玉佛禪寺大雄寶殿移位監測系統（Ⅱ）：結構形變監測數據的分析

謝麗宇 張 睿 盧文勝，* 張鳳亮

（1.同濟大學結構防災減災工程系，上海200092；2.同濟大學建筑物移位技術研究中心，上海200092）

0 引 言

采用姊妹篇《玉佛禪寺大雄寶殿移位監測系統（Ⅰ）：監測系統的設計與實現》中所建立的設計方法，建立大雄寶殿移位監測系統，實現大雄寶殿在移位施工中的實時監測，以保證移位施工的安全進行。

玉佛禪寺移位監測系統由傳感器系統、數據采集與無線傳輸系統、數據管理分析系統和網絡終端組成。本工程的傳感器系統由靜力水準儀、傾角儀、激光位移計和應變計組成。靜力水準儀測量主體結構的高程變化，激光位移計測量佛像和梁柱榫卯節點等關鍵部位的變形，傾角儀用于測量佛臺和木柱等關鍵部位的傾斜變形，應變計測量佛臺四周托換鋼架的應變變化［1-3］。

本文基于監測數據，研究結構整體姿態、木柱、榫卯節點和佛像的變形情況，進一步探討移位施工對結構狀態產生的影響并對結構的安全性能進行評價。

1 監測數據分析原則

玉佛禪寺大雄寶殿于2017 年9 月2 日上午正式啟動平移工程，并于9 月8 日上午平移到位；于2017 年9 月12 日正式啟動頂升工程，并于9 月14日頂升到位。本次研究采用2017 年8 月29 日至2017 年9 月9 日期間的監測數據進行分析，時間包括移位前、移位中和移位后。為探討移位施工對結構性能的影響，并對不同傳感器的監測數據進行對比分析，本次研究的數據均取相對于初始值的變化值。

本工程采用的傳感器擁有不同的采樣周期，為方便數據分析，將監測數據以1 h為單位進行數據分析，類似于平滑處理，即取每1 h 的監測數據平均值作為這1 h的監測數據代表值，因此所有監測數據的采樣周期調整為1 h。

為驗證采樣周期調整為1 h的合理性，以一個靜力水準儀的監測數據為例進行分析。靜力水準儀原始監測數據的采樣周期為30 s，分別繪制采樣周期為30 s 和1 h 的時程變化曲線，結果如圖1所示。可見采樣周期為30 s 和1 h 的時程曲線幾乎重合。因此，采樣周期采用1 h可以滿足數據分析的要求，本次研究除特殊說明外，采樣周期均采用1 h。

2 結構形變分析

2.1 整體結構姿態變化

為監測整體結構的豎向變形，在圍墻四個角部和中央佛臺上布置了靜力水準儀。其中靜力水準儀HL2、HL4 和HL5 的位置是靜力水準儀的基準點。繪制其他靜力水準儀相對于基準點的相對變化值的時程曲線，如下圖所示。由圖中可見，在移位之前靜力水準儀數值幾乎保持不變。移位開始后，靜力水準儀數值開始明顯變化，離散性增強。其中，位于結構南側頂推位置的靜力水準儀HL-1、HL-3 的變化較為明顯，最大的豎向相對變形為2.1 mm；位于佛臺的靜力水準儀HL-6的變化相對較小，最大的豎向相對變形為0.6 mm。

在移位前后，分別選取A、B、C、D 四個時間點，分別代表移位之前、移位開始、移位期間和移位結束（圖2）。將靜力水準儀按照相同基準點的原則，分成HL-1、HL-2，HL-3、HL-4 和HL-5、HL-6三組。假定底盤結構是一個理想變形體，滿足均勻連續性、各向同性和小變形假設。即底盤結構是由密實無空隙的連續分布的材料構成，物體上任一部分材料的力學性質都相同，材料沿不同方向都具有相同的力學性質。將每組靜力水準儀的位置連成直線，并按照變形協調的原則連接成網格，繪制整體結構的豎向變形圖示意圖，如圖3 所示，其中虛線網格代表結構的初始位置。

圖1 靜力水準儀變化值：不同采樣間隔Fig.1 Variation of the hydrostatic leveling：different sample interval

2.2 木柱傾斜角

整體結構的傾斜會導致木柱傾斜，同理木柱的傾斜變化也反映了整體結構的傾斜情況。某些關鍵木柱上布置了傾角儀（IC5-IC-12），其中IC5和IC6為雙軸傾角儀，測量木柱沿X/Y方向的傾斜角，其中IC7-IC-12 為單軸傾角儀，測量木柱沿X方向的傾斜角。每個傾角儀測量的木柱偏移角如圖4 所示。由圖可知，木柱傾斜角的變化范圍在-0.4°～0.4°。按照《古建筑木結構維護與加固技術規范》［4］第4.1.7 條的規定，對于抬梁式結構，柱頭與柱腳的相對位移應大于1/90 柱高，換算成傾斜角，即傾斜角不應大于0.637°。因此，木柱的傾斜角變化滿足規范要求。

以傾角儀IC7 測量的傾斜角變化量為例，研究其在移位施工前后的數據變化。結果如圖5 所示，表明在移位施工之前和之后，木柱傾斜角變化不大，離散性較小，異常值較少。而在移位施工期間，木柱傾斜角變化變大，離散性增強，異常值增多。

圖2 靜力水準儀變化值Fig.2 Variation of the hydrostatic leveling

2.3 木柱水平方向偏移角

對于安裝雙軸傾角儀的木柱，可以測得木柱沿X/Y 方向的傾斜角，通過數學關系式可求出柱子的水平偏移角，計算原理如圖6所示。

以安裝雙軸傾角儀IC-5 的木柱為例，木柱沿X/Y方向的傾斜角如圖7所示，木柱水平方向偏移角計算結果如圖8所示。由結果可知，木柱沿X/Y方向的傾斜角變化趨勢相似。尤其在移位施工之前，木柱沿X/Y 方向的傾斜角變化幾乎相同，水平偏移角始終在45°左右。可見，在移位施工前，該木柱的傾斜角度雖然在不斷變化，但木柱的水平偏移方向即傾斜趨勢是趨于穩定一致的。但在移位施工以后，木柱傾斜角和水平偏移角開始明顯變化，離散性增強。

圖3 整體結構豎向變形示意圖（單位：mm）Fig.3 Overall structural settlement deformation（Unit：mm）

2.4 榫卯節點變形

激光位移計分別安裝在梁的上下表面，測得其與木柱的相對距離，可求得榫相對于木柱的位移，且在已知梁高的情況下，可以得出梁相對于木柱的轉角。計算原理如圖9 所示。通過數據分析，在移位前后，大梁與木柱交界的榫卯節點部位沒有發生明顯的變形。

圖4 木柱傾斜角變化值Fig.4 Angle of inclination variation of wooden columns

圖5 某一木柱傾斜角變化值Fig.5 Angle of inclination variation of a wooden column

圖6 水平偏移角計算原理Fig.6 Calculation principle of horizontal offset angle

2.5 佛臺托換鋼架應變

在佛臺的托換底盤鋼結構的四周表面布置應變計SG1-SG4。鋼結構應變在平移頂升過程中的數據變化幅度小于45 微應變，設計規定的鋼結構微應變在-100～100 微應變范圍內（按鋼材設計強度的1/10取值）［5］，滿足要求（圖10）。

圖7 木柱傾斜角Fig.7 Angle of inclination of wooden columns

圖8 木柱水平偏移角Fig.8 Horizontal offset angle of wooden columns

圖9 節點變形計算原理Fig.9 Calculation principle of joint deformation

2.6 佛像傾斜

佛像的支撐框架上布置了6 個激光位移計LR5-LR10，其中3 個安裝在支撐框架的高位，另外3 個安裝在支撐框架的低位。激光位移計測得相應位置的距離變化量，在已知支撐框架高位與低位高度差的情況下，可以得出佛像沿Y 方向的傾斜角（圖11）。

佛臺上也安裝了2 個雙軸傾角儀IC1 和IC2，可以測得佛臺沿Y方向的傾斜角（圖12）。對比圖11 和圖12 的結果可以發現，在移位施工前，佛臺和佛臺上的佛像幾乎沒有發生傾斜。移位施工以后，佛臺和佛像的傾斜角變化量增加，并且離散性增強。同時，佛臺和佛像整體傾斜方向一致。

圖10 鋼結構應變Fig.10 The strain of steel structure

圖11 佛像傾斜角Fig.11 Angle of inclination of buddha statue

圖12 佛臺傾斜角Fig.12 Angle of inclination of pedestal

3 結 論

基于監測數據，并依據以往文獻資料總結和實際工程經驗［6-9］，可以得出移位施工過程中，主體結構各個監測項目的實際變化值，進而得到移位施工對結構產生的影響。將結論總結如下，并對結構的安全性能進行評價。

（1）在結構移位施工期間，安裝在墻面、佛臺和木柱上的靜力水準儀和傾角儀測量數據變化量增加，離散性增強，說明玉佛禪寺大雄寶殿在移位施工過程中，整體結構產生了豎向不均勻變形。且由于移位的頂推裝置布置在主體結構的南側，結構南側的沉降變化量和離散性都比結構其他部位更大。但整體變化量不大，可知整體結構在平移頂升施工過程并未發生顯著的偏移、下沉或旋轉。

（2）在結構移位施工期間，木柱傾斜角和水平偏移角變化量增加，離散性增強。但整體變化量不大，且在移位施工之后，木柱的傾斜角和水平偏移角變化量減小，離散性減弱。表明移位施工過程中，木柱并未發生顯著的傾斜或下沉。

（3）安裝在大殿頂部橫向、縱向梁上的激光測距儀的測量數據在移位施工前后幾乎保持不變，可知柱子在平移過程并未發生顯著的傾斜或下沉，且大梁與木柱交界的卯榫節點部位沒有發生明顯的變形。

（4）佛臺托換鋼結構在結構移位施工過程中的應變變化幅度在設計規定的鋼結構微應變范圍內，滿足要求。表明移位施工過程中，佛臺及佛臺托換結構并未發生顯著的變形。

（5）安裝在佛臺上的靜力水準儀和傾角儀，以及正對佛像的激光測距儀的測量數據在平移期間變化量增加，離散性增強。但變化量不大，前后幾乎保持不變，可知佛像在平移過程與整體結構幾乎保持相對靜止，并未發生顯著的相對移動、傾斜或旋轉。且不同傳感器的監測數據可以相互印證，證明監測方案合理可靠。

（6）移位監測系統可以真實反映移位施工過程對結構性能的影響。不僅可以得到結構整體姿態的變化，也可以得到關鍵部位的變形位移情況，包括木柱、榫卯節點和佛像等。通過設定合理的監測方案，移位監測系統可以實時監控并反饋監測情況，保證施工的安全進行。對移位工程和木結構的監測系統設計和數據分析有一定的工程指導意義。