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)
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。
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。
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
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
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)
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
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
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
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。