超高層建筑施工階段力學(xué)性能模擬與應(yīng)力監(jiān)測

摘 要：為展示超高層建筑施工階段的應(yīng)力變化，為施工提供便利條件，本文對超高層建筑施工階段力學(xué)性能模擬與應(yīng)力監(jiān)測進(jìn)行研究。通過超高層建筑施工階段力學(xué)性能模擬、主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置、應(yīng)變傳感器感知的測點(diǎn)頻率-應(yīng)變計算、監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力發(fā)展曲線調(diào)取與可視化，最后實現(xiàn)應(yīng)力監(jiān)測應(yīng)用。通過設(shè)計新的監(jiān)測技術(shù)，保障施工階段的安全性和保證質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；超高層建筑；應(yīng)力監(jiān)測

中圖分類號：TU 74" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在施工過程中，由于超高層建筑高度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，因此容易受到多種因素的影響，例如風(fēng)力、地震、施工荷載等，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力[1]。如果這些應(yīng)力超過結(jié)構(gòu)的承載能力，就可能引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞或倒塌等安全事故。因此，通過應(yīng)力監(jiān)測，可以及時掌握結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力狀態(tài)，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行安全控制，保障施工安全性。

超高層建筑的施工過程復(fù)雜，需要針對不同的施工階段和工況進(jìn)行施工工藝設(shè)計。通過應(yīng)力監(jiān)測，可以實時獲取結(jié)構(gòu)在施工過程中的實際受力狀態(tài)和變形情況，為施工工藝優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以判斷當(dāng)前施工工藝是否合理，以改進(jìn)、優(yōu)化與調(diào)整方案。超高層建筑的質(zhì)量要求非常高，需要保證每個施工環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性和可靠性[2]。通過應(yīng)力監(jiān)測，可以對結(jié)構(gòu)的整體性能進(jìn)行評估，及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的質(zhì)量問題，以此判斷結(jié)構(gòu)的長期性能和安全性，為工程驗收和維護(hù)提供依據(jù)。

因此，在實際施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對超高層建筑施工階段力學(xué)性能模擬與應(yīng)力監(jiān)測的重視和應(yīng)用，建立完善的監(jiān)測體系，保障超高層建筑的施工安全和保證質(zhì)量。

1 超高層建筑施工階段力學(xué)性能模擬

超高層建筑施工階段的力學(xué)性能模擬對評估結(jié)構(gòu)的整體性能、預(yù)測施工過程中的應(yīng)力和變形情況、優(yōu)化施工工藝等都具有重要的意義。因此，以某超高層建筑為例，對其施工階段進(jìn)行針對性力學(xué)性能模擬。為保證模擬結(jié)果的可靠性，模擬前，對建筑的基本情況進(jìn)行分析[3]。該建筑是集會議、辦公、金融、酒店住宿、休閑娛樂為一體的綜合體建筑，屬于試點(diǎn)地區(qū)的大型、地標(biāo)性建筑，建筑設(shè)計高度為320m，預(yù)期該項目的層數(shù)為68層，每層約為4.5m，整體結(jié)構(gòu)按照典型的核心筒框架結(jié)構(gòu)設(shè)計形成。裙房建筑的層數(shù)為7，主要為VIP 用戶提供專項金融服務(wù)。

掌握本工程項目的基本情況后，將建筑相關(guān)參數(shù)錄入計算機(jī)，建立超高層建筑的結(jié)構(gòu)模型，包括梁、柱、板、墻等組成部分[4]。當(dāng)建立模型時，需要考慮施工過程的影響，例如施工荷載、施工順序、支撐體系等。結(jié)構(gòu)模型應(yīng)該能夠準(zhǔn)確地反映實際工程的細(xì)節(jié)和特征，為后續(xù)的模擬分析提供基礎(chǔ)。

在模擬分析前，需要定義結(jié)構(gòu)的邊界條件和荷載[5]。邊界條件包括固定支撐、彈性支撐、滑動支撐等，應(yīng)根據(jù)實際工程的施工條件和要求進(jìn)行設(shè)定。荷載包括施工荷載、自重、風(fēng)載、地震等，應(yīng)綜合考慮并進(jìn)行加載。完成相關(guān)參數(shù)錄入后，利用建立的模型和定義的邊界條件和荷載，可以進(jìn)行模擬分析，包括靜力分析、動力分析、屈曲分析等。靜力分析主要用來分析結(jié)構(gòu)在靜力作用下的應(yīng)力和變形情況，動力分析主要用來分析結(jié)構(gòu)在動力作用下的響應(yīng)和穩(wěn)定性，屈曲分析主要用來分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和屈曲臨界荷載[6]。根據(jù)模擬結(jié)果與應(yīng)力分析的需求，計算在豎向方向上的位移，如公式（1）所示。

（1）

式中：y（x）為建筑懸臂梁結(jié)構(gòu)模型在豎向方向x上的位移；f（α）為建筑懸臂梁結(jié)構(gòu)上的荷載分布函數(shù)；k（τ）為建筑結(jié)構(gòu)軸向剛度。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，為保證超高層建筑在建成后，可以在抗震、抗風(fēng)方面等具有較好的性能，應(yīng)明確建筑懸臂梁結(jié)構(gòu)上的荷載分布函數(shù)f（α），建筑截面會隨著建筑高度增加而呈現(xiàn)對應(yīng)的線性變化趨勢，設(shè)定建筑截面用A（τ）表示。則f（α）、A（τ）可以用公式（2）表示。

（2）

式中：m、n為線性函數(shù)的比例系數(shù)；α為荷載分布函數(shù)的自變量；τ為建筑截面的自變量；f0為初始荷載分布；A0為建筑截面初始面積。

完成施工或建筑施工接近后續(xù)階段后，對建筑結(jié)構(gòu)任意位移進(jìn)行變形模擬，如公式（3）所示。

（3）

式中：H為建筑結(jié)構(gòu)抗壓標(biāo)準(zhǔn)；E為建筑結(jié)構(gòu)所用材料的彈性模量。

根據(jù)模擬分析的結(jié)果，可以對施工工藝和設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化。例如，通過調(diào)整支撐體系的設(shè)計、改進(jìn)施工順序、改變材料性質(zhì)等措施，改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和施工過程的安全性。在模擬分析和監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證的過程中，如果發(fā)現(xiàn)模型存在偏差或錯誤，就需要及時進(jìn)行反饋和修正。反饋包括向建模人員提出問題、提供改進(jìn)建議等，修正包括對模型進(jìn)行修改、調(diào)整參數(shù)等[7]。通過反饋和修正，可以不斷提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。參照上述方式，對超高層建筑施工階段的力學(xué)性能進(jìn)行模擬。

2 超高層建筑應(yīng)力監(jiān)測

2.1 主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置

對超高層建筑進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測需要布設(shè)各主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的監(jiān)測點(diǎn)。主體結(jié)構(gòu)包括巨型柱、剪力墻核心筒等。針對不同的主體結(jié)構(gòu)，布設(shè)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的方式不同。對巨型柱來說，可選取多個重點(diǎn)控制截面進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)，如圖1所示。

該巨柱是一種新型的“H”形鋼梁，其搭接部分是在現(xiàn)場焊接而成。當(dāng)布置測點(diǎn)時，要充分考慮焊接應(yīng)力、殘余應(yīng)力等因素。按照圖1所示的方式完成監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)可以保證獲得的數(shù)據(jù)更具有效性。布設(shè)剪力墻核心筒測點(diǎn)如圖2所示。

監(jiān)測范圍為鋼板剪力墻和二次框架柱的鋼板外側(cè)以及與鋼板50 mm的距離。在鋼板墻的6個方位對稱地選擇了6個位置，并在各板心、縱-橫焊縫中間點(diǎn)各設(shè)兩個方向的測量點(diǎn)。在4個角上分別設(shè)置測點(diǎn)。在整個鋼板的表面設(shè)置多個測點(diǎn)，實時地監(jiān)測焊接過程中鋼板的受力情況和焊接時的殘余應(yīng)力[8]。同時，每層選擇2根二級框架柱，在柱底鋼板外側(cè)沿軸線方向布設(shè)2個測點(diǎn)。

2.2 應(yīng)變傳感器感知的測點(diǎn)頻率-應(yīng)變計算

弦振動應(yīng)變傳感器工作性能好，抗干擾能力強(qiáng)，工作量大，測量精度符合監(jiān)測指標(biāo)，已廣泛用于超高層建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測量。因此，采用弦振應(yīng)變傳感器對超高層建筑進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。

振弦應(yīng)力傳感器以張拉傳感器內(nèi)的鋼弦線為工作模式，隨著結(jié)構(gòu)移動，鋼弦線也會隨之而動，在不同的變形條件下，其振動頻率和變形之間存在一對一的對應(yīng)關(guān)系。在對測點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測的過程中，首先用電磁線圈激勵鋼振弦，其次對其進(jìn)行頻率測試，參考傳感器規(guī)范文件中的有關(guān)參數(shù)，最后與傳感器的頻率-應(yīng)變關(guān)系式相結(jié)合，得出各測點(diǎn)的應(yīng)變值。

結(jié)合應(yīng)變傳感器感知的測點(diǎn)頻率-應(yīng)變計算公式得出結(jié)構(gòu)應(yīng)變量，如公式（4）所示。

με=K×（X2-F2）+C×（t-T） " "（4）

式中：με為微應(yīng)變；K為傳感器的率定系數(shù)；X為監(jiān)測時間頻率值；F為監(jiān)測點(diǎn)初始狀態(tài)時的頻率值；C為傳感器溫度系數(shù)；t為監(jiān)測過程中溫度變化值；T為監(jiān)測點(diǎn)周圍環(huán)境溫度。

在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于多個傳感器的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。將各數(shù)據(jù)采集單元與整個數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行串聯(lián)。為了達(dá)到監(jiān)控系統(tǒng)長時間供電的目的，在采集裝置上加裝了一個配電箱。該系統(tǒng)采用4G通信技術(shù)，將通信單元和云計算平臺的虛擬機(jī)服務(wù)器相連接。

2.3 監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力發(fā)展曲線調(diào)取與可視化

在監(jiān)測的過程中，可以通過云平臺自動繪制各監(jiān)測點(diǎn)上的應(yīng)力變化曲線，并根據(jù)曲線變化情況預(yù)測應(yīng)力發(fā)展趨勢，進(jìn)一步對結(jié)構(gòu)風(fēng)險等進(jìn)行評估。在此基礎(chǔ)上，通過云計算平臺對各鋼板的應(yīng)力變化進(jìn)行分析。采用三維有限元軟件對其進(jìn)行三維有限元建模，并通過優(yōu)化設(shè)計，對其進(jìn)行放大、縮小、移動等功能。貼花照片只能在現(xiàn)實、光追蹤、渲染3種模式下觀看。例如，安裝在鋼筋混凝土剪力墻右側(cè)的傳感器，為了防止陽光直接照射到鋼板剪力墻上，可對日光方向進(jìn)行自由設(shè)定，保證視圖效果。

本文采用 VB語言與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的方法，對云平臺的應(yīng)力測試系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，將相應(yīng)的傳感器號碼輸入軟件中，單擊“顯示監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力曲線改變”的按鈕，即可在圖片插件中清晰展現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)上的應(yīng)力變化。在超高層建筑施工階段，應(yīng)力的變化是一個復(fù)雜的過程，需要實時監(jiān)測和記錄。通過調(diào)取應(yīng)力發(fā)展曲線，可以清楚地了解應(yīng)力的變化趨勢和規(guī)律。在實際操作中，可以通過以下步驟調(diào)取應(yīng)力發(fā)展曲線。①確定需要調(diào)取的監(jiān)測點(diǎn)，并記錄監(jiān)測點(diǎn)的位置和編號。②選擇適當(dāng)?shù)臅r間段，例如施工的某個階段或某個時間段內(nèi)，對應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和記錄。③將采集的應(yīng)力數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)處理分析軟件中，生成應(yīng)力發(fā)展曲線。④根據(jù)需要，對生成的應(yīng)力發(fā)展曲線進(jìn)行修正和完善，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

應(yīng)力發(fā)展曲線可視化是超高層建筑施工階段監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)之一。通過對應(yīng)力發(fā)展曲線進(jìn)行可視化處理，可以更加直觀地了解應(yīng)力的變化情況，為施工提供參考和指導(dǎo)。在實際操作中，可以通過以下步驟實現(xiàn)應(yīng)力發(fā)展曲線的可視化。①利用數(shù)據(jù)處理分析軟件將應(yīng)力發(fā)展曲線繪制成圖表或圖像。②根據(jù)需要，對繪制的圖表或圖像進(jìn)行美化，使其更加清晰易懂。③在施工現(xiàn)場設(shè)置專門的展示區(qū)域，將打印或輸出的圖表或圖像進(jìn)行展示，以便施工人員隨時了解應(yīng)力的變化情況。

調(diào)取與可視化超高層建筑施工階段監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力發(fā)展曲線是保障施工安全和保證質(zhì)量的重要手段之一，通過將BIM技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，建立一套完善的超高層建筑監(jiān)控系統(tǒng)，對各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線進(jìn)行快速檢索與可視化，提高其應(yīng)用能力，為超高層建筑的應(yīng)力監(jiān)測工作奠定基礎(chǔ)。

3 應(yīng)力監(jiān)測應(yīng)用

完成上述相關(guān)內(nèi)容的設(shè)計后，利用計算機(jī)中的VB語言，選擇測點(diǎn)，對施工階段的建筑進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，采用這種方式，檢驗并證明設(shè)計的監(jiān)測方法是否能在應(yīng)用中達(dá)到預(yù)期的效果。

在該過程中，技術(shù)人員可以在監(jiān)控軟件的運(yùn)行界面中，將相應(yīng)的壓力傳感器號輸入壓力傳感器號中，移動鼠標(biāo)操作界面，單擊“產(chǎn)生和顯示應(yīng)力發(fā)展曲線”。通過這種方式，驅(qū)動傳感器，生成監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力發(fā)展可視化界面。以建筑結(jié)構(gòu)中編號為“120251-058”的傳感器為例，按照圖3，展示監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力發(fā)展情況。

從圖3可以看出，本文提出的方法可以對監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力發(fā)展情況進(jìn)行可視化監(jiān)測。

4 結(jié)語

超高層建筑施工階段應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，推動了建筑施工技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新。通過引入先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備和儀器，可以實時監(jiān)控和智能化管理結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)，提高了施工的精度和效率，推動建筑行業(yè)的科技創(chuàng)新和發(fā)展。因此，本文以某超高層建筑為例，對建筑施工階段力學(xué)性能模擬與應(yīng)力監(jiān)測進(jìn)行設(shè)計與研究。

通過本次研究，明確了在建筑施工階段，力學(xué)性能模擬與應(yīng)力監(jiān)測方法設(shè)計研究是非常重要的。對施工階段的力學(xué)性能進(jìn)行模擬，可以更好地了解結(jié)構(gòu)的整體性能，預(yù)測施工過程中的應(yīng)力和變形情況，為施工工藝優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。同時，通過設(shè)計應(yīng)力監(jiān)測方法，可以實時監(jiān)控和智能化管理結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)，提高施工的精度和效率。

建筑施工階段力學(xué)性能模擬對評估結(jié)構(gòu)的整體性能、預(yù)測施工過程中的應(yīng)力和變形情況、優(yōu)化施工工藝等都具有重要的意義。同時，建立完善的監(jiān)測系統(tǒng)是建筑施工階段應(yīng)力監(jiān)測的關(guān)鍵，需要加強(qiáng)對監(jiān)測設(shè)備和儀器的維護(hù)和管理，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。未來研究方向包括優(yōu)化力學(xué)性能模擬的算法和精度、研究新的應(yīng)力監(jiān)測方法和設(shè)備、建立更加智能化的監(jiān)測系統(tǒng)等方面，以此保障施工全過程的安全以及保證質(zhì)量。

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