基于光纖光柵傳感技術建筑傾斜監測方法研究

林 彬

(福建博海工程技術有限公司 福建福州 350000)

0 引言

建筑物在施工或使用過程中，因各種各樣的原因常常會發生幾何變形。這種變形如果超過了規定的限值，就會影響建筑物的正常使用，甚至危及建筑物的安全。因此，在工程建筑施工和運營期間，必須對其進行變形監測。變形監測內容，主要有位移、沉降、傾斜、裂縫監測[1]等，其中傾斜監測是建筑物變形觀測的主要內容之一，也是恒量建筑物安全使用的一個重要指標[2]。

常用的傾斜監測方法主要有4種[1]：吊錘線法、經緯儀投測法、激光鉛垂儀投測法及全站儀測量法。前兩種方法具有儀器設備簡單、施工方法簡便的優點，被施工單位廣泛采用。但這些方法受外界風力、場地條件影響較大，在高層建筑垂直度檢測過程中具體操作起來比較困難，而且精度較低，只有在建筑物比較低或在進行豎向軸線傳遞的時候使用[3-4]。激光鉛垂儀投測法的優點是方便、快捷、直觀，對施工場地沒有特殊的要求，但預留孔洞的大小在施工中不易掌握，其尺寸小了不便于投測，大了則對儀器和人員不安全，而且在建筑物上方遮擋物(防護網)較多時不易使用。全站儀現在已在工程測量中普遍應用，利用全站儀無棱鏡測距功能或者結合反射片代替反光鏡等方法，可以測得建筑的傾斜，但該方法對周圍環境通視性要求高，監測時受天氣影響大，且有一定的監測距離限制。

光纖光柵傳感技術作為一種新型的監測技術，具有測量精度高、傳輸距離長、可操作性強、耐久實用以及自動采集數據等優勢，為彌補常用的傾斜度檢測方法存在的不足提供了良好的技術手段[5]。本文將光纖光柵傳感器連同鋼筋埋入建筑角柱中，利用測得應變數值和相關幾何關系，得到建筑角柱每層沿X、Y方向的位移值，然后結合規范中給出的建筑傾斜公式，建立了基于分布式光纖光柵傳感技術建筑傾斜監測方法，同時結合福州一中高層建筑實際工程對本文監測方法進行驗證。

1 建筑傾斜監測方法

在施工和運營過程中，建筑由于受到外荷載的作用，外墻面及建筑角柱會產生一定限度范圍的傾斜。外荷載作用的方向可能垂直于外墻面，也可能沿著外墻面，因此本文假定建筑外立面同時有垂直于外墻面和沿著外墻面的傾斜變形，并建立了如圖1所示的直角坐標系。

圖1 建筑外墻傾斜示意圖

在實際工程中，傾斜觀測點通常選取建筑的陽角及陰角處，外立面其它部位一般不布設傾斜觀測點，因此本文對建筑傾斜的研究對象為建筑的陽角及陰角。由圖1可知，建筑角柱傾斜由垂直于外墻面和沿著外墻面的傾斜變形組成，因此角柱的實際變形應為垂直于外墻面和沿著外墻面的傾斜變形的矢量和。基此，本文規定沿著X方向的傾斜變形為vX，沿著Y方向的傾斜變形為vY，傾斜變形矢量和為vS。

1.1 光纖光柵傳感器布設安裝

如圖2所示，在建筑角柱澆筑前，將光纖光柵傳感器成對沿著X和Y方向布設在鋼筋骨架的一個鋼筋中。選取的鋼筋盡量靠近柱子的外側，以免澆筑混凝土時，破壞了光纖光柵傳感器。同時，為了保證光纖光柵傳感器與鋼筋變形一致，粘貼光纖所用膠結材料凝固后彈性模量應與鋼筋彈性模量接近。光纖光柵傳感器粘貼好后，用紗布或者防水膠帶纏繞一圈，以防光纖光柵傳感器在混凝土澆筑振搗過程中脫落。在安裝時，注意保證鋼筋粘貼光纖光柵傳感器位置與墻體傾斜方向垂直。

圖2 光纖光柵埋設布置圖

1.2 基于光纖光柵傳感技術的建筑傾斜監測方法

假定建筑每層高度為h，一共有n層，總建筑高度為H。沿建筑鉛錘方向自下而上將鋼筋等分為n個單元，編號分別為E1～En，則單元長度L=H/n。在n個單元內分別布置n對沿著X方向和Y方向的光纖光柵傳感器，簡化模型示意圖如圖3所示。

材料力學[6]給出了拉桿縱向線應變，定義每單位長度的伸長(或縮短)，稱為線應變，用ε表示。

(1)

式中：Δl為桿的總變形量；l表示桿的原長。

由式(1)可以得到光纖光柵傳感器產生的應變與光纖光柵長度公式。

(2)

圖3 沿建筑X方向及Y方向鋼筋計算簡化模型

(3)

(4)

將式(2)和式(3)及式(2)和式(4)整理得到

(5)

(6)

相對于建筑高度而言，傾斜變形為小變形，此時結構的幾何關系仍然滿足勾股定理，因此可以得到沿著X方向的建筑傾斜位移和沿著Y方向的建筑傾斜位移。

(7)

(8)

由每層建筑節點的傾斜位移為沿著X方向的建筑傾斜位移和沿著Y方向的建筑傾斜位移的矢量和，則可得到每層建筑節點處傾斜位移vs。

(9)

建筑結構基礎固接，可以將建筑結構等效為一根懸臂梁，每層結構傾斜變形由該層產生的變形及下部結構產生的變形組成，因此頂層的建筑節點傾斜位移為每層建筑節點傾斜位移之和。

(10)

規范[7]給出了傾斜i的計算公式

(11)

將式(10)代入式(11)得

(12)

2 工程實例驗證

本文工程實例為福飛南路改造工程安置房二期工程20棟傾斜監測項目。該項目位于福州市鼓樓區五鳳街道，建筑面積1149m2，建筑總高度32.4m，建筑層數9層。在建筑的6個角柱處分別選取了1根靠近墻體的鋼筋，每根鋼筋劃分為18個單元，各單元布置2對，分別沿X方向和沿Y方向的光纖光柵傳感器；每個光纖光柵的長度為1.8m，并且對6個角柱的頂端和底部進行編號，編號為1，1′；2，2′；3，3′；4，4′；5，5′；6，6′。光纖光柵傳感器布置完成后，連接SmartScope光纖光柵調制解調儀，對光纖光柵傳感器初始數據清零。建筑光纖光柵傳感器平面布置圖及現場布置圖如圖4～圖5所示。該工程為在建工程，周圍無遮擋物，視線良好，適于全站儀觀測。因此，本文將全站儀觀測的傾斜數據作為真實值，用于驗證本文提出的建筑傾斜監測方法。

圖4 建筑光纖光柵傳感器平面布置示意圖

圖5 建筑光纖光柵傳感器現場布置圖

按規范[1]規定的監測頻率要求，傾斜監測的周期，宜根據傾斜速率每1個月～3個月觀測1次。同時，規范[7]規定，建筑物封頂后，應每3個月觀測一次，觀測一年。如果最后兩個觀測周期的平均沉降速率小于0.02mm/日，建筑物趨于穩定，如果各點的沉降速率均小于0.02mm/日，即可終止監測。基此結合上述規定，該項目的傾斜監測頻率為3個月，一共監測4次。全站儀采用徠卡TS09PLUS1″R30，其測量得到的柱子頂端和底部坐標數據如表1所示。

表1 全站儀測得的住宅上下監測點的三維坐標

鑒于光纖光柵監測的數據較多，本文只列出了最后一次的光纖光柵傳感器沿X方向和Y方向的平均應變值如圖6所示。

圖6 光纖光柵傳感器測得應變值

將測得應變值代入到公式(12)中，計算出本文提出方法的傾斜。全站儀測得三維坐標按式(13)[2]，計算出全站儀測得傾斜，并對比二者之間的相對誤差，計算結果如表2所示。

表2 利用本文方法和全站儀測得傾斜

從表2不難發現，本文提出的方法測得傾斜與全站儀測得傾斜相對誤差最大在4%范圍以內，從而驗證本文提出的基于光纖光柵傳感技術的建筑傾斜監測方法的正確性。

(13)

3 結論

(1)該監測方法不受天氣、建筑周圍環境以及建筑高度的影響，能夠彌補目前傾斜度監測方法存在的不足。

(2)光纖光柵傳感器能夠自動采集數據，布置好后，可以遠程操作，節約人力。

(3)基于光纖光柵傳感技術的建筑傾斜監測方法有很高的計算精度，可在中高層、高層及超高層建筑物的傾斜度監測中推廣應用。

[1] JGJ8-2016 建筑變形測量規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[2] 田萍，李飛，周波.免棱鏡全站儀解析法測量建筑物傾斜度的應用[J].水利與建筑工程學報，2014，12(4)：112-115.

[3] 劉慶金，特殊懸高之測量方法[J].測繪通報，2006(3)：43-45

[4] 顧孝烈，鮑峰，程效軍.測量學[M].上海：同濟大學出版社，1999

[5] 馬豪豪，姚貝貝.光纖布拉格光柵傳感技術在邊坡監測中的應用[J].公路交通科技，2013，30(10)：28-32.

[6] 孫訓方, 方孝淑, 關來泰.材料力學[M].北京:高等教育出版社, 2010:19-20.

[7] GB 50026-2007 工程測量[S].北京：中國計劃出版社，2008.