信息化施工在商業建筑結構改造工程中的應用
——基于數值模擬分析及自動化監測技術

周成峰

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著社會不斷向前發展，核心城區土地資源十分稀缺，無論是對既有建筑進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，緩解當前城市用地緊張，且經濟效益較好[1]。同時，我國工程建設的主要方向將會向既有建筑的加固改造轉變，這也是許多發達國家目前的現狀[2]。自19世紀70年代以來，經過多年的研究，我國加固技術取得了長足的進步[2]，但由于既有建筑加固改造工程施工存在較高的風險和技術難度，需要對其施工導致的結構變形和應力狀態進行重點研究，并對施工過程進行實時監測和精細控制，以確保建筑結構自身及周邊環境的安全[3]。基此，本文結合某商業建筑結構改造工程案例，通過數值模擬分析和采用自動化監控量測手段，探討信息化施工對控制建筑物結構變形及應力狀態發揮的重要作用。

1 工程概況

某商業建筑結構改造工程位于福州市鼓樓區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74.80m，高8.80m(一樓地面標高-0.03m，負一層樓面標高-4.43m，負二層地面標高-8.83m)；A樓負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樓負一層地下室使用空間(緊鄰新增兩層地下室側)，需對部分框架梁進行改造、加固等工作。基本流程如下：新增柱基礎施工(梁懸挑端下部，采用鋼管混凝土錨桿靜壓樁，強風化花崗巖作為持力層)→新增地下室連接體負二層梁、板、柱施工(預留頂升架安裝空洞)→懸挑梁頂升系統安裝(頂升架由型鋼拼裝、焊接而成)→頂升A樓負一層梁懸挑端(試頂升、分級加載、持荷)→地下室連接體新增柱負一層施工(與A樓負一層梁懸挑端緊密相連)→新增柱強度達設計要求后，頂升系統分級卸載并拆除→縮小A樓負一層部分框架梁截面并進行加固補強(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加、卸載及鑿梁施工過程的安全，施工前通過數值模擬分析掌握改造梁結構的應力狀態、變形規律，施工過程采取自動化監控量測手段，實時獲取改造梁結構的變形狀態。二者結合很好地實現了施工安全監測數據的可預測性和實時性，有效地指導施工，確保了施工過程安全。

2 數值分析

在施工前，為了掌握加固、改造施工對商業建筑結構的擾動程度及其變形規律，同時為建筑物變形監控量測提供參考依據，采用ABAQUS有限元數值計算軟件建模進行數值分析。

2.1 模型介紹

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

首先，簡化工程模型、提取分析步驟。把整個結構看成一個梁結構，共4個分析工況。工況1：頂升之前，如圖3所示，在D位置施加一個10 000kN垂直向下的力F1(一層承重結構柱位置，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，同時在E的位置施加一個4200kN垂直向上的頂升力F2。工況3：加柱、卸載，如圖5所示，在最北端施加一個垂直柱子(柱子長寬高：1000mm×1000mm×2200mm)，同時卸載頂升力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，進行有限元建模。網格大小50mm，六面體單元C3D8R，梁跟柱共361 778個單元，柱子的施加及梁的鑿除通過ABAQUS模型改變命令實現，即Model CHANGE，ADD或REMOVE。梁和柱結構材料物理參數如表2所示，整個有限元模型如圖7所示。其中，梁左端及柱底部約束所有自由度，B處簡支座約束垂向位移，F1、F2為集中荷載。

表2 材料物理參數

圖7 整個有限元模型

最后，提交ABAQUS進行計算，處理計算結果，觀察各個分析工況對應的豎向位移、應變、應力結果。

2.2 數值計算結果分析

(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豎向位移相等；最大豎向位移發生在頂升前，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)軸向應變分析

分析圖10～圖11可知，各工況條件下，改造梁B點位置附近應變較大；最大軸向應變發生在頂升前，位于B點位置梁底面(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，基本上梁底面應變比頂面大。

圖10 工況1、2應變云圖

圖11 工況3、4應變云圖

(3)軸向應力分析

分析圖12～圖13可知，各工況條件下，改造梁B點位置附近應力較大；最大應力發生在頂升前，位于B點位置梁底面(65.375MPa，受壓)和梁頂面(65.369MPa，受拉)；沿改造梁軸向同一位置處，基本上梁底面應力比頂面大；與圖10～圖11相比，各工況條件下，改造梁軸向應力云圖與應變云圖規律相似。

圖12 工況1、2應力云圖

圖13 工況3、4應力云圖

根據上述數值分析結果，從安全合理、經濟可行的角度出發，在改造梁懸挑部分：(1)沿梁軸向布設豎向位移監測點；(2)沿梁底面中軸線位置布設應變監測點。

3 自動化監測技術應用

3.1 自動化監測的必要性

(1) 改造梁在頂升、新增結構柱、鑿梁等施工過程中，受力非常復雜，且應力應變狀態變化較快，一旦出現破壞，后果極其嚴重，因此需實時掌握改造梁上重點部位的變形情況。

(2) 與人工監測對比，自動化監測具有采集頻率高、數據穩定可靠、信息反饋及時等特點。

因自動化監測能很好地契合該商業建筑結構改造、加固工程的需求，為了確保工程安全，實現信息化施工和動態設計，該工程采用自動化監測技術。

3.2 自動化監測系統

自動化監測系統，主要由監測單元、數據采集單元和數據處理及計算機監控單元3個部分組成。由于改造梁南跨底面需鑿除，根據數值模擬結果，在6軸改造梁的懸挑部分布置混凝土表面應變計和豎向位移監測點，監測點布置如圖14所示，具體位置及監測方法如表3所示，監測點現場安裝效果圖如圖15所示，自動化監測系統現場數據采集、處理及監控單元如圖16所示。

圖14 監測點布置圖

表3 監測點位置及監測方法

圖15 監測點現場安裝效果圖

在部分框架梁改造、加固施工前，完成監測點布設和自動化監測系統調試；施工開始后，同步進行監測；頂升、卸載及鑿梁等重要施工過程，進行實時監測，其余時段合理降低監測頻率，直至改造梁變形穩定。

3.3 數據對比分析

根據改造梁初始狀態(頂升前，一層承重結構柱荷載已施加)，對應監測點實際布設位置，提取各工況條件下數值計算結果，經換算后再與實測數據進行對比分析。

(1)豎向位移變化量

分析圖17可知：在各工況條件下，數值計算與實測數據變化規律基本一致，但由于數值計算模型簡化等原因，其結果偏大；在逐級施加頂升荷載過程中，實際豎向位移變化量上下波動，但整體上呈增加趨勢；在加柱、卸載及鑿梁過程中，實際豎向位移變化量整體上呈減少趨勢，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定，且相對于初始狀態整體上抬；6軸框架梁在整個改造、加固過程中，實測最大豎向位移變化量為監測點RD6-3#的1.61mm，表現為垂直向上增加。

圖17 豎向位移變化曲線圖

(2)軸向應變變化量

分析圖18可知：在各工況條件下，數值計算與實測數據變化規律大體一致，但由于數值計算模型簡化等原因，其結果偏大明顯；在逐級施加頂升荷載過程中，實際應變變化量來回波動，但整體上呈壓應變減少趨勢；在加柱、卸載過程中，由于實際應變變化量很小，規律性不是特別明顯，但大致呈壓應變減少趨勢；在鑿梁過程中，實際應變變化量增大，整體上呈壓應變減少趨勢，但由于頂升、加柱作用，最終改造梁懸挑部分壓應變變化量趨于穩定；6軸框架梁在整個改造、加固過程中，實測最大應變變化量為監測點L6-B2#的14.25με，表現為壓應變減少。

圖18 軸向應變變化曲線圖

4 結語

(1)通過數值模擬計算，掌握了改造梁的應力狀態和變形規律。針對結構梁在改造、加固等施工過程中的受力、變形特點，從安全合理、經濟可行的角度出發，對結構梁的懸挑部分進行了豎向位移和混凝土表面應變監測。

(2)經分析該改造工程監測和自動化監測技術的特點，在施工過程中采用自動化監測技術進行安全監測。

(3)經實測數據與數值計算數據對比分析發現：兩者數據變化規律基本一致。

(4)該工程的成功實施，說明了數值模擬分析與自動化監測技術兩者結合，能夠實現施工安全監測數據的可預測性和實時性；兩者結合是一種實現信息化施工的高效手段。