng)可以真實反映移位施工過程對結構性能的影響。不僅可以得到結構整體姿態(tài)的變化，也可以得到關鍵部位的變形位移情況，包括木柱、榫卯節(jié)點和佛像等。通過設定合理的監(jiān)測方案，移位監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)控并反饋監(jiān)測情況，保證施工的安全進行。對移位工程和木結構的監(jiān)測系統(tǒng)設計和數(shù)據(jù)分析有一定的工程指導意義。