成都博物馆新馆建设工程安全监测施工技术

谷士争 陈均 张超

（中国建筑第二工程局有限公司西南分公司，重庆，400023）

[摘要] 针对成都博物馆项目的重要性和复杂程度，为确保建筑物施工期间的安全性确定项目需采取安全监测。结构安全监测分为施工阶段的结构监控和使用阶段的结构监测，现主要针对施工阶段安全监测进行阐述。

[关键词]工程；安全监测；技术手段方法；监测系统；评估；实施方案

中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：

1、工程概况

成都博物馆新馆建设工程建成后将成为成都市一项重要的标志性公共文化设施，成为大量珍贵文物、贵重藏品展览建筑，同时可以举办丰富多彩的文化活动，成为城市文化设施的重要组成部分。成都博物馆新馆工程结构安全等级为一级，耐久性设计为100年，抗震设防类别为重点设防类。结构选型为外钢网格——内钢框架——混凝土核心筒结构，形成组合空间结构体系。

主体结构立面设置通廊形成连体结构，地铁上方为33m、上托5层的大悬挑结构，主展厅为30m大跨度空间。成都地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计抗震分组为第三组，设计特征周期0.45s。建筑场地类别为Ⅱ类。基本风压值0.35KN/m2，地面粗糙度B；基本雪压值0.15KN/m2，临时展厅活荷载10KN/m2，其他展厅活荷载5KN/m2，

屋面活荷载0.5KN/m2。

2 项目安全监测的意义

2．1隔震支座变形监测

本工程采用基础隔震（共361个不同规格的橡胶隔震支座），隔震支座的变形对结构的安全性存在较大影响。因此，有必要针对结构在施工过程的各个阶段对隔震支座的水平和竖向变形进行长期监测。结合现场实际情况和设计图纸要求在重要受力部位共设38个变形观测点。

2．2结构构件内力监测

结构的内力和位移是结构外部荷载作用效应的重要参数，其中内力是反映结构受力情况最直接的参数，跟踪结构在建造和使用阶段的内力变化，是了解结构形态和受力情况最直接的途径，也是判断结构效应是否符合设计计算预期值的有效方式。对结构关键部位构件的应力情况进行监测，把握结构的应力情况，可以确保结构的安全性。

2．3结构关键点位移监测

结构位移的目的是通过建立理论分析模型和测试系统，在施工过程和使用关过程中监测已完成的工程状态，收集控制参数，比较理论计算和实测结果，分析并调整施工中产生的误差，预测后续施工过程的结构形状，提出后续施工过程应采取的技术措施，调整必要的施工工艺和技术方案，使建成后结构的位置、变形处于有效的控制之中，并最大限度地符合设计的理想状态，确保结构的质量，保证安全性。

3 项目安全监测采用的技术手段和方法

3．1支座变形监测

位移计用于测量轴向变形，可成批安装从而在任何长度内测量多点的变形。主要测量元件是一个振弦式位移传感器，传感器连接滑动杆。滑动杆传递仪器两端法兰的伸缩，引起弹簧的张力、以及振弦的张力变化。张力的变化量与拉伸量成正比。根据测量的仪器读数，即可计算出位移量，如图所示:

位移计的传感器固定在一个法兰端，通过一定长度的传递杆连至另一个法兰端。传感器和传递杆外套一根给定长度（仪器长度）的塑料管(当仪器较长时须在中间增加伸缩节)来固定两个法兰端,确保连杆固定不动.当两法兰相对移动时,位移信号被传递杆传至传感器,由读数系统测得.通过选择不同的仪器长度和传感器的量测范围,可选到最佳灵敏度。对于达到分辩率最高的情况，仪器长度长、量程小的传感器最佳。而变形最大的情况，选长度相对短、量程大的传感器。可根据预计的变化量灵活选择最佳的量程和灵敏度。

3．2结构构件内力监测

应变式传感器的机电转换过程是首先采用粘贴在弹性元件上的电阻应变计的电阻效应，即如（5.1）式表示：

R=ρL/F（5.1）

式中： R——金属丝栅的电阻值（Ω）；

ρ——金属丝栅的电阻率（Ω/mm2/m）；

L——金属丝栅的长度（m）；

F——金属丝栅的横截面面积（mm2）。

利用电阻应变计灵敏度系数 K 值，来实现非电量的相对应变量（ε）转换成

为电阻量的相对变化量之比的关系式，如（5.2）式表示：

K=（ΔR/R）/（ΔL/L）（5.2）

式中：K——电阻应变计的灵敏度系数；

ΔR/R——电阻应变计电阻与相对变化的电阻之比；

ΔL/L——被测试件受力后的相对变化量即ε。

利用电阻应变电桥的桥臂加减特性，把非电量的应变量转换为电压信号输出，其电阻应变电桥工作原理参见图 5.2 所示。应变传感器采用采用 SJ-GBY 型工具式表面应变传感器。

传感器采用高性能的弹性材料，经过专门的线切割加工，特殊的定型及热处理等工艺技术措施，设计时在弹性体中间开了一个孔，充分利用应力集中原理，提高了输出灵敏度，传感器的灵敏系数为10000με/mm，量程为10000με，零漂小于等于±3με，测量精度大于1με，使用温度范围-35～+80℃，可取代大标距应变计。敏感元件选用及粘贴防护和组桥部分，敏感元件采用低蠕变，自补偿传感器用高精度电阻应变计，经过严格的粘贴工艺和防潮密封技术措施，再组成全电桥，线性好、稳定性好。引出导线部分：选用了特制的引出连接导线，并配以连接可靠性高的航空插头，与设备快速连接，无须焊接，节省时间、提高工效。 传感器安装紧固件，采用特殊材料加工，两端底部可用 502 胶水快速固定于试件表面或用点焊方式固定在钢结构构件表面，再用螺母将应变传感器二次固定，使传感器和钢结构构件同步变形。

3.3结构关键点位移监测

1)依据规范

中华人民共和国行业标准，《建筑变形测量规程》，JGJ/T82007；

中华人民共和国国家标准，《精密工程测量规范》，GB/T，1531494；

中华人民共和国国家标准，《工程测量规范》，GB 500262007；

中华人民共和国国家标准，《国家一、二等水准测量规范》，GB1289791；

中华人民共和国行业标准，《城市测量规范》，CJJ899；

2)监测设备

SOKKIA NET05 自动化 3D 全站仪，标称精度为：角度测量 0.5″，距离测量：棱镜（AP/CP）（0.6+0.8 ppm×D）㎜，反射片（正射）（0.5+1 ppm×D）㎜；

LEICA DNA03 数字水准仪及配套的数字条形码铟钢水准尺，标称精度为每公里测往返测中误差 0.3 ㎜；配备的该两种测量设备堪称当今世界上最先进、精度最高的全站仪和水准仪，完全能够满足该工程变形监测的精度要求。

4 监测控制系统

4.1系统总体构架

本项目结构性态监测，按照监测阶段划分为工程施工阶段与运营阶段，两阶段的监测工作需要有机结合。目前仅对施工阶段进行监测，在项目上选取全部结构中若干重要位置作为监测对象，设置多个监测子站对个重要位置的测点监测数据进行采集和汇总。另外设置一个总控基站对整个监测系统进行控制和分析。

结构性态监测内容及分项如下:

·结构支座变形

·结构构件应力应变

·结构空间变形

结构施工阶段，需随工程施工进度对各层参数进行及时测量与回馈，以给施工方提供及时参数进行施工的调整与改进。施工阶段，监测总站无法及时建立。因此，施工阶段的临时监测总站设置在工地现场的监测办公室内。随各区域建设的过程依次建立各测量子站，各子站各阶段采集到的数据以无线方式发送至临时监测总站进行汇总分析。同时，项目施工过程中及时铺设各子站至监测总站的线路并进行总站的建立，以备运营阶段监测工作的开展。进行各监测分项实时采集与汇总，并对结构性态作出评估。

4．2硬件设置

1）每监测位置：传感器；数据线；数据线汇集电箱。

2）每子站：各分項的采集仪。包括静态采集仪，通道数按照该子站构件应变、温度、变形等的传感器数量而定，进行构件应变、温度以及支座变形等数据的采集。采集频率 35 天/次。

3）监测总站：监测控制系统。包括：PC 机；电控箱；网络适配系统等。

4.3 数据采集方式

为保障全周期内监测数据的可靠性，决定各分项监测传感器与对应子站采集设备之间均采用有线传输的方式。子站至总站之间数据的传输分阶段进行区别，施工阶段采用无线传输的方式将数据传输至临时总站，运营阶段采用有线（宽带，专用接口和通道等方式）形式进行数据传输至永久监测总站。详述如下：

1）施工阶段，对于结构构件应力应变；结构温度等采用静态测量的方式进行数据采集，

即随结构施工将各测点位置处各分项传感器同时安装，数据线亦同时铺设。数据线汇总至数

据线汇集点，然后铺设至对应测量子站，测量子站设置各分项的数据采集仪以及数据无线发

射装置，可将数据发送至工地现场结构性态监测办公室进行存储、分析。同时预留该子站至

测量总站的管线通道以备后期使用。

2）工程竣工投入使用之前，预先将各子站与总站之间的数据连接系统建立完成。将工地现场的临时监测总站移入建筑物内的永久监测总站。工程投入运营后，所有的监测采集与控制工作均在总站进行。

4．4监测控制系统开发

1）基本流程

本工程按照现场监测数据采集—数据远程传输—数据管理—健康预警的基本流程进行操

作，基本流程如图 4.1 所示。

图4.1基本流程图

2）系统组成

由数据采集子站、数据采集中心组成。数据采集中心由中心路由器、数据服务器和WEB服务器构成。

4)系统界面

已经具备的监测控制系统软件具有强大的功能和灵活的可视化图形界面，已经成功地应

用到多个大型结构健康监测项目中。

5 结构安全评估系统

结构健康评估系统包括基于应力应变、变形、温度和位移监测数据的直接安全评定，以及基于模型修正有限元模型的安全评定、结构损伤识别等，主要内容有：

5.1基于监测数据的直接安全评定

如监测的温度达到设计温度，则进行应力应变检查预警；若应变达到设计应变的 80%，或者在荷载没有显著增加的时候，应变有明显增加的趋势，则进行预警。

5.2结构安全评定

在修正有限元模型和结构荷载模型的基础上，结合最不利荷载工况，计算结构的极限状态，给出不利构件的信息、失效模式、荷载模式和荷载水平，并与监测和计算结果比较，进行安全评估。

6监测实施方案

6.1数据采集子站和总站布置方案

设置分为两种类型的数据采集子站：支座监测采集子站以及钢结构监测采集子站，另外设置一个监测总站，对所有采集子站的数据进行汇总和分析，分述如下：

1) 支座监测采集子站

依据隔震支座的平面布置，全平面划分6个区域，设置6个采集子站对相应区域内的支隔震支座的水平和竖向位移进行测量和采集。另外设置一个采集总站负责各采集子站各阶段数据的汇总分析。采集总站如前所述，施工阶段设置在施工现场的办公室内，施工阶段子站至总站的数据传输采用无线方式。

2）钢结构监测采集子站

依据钢结构立面布置，不同立面分别设置采集子站，对钢构件的内力，结构表面温度以及结构空间点位移进行测量和采集。子站设置位置数量以及对应区域见表8.1所示。另外设置一个采集总站负责各采集子站各阶段数据的汇总分析。采集总站如前所述，施工阶段设置在施工现场的办公室内，施工阶段子站至总站的数据传输采用无线方式。

钢结构监测子站设置表

6.2结构竖向、水平环境监测

依据支座平面布置，选择 50 处支座作为测量测点，其中每处测点选择一个支座进行监测，共计支座测点 50 点，每点设置一个竖向位移计，两个水平方向位移计，共计位移计数量 150台。

6.3结构构件内力监测

钢结构均匀选择约 80 个节点，每个节点选择两根构件，每根构件沿构件截面布置 4 个应变计，应变及数量 640 台。测点布置如图 8.4 所示

6.4结构位移和变形监测

1）测点布置

沿屋面结构均匀选择约 100 个点位作为全站仪定为观测的关键点。

2）测量方法

控制网基准点按照规范要求布设 3 个，精密导线控制点应布设约 10 个点，楼顶控制点 2个。平面控制按照一级导线的观测精度进行；平面控制按照二等精密水准测量的观测要求进行。一级导线测量技术要求如表所示。

水准测量闭合差限差按照4 L计算，L 为闭合路线或附合路线长度。每个变形监测点贴

一个专门的具有优良反射效果的反射片，仪器架设在该边/中柱最近的导线点上采用极坐标的方式测量该点的三维坐标。为提高平面坐标观测精度，消除一些仪器本身的误差以及观测误差，采用正倒镜观测取平均的方式。为提高监测点的高程测量精度，采用不量仪器高法测量监测点的高程。按照二级建筑变形测量的精度指标要求，位移观测观测点坐标中误差≤3.0 ㎜。

7结论

（1）通过对隔震支座的变形安全监测，可以随时掌握在外力及施工荷载随施工进度增加时和钢结构支撑胎架整体卸载时对支座变形影响是否在设计及施工规范允许范围，如若在监测时发现有异常情况能提出积极有效的控制措施和建议，确保隔震支座变形在设计和规范要求的受控状态下；保证隔震支座均匀受力。

（2）通过对钢结构构件内力的监测可知，在各部位钢结构构件安装施工与支撑胎架整体卸载过程中，结构变形值与模拟仿真分析计算理论值相对比，各个监测点每一级变形偏差均控制在误差允许范围内，且通过卸载分析实际值均小于理论计算值，满足施工规范及设计要求。

（3）成都博物馆新馆建设工程结构体系为外钢网格——内钢框架——混凝土核心筒结构，结构复杂，地面拼装、高空安装精度要求高；针对结构特点和现场关键点位的位移监测制定出一套即满足钢结构安装，砼施工要求、又便于操作、且可行的施工监测方案，通过过程层层把关，逐步校核控制，监测结果明确，位移变形误差精度均控制在范围内，准确、高效地完成该项目外钢网格——内钢框架——混凝土核心筒结构体系精确施工任务。