殷志堅 王東云 郟鴻韜 周益眾 戴瑩芝 龔安燦 李 強

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

型鋼混凝土結構因其承載能力高、抗震性能好等優(yōu)點，已越來越多地應用在大跨度、大截面以及高層建筑結構中。已有不少學者做過型鋼混凝土結構的施工監(jiān)控，如曾敏[1]利用現(xiàn)場人工采集數(shù)據(jù)的方式進行大跨度預應力型鋼混凝土梁的施工監(jiān)控；夏堯[2]進行過大跨度型鋼混凝土梁結構現(xiàn)場監(jiān)測。然而，針對大截面型鋼混凝土梁的施工監(jiān)控卻少有學者研究。因大截面型鋼混凝土梁的截面尺寸大，故其結構自重和施工荷載也遠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比普通型鋼混凝土梁多，混凝土的連續(xù)澆搗施工強度會更大，在施工期間會存在諸多安全隱患?；诖?，針對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)的結構監(jiān)測方式主要是人工巡視，施工環(huán)境復雜，通過現(xiàn)場測試獲得的實測數(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颍瑸閷崿F(xiàn)對大截面型鋼梁的無線智能化實時監(jiān)測，在工程施工時采用先進的傳感裝置具有十分重要的意義。

隨著物聯(lián)網技術的興起，智能化監(jiān)測成為可能?，F(xiàn)在已經有不少學者利用物聯(lián)網技術對工程進行智能監(jiān)測。阿拉塔等[3]利用物聯(lián)網對老舊磚房進行在線監(jiān)測；李惠玲等[4]利用物聯(lián)網對裝配整體式混凝土安裝過程進行動態(tài)管理；竇宏冰等[5]基于物聯(lián)網提出了一種房建結構施工進度實時跟蹤的方法，確保工程的完整性和關聯(lián)性。

本文以溫州市某項目中大截面型鋼梁的施工監(jiān)控為例，利用物聯(lián)網技術，集成一套無線智能化實時監(jiān)控系統(tǒng)，實時獲取型鋼混凝土梁的應變和位移等信息，并結合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對大截面型鋼梁的施工監(jiān)控。

1 工程概況

溫州市某學生活動中心工程由地下1層整體地下室、地上1～6層組成。該項目總建筑面積24 498.36 m2，建筑主體為鋼筋混凝土框架結構，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，故需要對該重要構件進行重點監(jiān)測。

圖1 多功能廳頂部結構平面

圖2 A型鋼梁立面及測點布置

2 型鋼梁物聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)搭建

2.1 監(jiān)控方案

以圖1編號為A、B的型鋼梁作為研究對象，采用物聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)加人工巡檢的方式對其進行施工期安全保護監(jiān)測。根據(jù)有關研究和相應技術規(guī)范，對圖1、圖2所示位置進行重點監(jiān)控，監(jiān)控內容包括型鋼梁的應變和下?lián)?。以A型鋼梁為例，每根梁設置3處應變傳感器監(jiān)測位置，3個位置編號分別為A-Y1、A-Y2、A-Y3（A-Y1表示A型鋼梁Y1位置，余同），編號為A的型鋼梁另設1根位移傳感器，以測量該梁的下?lián)稀?/p>

2.2 監(jiān)測儀器選擇

型鋼梁應變監(jiān)測設備為基康BGK4000振弦式應變計，測量應變時精度可達0.01 με。應變計采用環(huán)氧樹脂膠固定安裝在型鋼梁側面梁底位置。型鋼梁的下?lián)媳O(jiān)測設備為基康BGK4420振弦式裂縫計，測量精度可達0.01 μm。裂縫計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)境下進行監(jiān)測。另外，儀器內部安裝有場地溫度自動感應裝置，可實時自動記錄每次場地溫度的變化情況，以便對采集到的數(shù)據(jù)進行溫度補償和對異常數(shù)據(jù)信號進行處理。同時，為不影響現(xiàn)場的施工進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過多的線纜。而現(xiàn)有的大部分型鋼混凝土結構施工監(jiān)控仍采用連接線的方法對數(shù)據(jù)進行傳輸，這種方法不僅費力，而且對設備的維護也較為不便。近年來，科技發(fā)展的速度越來越快，無線通信、集成電路、傳感器和微機電系統(tǒng)（MEMS）以及數(shù)字電子學越來越成熟，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，將無線傳感技術與土木工程相結合的方式成為結構施工監(jiān)控與健康監(jiān)測的熱點。

基于上述情況，該監(jiān)控系統(tǒng)以無線傳感技術為依托，利用微機電系統(tǒng)和網關上傳信號。儀器監(jiān)測得到的信號通過終端向網關發(fā)送，再由網關轉發(fā)至相應服務器。最終實現(xiàn)對大截面型鋼混凝土梁狀態(tài)信息的實時在線監(jiān)測。為獲取更多數(shù)據(jù)，計劃將系統(tǒng)的采樣頻率設置為5 min/次，可以根據(jù)實際情況進行調整。該監(jiān)控系統(tǒng)共布置了6個應變儀、1個裂縫計和1個無線網關。

2.3 監(jiān)測云平臺搭建

為實現(xiàn)對型鋼混凝土結構的智能化管理，在上述提到的硬件基礎上，可以通過設定的用戶名、密碼登錄系統(tǒng)，查看傳感器的工作狀態(tài)，以便實時觀察大截面型鋼梁的應變和位移等數(shù)據(jù)，如圖3所示。同時，該云平臺具有存檔、下載、比較等功能，在確保數(shù)據(jù)安全性的同時也使得監(jiān)控人員對監(jiān)控項目的管理更加便捷。

圖3 監(jiān)測云平臺

2.4 型鋼梁結構變形控制標準

本文施工監(jiān)控的目的是實時獲得大截面型鋼梁應變及跨中下?lián)闲畔?，然后將其與相關技術規(guī)范和工程標準給出的控制值進行比較，確定結構是否處于安全狀態(tài)，為相應的施工過程控制提供可靠、實時的工程指導。在監(jiān)控期間，以JGJ 138—2016《組合結構設計規(guī)范》為依據(jù)，對本文所研究的型鋼梁的最大撓度進行判斷，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)控數(shù)據(jù)分析

儀器監(jiān)測時間為8月28日—9月28日，共31 d。監(jiān)測期間，工程先后進行了5層梁板支模架的安裝、多功能廳內架的拆除、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，為方便分析上部結構施工對型鋼梁的影響，對型鋼梁區(qū)域進行結構簡化，如圖4所示。由于現(xiàn)場安裝的振弦式應變計和振弦式裂縫計的采集頻率較高，加上監(jiān)控時間較長，為了更直觀地分析采集到的數(shù)據(jù)，故在數(shù)據(jù)記錄存儲后，以天為單位進行數(shù)據(jù)的處理和分析。

圖4 監(jiān)測前后局部結構變化

3.1 型鋼梁下?lián)戏治?/h3>

從8月28日—9月28日，共31 d，對A型鋼梁下?lián)线M行了監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進行了分析，分析結果如圖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?。在開始監(jiān)測后的一天時間里，梁下?lián)显龃?，根?jù)現(xiàn)場施工情況，該區(qū)域4層自那天起開始搭設5層梁板支模架。在開始監(jiān)測的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)測的31 d時間里，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。這說明上部結構施工時，型鋼梁會產生相應下?lián)?，但下?lián)现迪鄬τ诹旱目缍群苄?，型鋼梁在上部結構施工過程中處于安全狀態(tài)。

3.2 型鋼梁應變分析

圖6、圖7分別為監(jiān)測時間內A、B型鋼梁應變傳感器數(shù)據(jù)，圖8為不同型鋼梁相同位置的對比。

圖6 A型鋼混凝土梁應變變化情況

圖7 B型鋼混凝土梁應變變化情況

圖8 A、B型鋼梁相同位置應變對比

由圖可知：在上部施工主要節(jié)點時期，型鋼梁應變均會發(fā)生較大變化，在內架拆除和5層相應區(qū)域梁板澆筑時，梁端最大有45 με的應變變化，總體來說，2根梁梁端和跨中的應變變化趨勢基本一致。A型鋼梁監(jiān)控期間Y1、Y2、Y3處應變的最大值分別為19、50、67 με，應變的最小值分別為－75、－37、－40 με；B型鋼梁Y1、Y2、Y3處應變的最大值分別為25、38、90 με，應變的最小值分別為－37、－35、－40 με。通過2根型鋼梁對比可以看出，在開始監(jiān)測19 d之后，A-Y3處應變與B-Y3處應變大小基本一致，但A-Y1處應變與B-Y1處應變相差約40 με，兩梁Y2處應變相差約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處應變差值較大的主要原因是型鋼梁、柱節(jié)點施工時存在施工質量的差異。型鋼梁中節(jié)點處大量的梁柱縱向鋼筋、箍筋與型鋼交叉，配筋構造復雜，容易在澆筑過程中引起梁端混凝土澆筑困難，造成澆筑質量不佳。另外，Y1位置構造比Y3位置復雜，所以Y1位置2根型鋼梁應變約有40 με的應變差，而Y3位置2根型鋼梁的應變相差不大。

4 結語

1）基于物聯(lián)網對大截面型鋼梁的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，揭示了型鋼梁的下?lián)虾蛻兣c上部結構施工過程存在對應關系。在31 d的監(jiān)控時間內，型鋼梁的總下?lián)霞s為0.45 mm，未超過規(guī)定指標。

2）采用基于物聯(lián)網的無線監(jiān)控系統(tǒng)，首次對型鋼梁在上部結構施工作業(yè)時進行施工監(jiān)控。結果表明：基于物聯(lián)網的監(jiān)控技術可實現(xiàn)實時監(jiān)測，且具有高精度、高可靠性等特點，可有效解決人工監(jiān)測費時、費力的難題。

3）通過監(jiān)控數(shù)據(jù)的對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，通過物聯(lián)網進一步的使用，如在本施工監(jiān)控系統(tǒng)中加入警報功能，對不正常數(shù)據(jù)進行預警，可有效避免上部結構施工造成的過大影響。