歷史保護(hù)建筑改造施工全過(guò)程自動(dòng)化監(jiān)控分析

李 兵

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

1 工程概況

背景工程為上海南京東路179號(hào)街坊項(xiàng)目新康大樓外墻保護(hù)工程，位于上海黃浦區(qū)江西中路264號(hào)，該大樓建造于1916—1921年，原設(shè)計(jì)單位為英籍建筑師事務(wù)所馬海洋行，原建設(shè)單位為英商新康洋行，結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框架（含部分混凝土墻），原建筑房屋占地面積1 154 m2，總建筑面積10 433.38 m2，現(xiàn)為重要?dú)v史保護(hù)建筑。原設(shè)計(jì)為6層混凝土結(jié)構(gòu)，目前加建為9層，其中2層為早期加建，后期在屋面（9層）搭建1層磚混結(jié)構(gòu)房屋。為滿足日后功能需求，在保護(hù)外墻的要求下對(duì)該歷史保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，拆除原建筑內(nèi)部所有梁、板、柱結(jié)構(gòu)，并開(kāi)挖5層地下室。為達(dá)到既保留外墻立面的歷史風(fēng)貌，又不影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工的目的，在拆除內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同時(shí)對(duì)保留外墻進(jìn)行臨時(shí)支撐，形成鋼桁架支撐體系結(jié)構(gòu)（圖1）。為增加外墻側(cè)向剛度，保證其整體穩(wěn)定性，在距三面保留墻體內(nèi)外側(cè)各一定距離（750～1 400 mm）設(shè)置與保留外墻走向一致的一排H400型鋼柱，內(nèi)外鋼柱之間及與保留外墻，通過(guò)鋼連梁以及水平、豎向和側(cè)向支撐進(jìn)行拉結(jié)，局部設(shè)置鋼支撐進(jìn)行加強(qiáng)，同時(shí)在結(jié)構(gòu)開(kāi)口一面（東側(cè)）設(shè)置2個(gè)大型格構(gòu)柱式核心筒，2個(gè)核心筒之間設(shè)置交叉支撐形成整體，由核心筒出發(fā)增設(shè)水平空間伸臂桁架支撐，頂部同時(shí)加若干平面桁架式角撐增強(qiáng)頂部剛度，最終形成臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)支撐整體結(jié)構(gòu)體系，提高保留外墻的整體穩(wěn)定性。

圖1 新康大樓改造前及改造中的實(shí)景

2 自動(dòng)化監(jiān)控

由于本建筑為歷史保護(hù)建筑，墻體的安全和穩(wěn)定是施工過(guò)程中首先要解決的問(wèn)題，而鋼桁架圍護(hù)結(jié)構(gòu)是為了保護(hù)墻體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全而設(shè)置的臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)支撐體系，而對(duì)鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是確保安全的一個(gè)有效手段。在保留外部墻體的基礎(chǔ)上拆除內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行基坑開(kāi)挖。通過(guò)跟蹤監(jiān)測(cè)全過(guò)程施工階段墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形（反饋墻體平面外傾覆及豎向位移）、外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形，實(shí)時(shí)將墻體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)反映給施工管理人員，能夠有效確保保留外墻及周邊環(huán)境的安全，從而使得整個(gè)項(xiàng)目施工過(guò)程安全可控[1-3]。

針對(duì)該項(xiàng)目施工過(guò)程中鋼桁架結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)內(nèi)容，主要包含面內(nèi)面外傾斜變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、豎向沉降變形等。傾斜變形監(jiān)控主要用于控制外立面保留墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中因基坑開(kāi)挖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆除導(dǎo)致的平面外傾覆及基礎(chǔ)沉降引起的豎向位移。結(jié)構(gòu)應(yīng)力與豎向沉降變形控制主要是為了在施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)鋼桁架應(yīng)力、鋼柱應(yīng)變，格構(gòu)柱底部應(yīng)力及相鄰沉降差變形。根據(jù)施工監(jiān)測(cè)方案布置：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有11套靜力水準(zhǔn)儀（CJ1～CJ11），用以監(jiān)測(cè)鋼桁架沉降變形；鋼桁架設(shè)有應(yīng)變傳感器34支（YB01～YB34），用以監(jiān)測(cè)鋼桁架內(nèi)力；設(shè)有18套高精度傾角儀（QX01～QX18，共3層，每層布置6套），用以監(jiān)測(cè)鋼桁架的面內(nèi)與面外的傾斜變形（圖2）。

圖2 傾斜、應(yīng)力、沉降現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置示意

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備采集、傳輸傾斜、應(yīng)力、沉降等數(shù)據(jù)至云端服務(wù)器，由后臺(tái)遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)全天候查看數(shù)據(jù)變化情況。將采集到的隨著時(shí)間變化的結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)，通過(guò)自動(dòng)化擬合傾斜變形的時(shí)程線來(lái)反饋和評(píng)估建筑結(jié)構(gòu)的安全性，尤其在重要危險(xiǎn)工況施工過(guò)程對(duì)建筑結(jié)構(gòu)變形影響較大，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控的手段，一旦出現(xiàn)預(yù)警或報(bào)警，就及時(shí)反饋給項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)管理人員，以便于及時(shí)采取保護(hù)措施，以免發(fā)生重大事故。

3 有限元仿真

對(duì)鋼桁架結(jié)構(gòu)在考慮結(jié)構(gòu)自重、施工荷載、溫度影響、TRD施工時(shí)支座位移等因素下，采用有限元方法對(duì)鋼桁架整體變形與結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行施工全過(guò)程仿真模擬分析。本鋼桁架臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)橫向約25 m，縱向約60 m，根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》8.1.5條規(guī)定可不考慮溫度作用，但考慮到該結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件布置較密，且該項(xiàng)目復(fù)雜重要性和專家咨詢意見(jiàn)考慮溫度作用影響，結(jié)合上海地區(qū)情況，綜合考慮溫差取30 K。根據(jù)施工方提供的項(xiàng)目資料，依據(jù)TRD施工流程，分5段來(lái)考慮支座位移影響，同時(shí)考慮側(cè)向水平位移以及支座沉降的影響，最大值分別控制在20 mm和10 mm，采用線性變化的方式加于結(jié)構(gòu)支座上。經(jīng)過(guò)有限元分析，得出鋼桁架結(jié)構(gòu)整體變形云圖及結(jié)構(gòu)應(yīng)力比數(shù)據(jù)（圖3）。

圖3 鋼桁架結(jié)構(gòu)有限元受力結(jié)果

考慮分段支座位移影響后，結(jié)構(gòu)的最大位移為26.6 mm，發(fā)生在頂部桁架支撐位置，該位置非關(guān)鍵位置，關(guān)鍵位置最大位移發(fā)生在西側(cè)中部鋼框架頂部，為24.4 mm，位移角為1/1 312，較初始狀態(tài)略有增大。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件驗(yàn)算均滿足，應(yīng)力比最大為0.75，且絕大部分構(gòu)件應(yīng)力比均在0.5以下，鋼構(gòu)件應(yīng)力比較初始狀態(tài)增大較多?？梢?jiàn)支座位移對(duì)鋼構(gòu)件影響較大，對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性影響并不是很大。

根據(jù)有限元分析的理論數(shù)據(jù)最值，配合設(shè)計(jì)院提供的監(jiān)測(cè)報(bào)警控制值，綜合無(wú)線自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，較為系統(tǒng)、全面地對(duì)鋼桁架面內(nèi)、面外傾斜變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、豎向變形進(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異?；蛘叱^(guò)報(bào)警值，就及時(shí)反饋給項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)管理人員，以便采取應(yīng)急或加固措施，確保結(jié)構(gòu)安全和項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比鋼桁架結(jié)構(gòu)有限元分析的理論最值及設(shè)計(jì)院提供的監(jiān)測(cè)報(bào)警控制值，采用無(wú)線自動(dòng)化手段對(duì)上海南京東路歷史保護(hù)建筑新康大樓施工改造過(guò)程進(jìn)行傾斜變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、豎向沉降變形監(jiān)控，理論結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)，確保了工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)安全和工期進(jìn)展。在施工過(guò)程中，采用無(wú)線自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì)，使用高精度監(jiān)測(cè)傳感器，提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和全面性，能有效節(jié)約項(xiàng)目監(jiān)測(cè)的成本，可及時(shí)觀測(cè)鋼桁架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)變化規(guī)律。一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，就及時(shí)通知項(xiàng)目相關(guān)人員采取必要的保護(hù)措施，確保了施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)安全，降低安全事故帶來(lái)的不必要的損失，進(jìn)一步確保了歷史保護(hù)建筑外圍鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性，提高了施工監(jiān)控的工作效率。