信息化施工在商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)改造工程中的應(yīng)用
——基于數(shù)值模擬分析及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)

周成峰

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著社會(huì)不斷向前發(fā)展，核心城區(qū)土地資源十分稀缺，無(wú)論是對(duì)既有建筑進(jìn)行增層還是增建地下空間，均能顯著增加單位土地面積建筑的容積率，緩解當(dāng)前城市用地緊張，且經(jīng)濟(jì)效益較好[1]。同時(shí)，我國(guó)工程建設(shè)的主要方向?qū)?huì)向既有建筑的加固改造轉(zhuǎn)變，這也是許多發(fā)達(dá)國(guó)家目前的現(xiàn)狀[2]。自19世紀(jì)70年代以來，經(jīng)過多年的研究，我國(guó)加固技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[2]，但由于既有建筑加固改造工程施工存在較高的風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)難度，需要對(duì)其施工導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行重點(diǎn)研究，并對(duì)施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精細(xì)控制，以確保建筑結(jié)構(gòu)自身及周邊環(huán)境的安全[3]?；?，本文結(jié)合某商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)改造工程案例，通過數(shù)值模擬分析和采用自動(dòng)化監(jiān)控量測(cè)手段，探討信息化施工對(duì)控制建筑物結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力狀態(tài)發(fā)揮的重要作用。

1 工程概況

某商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)改造工程位于福州市鼓樓區(qū)八一七路與楊橋東路交叉路口，南面A樓為已有主樓，北面B樓為新建裙樓。主樓和裙樓之間新增兩層地下室連接體，其南北寬8.80m，東西長(zhǎng)74.80m，高8.80m(一樓地面標(biāo)高-0.03m，負(fù)一層樓面標(biāo)高-4.43m，負(fù)二層地面標(biāo)高-8.83m)；A樓負(fù)一層部分框架梁向北懸挑于新增兩層地下室中間位置；懸挑端上部為一承重柱，承受10層建筑荷載(6層舊建筑，4層新加蓋建筑)。為了增加A樓負(fù)一層地下室使用空間(緊鄰新增兩層地下室側(cè))，需對(duì)部分框架梁進(jìn)行改造、加固等工作。基本流程如下：新增柱基礎(chǔ)施工(梁懸挑端下部，采用鋼管混凝土錨桿靜壓樁，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖作為持力層)→新增地下室連接體負(fù)二層梁、板、柱施工(預(yù)留頂升架安裝空洞)→懸挑梁頂升系統(tǒng)安裝(頂升架由型鋼拼裝、焊接而成)→頂升A樓負(fù)一層梁懸挑端(試頂升、分級(jí)加載、持荷)→地下室連接體新增柱負(fù)一層施工(與A樓負(fù)一層梁懸挑端緊密相連)→新增柱強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)要求后，頂升系統(tǒng)分級(jí)卸載并拆除→縮小A樓負(fù)一層部分框架梁截面并進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)(懸挑部分未縮小、加固)，平面及立面示意圖如圖1～圖2所示。

圖1 改造工程平面示意圖

圖2 頂升、增柱立面示意圖

為了確保部分框架梁在頂升系統(tǒng)加、卸載及鑿梁施工過程的安全，施工前通過數(shù)值模擬分析掌握改造梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)、變形規(guī)律，施工過程采取自動(dòng)化監(jiān)控量測(cè)手段，實(shí)時(shí)獲取改造梁結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)。二者結(jié)合很好地實(shí)現(xiàn)了施工安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可預(yù)測(cè)性和實(shí)時(shí)性，有效地指導(dǎo)施工，確保了施工過程安全。

2 數(shù)值分析

在施工前，為了掌握加固、改造施工對(duì)商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)程度及其變形規(guī)律，同時(shí)為建筑物變形監(jiān)控量測(cè)提供參考依據(jù)，采用ABAQUS有限元數(shù)值計(jì)算軟件建模進(jìn)行數(shù)值分析。

2.1 模型介紹

由于加固、改造梁沿東西兩側(cè)呈豎狀排列，故，選取中間部位6軸位置的梁(南北向)進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，并采用線彈性材料進(jìn)行模擬分析。

首先，簡(jiǎn)化工程模型、提取分析步驟。把整個(gè)結(jié)構(gòu)看成一個(gè)梁結(jié)構(gòu)，共4個(gè)分析工況。工況1：頂升之前，如圖3所示，在D位置施加一個(gè)10 000kN垂直向下的力F1(一層承重結(jié)構(gòu)柱位置，承受10層建筑荷載，其中6層舊建筑，4層新加蓋建筑)。工況2：頂升，如圖4所示，同時(shí)在E的位置施加一個(gè)4200kN垂直向上的頂升力F2。工況3：加柱、卸載，如圖5所示，在最北端施加一個(gè)垂直柱子(柱子長(zhǎng)寬高：1000mm×1000mm×2200mm)，同時(shí)卸載頂升力F2。工況4：鑿梁，如圖6所示，鑿除AB段梁下表面鋼筋混凝土，AB段截面高由原來的1.8m變成0.8m。圖中字母所代表位置及約束條件如表1所示。

圖3 工況1：頂升之前

圖4 工況2：頂升

圖5 工況3：加柱，卸載

圖6 工況4：鑿梁

表1 代表位置及約束條件

然后，進(jìn)行有限元建模。網(wǎng)格大小50mm，六面體單元C3D8R，梁跟柱共361 778個(gè)單元，柱子的施加及梁的鑿除通過ABAQUS模型改變命令實(shí)現(xiàn)，即Model CHANGE，ADD或REMOVE。梁和柱結(jié)構(gòu)材料物理參數(shù)如表2所示，整個(gè)有限元模型如圖7所示。其中，梁左端及柱底部約束所有自由度，B處簡(jiǎn)支座約束垂向位移，F(xiàn)1、F2為集中荷載。

表2 材料物理參數(shù)

圖7 整個(gè)有限元模型

最后，提交ABAQUS進(jìn)行計(jì)算，處理計(jì)算結(jié)果，觀察各個(gè)分析工況對(duì)應(yīng)的豎向位移、應(yīng)變、應(yīng)力結(jié)果。

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

(1)豎向位移分析

分析圖8～圖9可知，各工況條件下，垂直改造梁軸向截面上各點(diǎn)豎向位移相等；最大豎向位移發(fā)生在頂升前，位于改造梁北端(大小為24.59mm，垂直向下)；各工況條件下，改造梁懸挑部分的豎向位移相對(duì)較大。

圖8 工況1、2豎向位移云圖

圖9 工況3、4豎向位移云圖

(2)軸向應(yīng)變分析

分析圖10～圖11可知，各工況條件下，改造梁B點(diǎn)位置附近應(yīng)變較大；最大軸向應(yīng)變發(fā)生在頂升前，位于B點(diǎn)位置梁底面(1.62E-003，受壓)和梁頂面(1.62E-003，受拉)；沿改造梁軸向同一位置處，基本上梁底面應(yīng)變比頂面大。

圖10 工況1、2應(yīng)變?cè)茍D

圖11 工況3、4應(yīng)變?cè)茍D

(3)軸向應(yīng)力分析

分析圖12～圖13可知，各工況條件下，改造梁B點(diǎn)位置附近應(yīng)力較大；最大應(yīng)力發(fā)生在頂升前，位于B點(diǎn)位置梁底面(65.375MPa，受壓)和梁頂面(65.369MPa，受拉)；沿改造梁軸向同一位置處，基本上梁底面應(yīng)力比頂面大；與圖10～圖11相比，各工況條件下，改造梁軸向應(yīng)力云圖與應(yīng)變?cè)茍D規(guī)律相似。

圖12 工況1、2應(yīng)力云圖

圖13 工況3、4應(yīng)力云圖

根據(jù)上述數(shù)值分析結(jié)果，從安全合理、經(jīng)濟(jì)可行的角度出發(fā)，在改造梁懸挑部分：(1)沿梁軸向布設(shè)豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)；(2)沿梁底面中軸線位置布設(shè)應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

3.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的必要性

(1) 改造梁在頂升、新增結(jié)構(gòu)柱、鑿梁等施工過程中，受力非常復(fù)雜，且應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)變化較快，一旦出現(xiàn)破壞，后果極其嚴(yán)重，因此需實(shí)時(shí)掌握改造梁上重點(diǎn)部位的變形情況。

(2) 與人工監(jiān)測(cè)對(duì)比，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)具有采集頻率高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、信息反饋及時(shí)等特點(diǎn)。

因自動(dòng)化監(jiān)測(cè)能很好地契合該商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)改造、加固工程的需求，為了確保工程安全，實(shí)現(xiàn)信息化施工和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，該工程采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由監(jiān)測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理及計(jì)算機(jī)監(jiān)控單元3個(gè)部分組成。由于改造梁南跨底面需鑿除，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在6軸改造梁的懸挑部分布置混凝土表面應(yīng)變計(jì)和豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖14所示，具體位置及監(jiān)測(cè)方法如表3所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝效果圖如圖15所示，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、處理及監(jiān)控單元如圖16所示。

圖14 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置及監(jiān)測(cè)方法

圖15 監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝效果圖

在部分框架梁改造、加固施工前，完成監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)試；施工開始后，同步進(jìn)行監(jiān)測(cè)；頂升、卸載及鑿梁等重要施工過程，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其余時(shí)段合理降低監(jiān)測(cè)頻率，直至改造梁變形穩(wěn)定。

3.3 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

根據(jù)改造梁初始狀態(tài)(頂升前，一層承重結(jié)構(gòu)柱荷載已施加)，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)際布設(shè)位置，提取各工況條件下數(shù)值計(jì)算結(jié)果，經(jīng)換算后再與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

(1)豎向位移變化量

分析圖17可知：在各工況條件下，數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致，但由于數(shù)值計(jì)算模型簡(jiǎn)化等原因，其結(jié)果偏大；在逐級(jí)施加頂升荷載過程中，實(shí)際豎向位移變化量上下波動(dòng)，但整體上呈增加趨勢(shì)；在加柱、卸載及鑿梁過程中，實(shí)際豎向位移變化量整體上呈減少趨勢(shì)，但由于頂升、加柱作用，最終改造梁懸挑部分豎向位移變化趨于穩(wěn)定，且相對(duì)于初始狀態(tài)整體上抬；6軸框架梁在整個(gè)改造、加固過程中，實(shí)測(cè)最大豎向位移變化量為監(jiān)測(cè)點(diǎn)RD6-3#的1.61mm，表現(xiàn)為垂直向上增加。

圖17 豎向位移變化曲線圖

(2)軸向應(yīng)變變化量

分析圖18可知：在各工況條件下，數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律大體一致，但由于數(shù)值計(jì)算模型簡(jiǎn)化等原因，其結(jié)果偏大明顯；在逐級(jí)施加頂升荷載過程中，實(shí)際應(yīng)變變化量來回波動(dòng)，但整體上呈壓應(yīng)變減少趨勢(shì)；在加柱、卸載過程中，由于實(shí)際應(yīng)變變化量很小，規(guī)律性不是特別明顯，但大致呈壓應(yīng)變減少趨勢(shì)；在鑿梁過程中，實(shí)際應(yīng)變變化量增大，整體上呈壓應(yīng)變減少趨勢(shì)，但由于頂升、加柱作用，最終改造梁懸挑部分壓應(yīng)變變化量趨于穩(wěn)定；6軸框架梁在整個(gè)改造、加固過程中，實(shí)測(cè)最大應(yīng)變變化量為監(jiān)測(cè)點(diǎn)L6-B2#的14.25με，表現(xiàn)為壓應(yīng)變減少。

圖18 軸向應(yīng)變變化曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過數(shù)值模擬計(jì)算，掌握了改造梁的應(yīng)力狀態(tài)和變形規(guī)律。針對(duì)結(jié)構(gòu)梁在改造、加固等施工過程中的受力、變形特點(diǎn)，從安全合理、經(jīng)濟(jì)可行的角度出發(fā)，對(duì)結(jié)構(gòu)梁的懸挑部分進(jìn)行了豎向位移和混凝土表面應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

(2)經(jīng)分析該改造工程監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，在施工過程中采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。

(3)經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：兩者數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致。

(4)該工程的成功實(shí)施，說明了數(shù)值模擬分析與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)兩者結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)施工安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可預(yù)測(cè)性和實(shí)時(shí)性；兩者結(jié)合是一種實(shí)現(xiàn)信息化施工的高效手段。