基于有限元分析的公路收費(fèi)站磚混建筑施工監(jiān)測(cè)方法

李亦達(dá)（甘肅省公路建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，甘肅慶陽(yáng) 745700）

公路收費(fèi)站多采用磚混建筑，這種建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)成本低，且施工便捷[1]，但是在磚混建筑施工過(guò)程中，對(duì)于磚混建筑的質(zhì)量把握極為重要[2]，假使公路收費(fèi)站磚混建筑施工存在質(zhì)量問(wèn)題，那么將很大程度地影響建筑墻體的完整性，降低房屋的抗震性能，影響房屋建筑的耐久性能，對(duì)收費(fèi)站工作人員帶來(lái)很大的安全隱患[3]。傳統(tǒng)的公路收費(fèi)站磚混建筑施工監(jiān)測(cè)方法存有弊端，不能保證施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[4]，為此，本文提出基于有限元分析的公路收費(fèi)站磚混建筑施工監(jiān)測(cè)方法，對(duì)公路收費(fèi)站施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督，以保證施工質(zhì)量的可靠性。

本文從三個(gè)方面設(shè)計(jì)了相應(yīng)的施工監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)布置施工光纖傳感器設(shè)備與全站儀，在對(duì)磚混建筑施工進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置的基礎(chǔ)上，使用ABAQUS軟件建立施工監(jiān)測(cè)的有限元模型，實(shí)時(shí)分析建筑施工狀態(tài)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方法能夠獲得精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于磚混建筑施工監(jiān)測(cè)方面具有顯著的實(shí)際意義。

1 基于有限元分析的公路收費(fèi)站磚混建筑施工監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 施工光纖傳感器設(shè)備布置

為了對(duì)磚混建筑進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)，首先需要現(xiàn)場(chǎng)布置檢測(cè)設(shè)備，確定磚混建筑施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在布置監(jiān)測(cè)設(shè)備前，本文考察施工地的實(shí)際地形以及環(huán)境條件，并且分析施工階段，布置相應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器[5]。本文使用的監(jiān)測(cè)儀器為光纖水準(zhǔn)儀、位移計(jì)傳感器和變阻式傳感器等，同時(shí)，使用TPS1201+型全站儀對(duì)建筑結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行三維監(jiān)測(cè)。本文使用的光纖類監(jiān)測(cè)儀器以及傳感器，測(cè)量精度高，靈敏度強(qiáng)，并且具有良好的穩(wěn)定性，能實(shí)現(xiàn)對(duì)公路收費(fèi)站磚混建筑施工過(guò)程中全過(guò)程的監(jiān)測(cè)。

本文針對(duì)公路收費(fèi)站施工情況，確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以便對(duì)磚混建筑施工過(guò)程進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。在確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，需要全面考慮建筑施工過(guò)程中磚混結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力處，以及應(yīng)力變化幅度大的結(jié)構(gòu)件部位，以布置在結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)之間的中間部位為宜。測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置俯視示意圖

傳感器是施工檢測(cè)的主要信息采集儀器，能夠獲取磚混結(jié)構(gòu)的環(huán)境溫度參數(shù)以及建筑結(jié)構(gòu)的信息變化參數(shù)。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，光纖水準(zhǔn)儀布置4臺(tái)，監(jiān)測(cè)建筑的豎向變化，監(jiān)測(cè)頻率為每天2次；光纖位移計(jì)傳感器布置8臺(tái)，監(jiān)測(cè)建筑施工的側(cè)向變化，頻率為每周2次。

在信號(hào)傳輸方面，使用集線器和讀數(shù)儀對(duì)傳感器感應(yīng)的信號(hào)參數(shù)進(jìn)行讀取傳輸，同時(shí)，為保證所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性，使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)測(cè)設(shè)備，便于實(shí)時(shí)收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠處理收集的信息參數(shù)，進(jìn)行存儲(chǔ)、繪制圖表等操作，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

在確定好收費(fèi)站磚混建筑施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)之后，使用TZ20H-I型機(jī)器對(duì)磚混收費(fèi)站建設(shè)過(guò)程中的建筑質(zhì)量進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，記錄振動(dòng)前、振動(dòng)中以及振動(dòng)后的施工質(zhì)量參數(shù)。

傳感器是施工檢測(cè)的主要信息采集儀器，能夠獲取磚混結(jié)構(gòu)的環(huán)境溫度參數(shù)以及建筑結(jié)構(gòu)的信息變化參數(shù)。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，光纖水準(zhǔn)儀布置4臺(tái)，監(jiān)測(cè)建筑的豎向變化，監(jiān)測(cè)頻率為每天2次；光纖位移計(jì)傳感器布置8臺(tái)，監(jiān)測(cè)建筑施工的側(cè)向變化，頻率為每周2次。

在信號(hào)傳輸方面，使用集線器和讀數(shù)儀對(duì)傳感器感應(yīng)的信號(hào)參數(shù)進(jìn)行讀取傳輸，同時(shí)，為保證所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性，使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)測(cè)設(shè)備，便于實(shí)時(shí)收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠處理收集的信息參數(shù)，進(jìn)行存儲(chǔ)、繪制圖表等操作，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

在確定好收費(fèi)站磚混建筑施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)之后，使用TZ20H-I型機(jī)器對(duì)磚混收費(fèi)站建設(shè)過(guò)程中的建筑質(zhì)量進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，記錄振動(dòng)前、振動(dòng)中以及振動(dòng)后的施工質(zhì)量參數(shù)。

1.2 基于ABAQUS的施工監(jiān)測(cè)有限元模型構(gòu)建

在布置好監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并鋪設(shè)相關(guān)設(shè)備之后，就可以對(duì)收費(fèi)站磚混建筑進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)，本文使用有限元分析方法對(duì)收費(fèi)站磚混建筑施工進(jìn)行分析，建立施工監(jiān)測(cè)的有限元模型。

本文使用ABAQUS軟件對(duì)收費(fèi)站進(jìn)行施工建模，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)磚混結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的土體結(jié)構(gòu)的模擬。由于磚混建筑的有限元模型較為復(fù)雜，因此，本文使用摩爾庫(kù)倫計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，相應(yīng)公式表示為：

式中αt表示的是剪切的強(qiáng)度參數(shù)；

a表示的是施工材料的粘聚力參數(shù)；

β表示的是正應(yīng)力參數(shù)；

χ表示的是建筑材料之間的摩擦角參數(shù)。

相應(yīng)的關(guān)系公式表示如下：

式中β1、β3均為剪切面的正應(yīng)力。

綜合上述3個(gè)公式，經(jīng)過(guò)整理可以得出：

在建立的有限元模型中，正應(yīng)力變化是具有各向同性的，那么相應(yīng)的屈服函數(shù)可以表示為：

式中Qmc表示的是該模型的偏應(yīng)力系數(shù)參數(shù)；

d表示的是模型等效應(yīng)力的參數(shù)；

p表示的是模型的等效壓應(yīng)力參數(shù)。

假設(shè)Qmc(r,x)是模型屈服面e之內(nèi)的某一向量參數(shù)，可以得出如下公式：

1.3 施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析

本文在建立好施工監(jiān)測(cè)的有限元模型后，分析光纖監(jiān)測(cè)儀器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由于公路收費(fèi)站周圍車輛流動(dòng)大，因此極易受到振動(dòng)損壞，對(duì)收費(fèi)站磚混建筑的結(jié)構(gòu)影響也很嚴(yán)重，為此，分析建筑的土質(zhì)位移情況以及地基沉降問(wèn)題，判斷收費(fèi)站磚混建筑的施工安全性。

首先，需要確定磚混建筑施工監(jiān)測(cè)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文以實(shí)際施工需要為基礎(chǔ)，確定了幾個(gè)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，包括建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定平衡度以及施工過(guò)程中的設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等四方面。

在強(qiáng)度要求方面，需要保證在磚混建筑施工過(guò)程當(dāng)中，相應(yīng)的建筑材料能夠承受適當(dāng)?shù)膽?yīng)力，包括抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等，保證施工過(guò)程安全。

在剛度要求方面，需要保證磚混建筑在施工過(guò)程中保持一定的剛度，在施工完成后整體也仍有著較強(qiáng)的抵抗變形的性能。

在穩(wěn)定平衡度要求方面，本文對(duì)建筑的鋼結(jié)構(gòu)持續(xù)監(jiān)測(cè)，避免出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)受力變形、不能保持平衡的情況，嚴(yán)重影響建筑安全。

對(duì)于設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求方面，本文對(duì)收費(fèi)站磚混建筑施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證建筑結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)格符合建筑施工的驗(yàn)收規(guī)范，保證磚混建筑的施工質(zhì)量。

在本文設(shè)計(jì)的施工監(jiān)測(cè)方法中，使用相應(yīng)的計(jì)算方法對(duì)收集的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，便于分析數(shù)據(jù)結(jié)果，本文使用的光纖傳感器監(jiān)測(cè)的是建筑結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)變化，相應(yīng)的處理公式為：

式中δ表示的是光纖的中心波長(zhǎng)參數(shù)；

c表示的是纖芯的有效折射率參數(shù)；

?表示的是布拉格周期，當(dāng)受到應(yīng)力時(shí)δ的參數(shù)都將變化。

我們還需進(jìn)一步將布拉格波通過(guò)計(jì)算，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)變量，具體的公式表示如下：

式中δω表示的是建筑結(jié)構(gòu)的布拉格波長(zhǎng)參數(shù)；

δω0表示的是光纖傳感器不受束縛時(shí)，所監(jiān)測(cè)到的布拉格波長(zhǎng)參數(shù)；

ΔR表示的是溫度的變化量參數(shù)，單位為℃。

對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的剛體應(yīng)力計(jì)算，本文使用振動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)得剛體的振動(dòng)頻率參數(shù)，使用相應(yīng)的計(jì)算方法，將其轉(zhuǎn)化為剛體的張力參數(shù)，具體關(guān)系公式如下所示：

式中H-表示的是剛體的振動(dòng)頻率參數(shù)；

T-表示的是剛體張力參數(shù)；

M-表示的是剛體單位長(zhǎng)度下的相應(yīng)質(zhì)量參數(shù)；

N-表示的是剛體的長(zhǎng)度參數(shù)。

通過(guò)上述計(jì)算方法，求出磚混建筑施工過(guò)程中建筑剛體的應(yīng)力變化，從而分析出剛體的張力變化，分析出建筑結(jié)構(gòu)的剛度。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于有限元分析的監(jiān)測(cè)方法的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，為保證本實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，本文分別使用傳統(tǒng)方法與本文設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)以某公路收費(fèi)站工程K作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該收費(fèi)站設(shè)計(jì)為海鷗狀造型，收費(fèi)亭設(shè)計(jì)在海鷗左、右翼之下，共設(shè)6條入車道，12條出車道。在收費(fèi)站中心設(shè)置管理樓，內(nèi)部布置監(jiān)控室與指揮室，同時(shí)，還有員工休息室以及其他設(shè)施建設(shè)。該收費(fèi)站整體采用鋼結(jié)構(gòu)作為建筑框架結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行磚混結(jié)構(gòu)工程施工?？偨ㄖL(zhǎng)186m，高約12.3m，建筑面積約為1900m2。

在該磚混建筑工程施工過(guò)程中，本文布設(shè)1臺(tái)TPS1201全站儀，全站儀的位置選擇在視野開(kāi)闊區(qū)，距收費(fèi)站約20m處，放置全站儀進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，避免樹(shù)木遮擋全站儀視野。同時(shí)，布設(shè)4個(gè)位移監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，保證在施工過(guò)程中對(duì)收費(fèi)站磚混結(jié)構(gòu)的建筑變形監(jiān)測(cè)的全面性。確定好監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及布設(shè)監(jiān)測(cè)儀器后，本文使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，設(shè)置監(jiān)測(cè)頻率為每天2次，共計(jì)監(jiān)測(cè)30d。分別使用傳統(tǒng)電阻應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法與本文設(shè)計(jì)的基于有限元分析的監(jiān)測(cè)方法，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，記錄并整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，本文布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得了該收費(fèi)站立柱的水平位移數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)記錄了監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，具體情況如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)立柱的水平位移坐標(biāo)數(shù)據(jù)表

從表1可以看出，在該收費(fèi)站磚混建筑施工過(guò)程中，以立柱1、2為例，立柱發(fā)生了應(yīng)力位移。其中，在監(jiān)測(cè)的30d內(nèi)，立柱1在X方向上水平位移了0.140mm，在Y方向上水平位移了-0.243mm；立柱2的應(yīng)力位移量，X方向?yàn)?.035mm，Y方向位移了-0.143mm。因此，本文設(shè)計(jì)方法進(jìn)行磚混建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)，所測(cè)得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，數(shù)據(jù)分析及時(shí)。

為進(jìn)一步進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以立柱1為對(duì)象，本文分別記錄了兩種方法下的立柱位移監(jiān)測(cè)變化參數(shù)，對(duì)比有限元分析計(jì)算的預(yù)測(cè)值，并制成了位移變化曲線圖，具體結(jié)果如圖2所示。

分析圖2可以看出，與計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)建模的應(yīng)變位移量相比，本文設(shè)計(jì)的方法明顯在預(yù)測(cè)精度上更具優(yōu)勢(shì)。從監(jiān)測(cè)值走向與預(yù)測(cè)值走向來(lái)看，本文設(shè)計(jì)方法檢測(cè)到的柱體結(jié)構(gòu)位移量基本圍繞預(yù)測(cè)值變化，誤差僅在很小范圍內(nèi)，測(cè)量參數(shù)更加精準(zhǔn)。而傳統(tǒng)方法測(cè)量的數(shù)值不僅大大低于預(yù)測(cè)的位移量，其整體測(cè)量走勢(shì)也有很大區(qū)別，差值將近0.01mm。

圖2 位移變化曲線圖

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于有限元分析的施工監(jiān)測(cè)方法，所獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，能夠保證數(shù)據(jù)分析的及時(shí)性與針對(duì)性，在保證磚混建筑施工質(zhì)量方面具有明顯的實(shí)際意義。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在有限元分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的磚混建筑施工監(jiān)測(cè)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方法能夠獲得精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于磚混建筑施工監(jiān)測(cè)方面具有明顯的實(shí)際意義。