既有工業建筑及吊車梁物聯成像技術健康檢測*

吳慧明 宋 詞 林小飛

(浙江開天工程技術有限公司，浙江寧波 315100)

既有工業建筑，如鋼鐵廠、機械制造廠、水泥廠、化工廠，使用期長達幾十年，甚至上百年。在其服役過程中，由于環境作用、疲勞效應等不利因素的影響，結構不可避免地產生損傷積累、抗力減小，甚至導致事故發生［1］。如不能了解結構的健康情況，做出正確的維修或報廢決策，一旦事故發生就會帶來巨大的損失。因此重要結構的健康檢測已成為世界性研究的熱點。吊車梁系統是工業廠房的重要組成部分，承載著在其上行走的吊車，吊車梁結構的健康狀態直接關系到廠房的安全。據有關部門統計，我國大部分鋼結構吊車梁未達到設計使用年限就產生早期破壞，其中80% ～90%的破壞是疲勞引起的，疲勞破壞成為鋼結構的主要失效形式。本文以某機械制造廠吊車梁為測試對象，結合物聯成像技術的優點，對吊車及吊車梁進行健康安全檢測［2-3］。

1 物聯成像技術簡介

1.1 物聯成像技術原理

物聯成像技術原理如圖1所示，以原始基準點C1觀測測點B1的變形，修正B1點相對位移量后，以B1點作為第一傳遞基準點觀測檢測點 B2、B3、B4的變形，通過時間控制塊、采用控制模塊定時進行數據采集，數據經過預處理模塊處理，再通過4G通信模塊傳至數據終端(手機、電腦等)，最后采用專門的后處理軟件進行處理及輸出。也可以采用C1→B1→B2→B3→B4→B1→C1的閉合量測方法，在同一瞬間集群化同時同步采樣，數據精度與可靠度進一步提高，是傳統方法無法實現的［4］。

圖1 物聯成像技術原理示意Fig.1 Schematic diagram of the IOT-IT principle

1.2 物聯成像設備

本次研發的物聯成像設備集合物聯網技術及激光成像技術(圖2)，由激光發射器、激光接收器(包括成像設備、隱形數字標定靶、自檢模塊、時間控制模塊、采樣控制模塊、數據預處理模塊、4G通信模塊)、數據終端(后處理軟件及輸出)三部分組成。基礎組件為單發器、單收器，可根據需要組合成單發+單收、單發+多收、多發 +單收、多發 +多收等多種形式的復合組件，靈活的設備組合提供傳統方法無法實現的量測系統優化設計。安裝系統中可配置自動垂直或水平校準裝置。

圖2 物聯成像設備示意Fig.2 Schematic diagram of the IOT-IT equipment

1.3 物聯成像設備主要參量

1.3.1 檢測精度

隱形數字標定靶(圖3)，是在成像板上設定的一種虛擬數字坐標，設塊、區、格、刻度，最小刻度可以根據設備像素設定，現已開發出 0.005，0.01，0.1，0.5，1 mm 五種型號設備，不同檢測對象可以采用不同刻度的設備，如吊車梁檢測宜采用0.01 mm刻度。標定靶可以通過自檢模塊進行標定［5］。

1.3.2 測 距

測距是指激光發射器與激光接收器間的距離，測距越大則布置設備越少、成本越低，但精度也會降低，可根據檢測對象的要求優化選定，如吊車梁檢測一般采用精度0.01 mm、量距不大于30 m的型號設備。

已開發的五種型號設備均有匹配的精度與量距，可根據檢測對象要求選擇不同型號的設備［6］。

1.3.3 測試環境

環境溫度為-300～+500℃，風力不大于4級［7］。

2 應用實例

2.1 工程概況

寧波市某機械加工廠廠房已使用15年，總面積10 108 m2，其中一區廠房內設有2跨吊車梁，每跨各自配備3臺行吊，行吊額定起吊量均為50 kN，如圖4所示(圖中僅示意受檢吊車)。吊車主梁跨度24 m，吊車梁柱間距7.4 m，距地表9.0 m;由于吊車主梁及吊車梁的工作應力水平較大、工作頻次較高、使用年限較長，易產生疲勞損傷，且廠家還將進一步提高使用頻次，為此需對吊車主梁、吊車梁進行一次健康檢查，重點檢查項為在使用頻次最高荷載(30 kN)時、起吊點在不同位置的多種工況條件下，吊車主梁與吊車梁的變形。本次檢查為?—?、⑤—⑥吊車，?—?、②—③吊車。

圖3 標定靶示意Fig.3 Schematic diagram of the calibration target

圖4 一區廠房結構平面Fig.4 Plan of plant structure of zone 1

傳統變形檢查方法一般采用高精度經緯儀結合千分表的方法進行，量測操作困難、實際精度很難控制，為此采用物聯成像設備進行檢測，并與千分表檢測數據進行對比［8］。

2.2 檢測方案

以?—?、⑤—⑥吊車為例，本次針對該吊車主梁、吊車梁分別設計2組試驗，每組分3種試驗工況，試驗荷載均為30 kN。c1、c2、c3為3種吊車梁檢測工況，分別代表荷載在⑤、⑤—⑥中間、⑥上;s1、s2、s3為吊車主梁檢測工況，分別代表荷載在吊車主梁的?、?—?中間、?上。試驗裝置采用8組單發+單收物聯成像設備，采用精度0.01 mm、量距不大于30 m的型號設備，由于吊車梁高度太高無法采用千分表進行柱頂變形檢測，故在?-⑤、?-⑥兩柱底布置沉降檢測點，同時在這兩檢測點處布置物聯成像設備用于數據對比。

其中?-⑤、?-⑥兩柱底沉降檢測分別采用物聯設備與千分表同時進行，物聯設備編號為1號、2號，千分表編號為Q1、Q2，布置位置見圖5;用于檢測吊車梁變形的物聯設備編號為3號、4號、5號，布置位置見圖5;用于檢測吊車主梁變形的物聯設備編號為 6 號、7 號、8 號，布置位置見圖 6［9］。

圖5 3種工況下各設備布置示意Fig.5 Schematic diagram of equipment layout under 3 working conditions

3 檢測結果

s1、s2、s3 工況與 c1、c2、c3 工況其實屬于聯合檢測工況，例如s1工況下、分別完成 c1、c2、c3三種工況的檢測，故 s1、s2、s3 工況與 c1、c2、c3 工況組成9種組合工況，實測9組數據，每組數據又包含10個實測值，分別為：用于檢測吊車梁的3號、4號、5號;用于檢測吊車主梁的6號、7號、8號;用于檢測柱端變形的1號、2號、Q1、Q2。表 1—表3分別列出了9種組合工況的90個實測值。

圖6 s1—s3工況時設備布置示意Fig.6 Schematic diagram of equipment layout under working condition s1 to s3

表1 s1-c1/c2/c3工況下變形檢測數據Table 1 Detection data of s1-c1/c2/c3 conditions mm

表2 s2-c1/c2/c3工況下變形檢測數據Table 2 Detection data of s2-c1/c2/c3 conditions mm

4 結果分析

4.1 物聯設備與千分表檢測結果分析

?-⑤、?-⑥兩柱底沉降檢測分別采用物聯設備與千分表同時進行，物聯設備編號為1號、2號，千分表編號為Q1、Q2，根據表1—表3，將兩種方法的檢測結果進行比對，結果見表4—表6。

表3 s3-c1/c2/c3工況下變形檢測數據Table 3 Detection data of s3-c1/c2/c3 conditions mm

表4 s1-c1/c2/c3工況檢測結果比對Table 4 Comparison of test results of s1-c1/c2/c3 conditions mm

表5 s2-c1/c2/c3工況檢測結果比對Table 5 Comparison of test results of s2-c1/c2/c3 conditions mm

表6 s3-c1/c2/c3工況檢測結果比對Table 6 Comparison of test results of s3-c1/c2/c3 conditions mm

從表4—表6可以看出：9種組合工況下物聯成像法較傳統千分表法，實測最大差值僅為0.137 mm，說明采用物聯成像技術檢測位移變形是可靠的，而且能很好解決傳統法無法或很難實施的高、大構件變形與位移的檢測。

4.2 吊車梁、吊車主梁變形檢測結果分析

4號、7號分別為吊車梁、吊車主梁的中間點，也是位移最大點。將4號、7號兩個代表性檢測點在每一工況下的數據整理成圖7。

圖7 典型測點不同工況下變形Fig.7 Deformation of typical measuring points under different working conditions

本次物聯成像技術檢測結果(圖7)表明，荷載作用下的吊車主梁、吊車梁撓度均較小、無異常突變，吊車及吊車梁均處于安全可靠狀態［10］。

5 結束語

通過對比試驗，對物聯成像技術在既有工業建筑吊車梁健康檢查中的應用進行總結，可以得到以下結論：

1)物聯成像方法可采用遠距離采樣，無需安裝基準梁，能克服周圍環境與安裝條件影響，檢測成果更趨真值。

2)物聯成像設備可隨時校準，比傳統方法精度更高。

3)對人員和機械設備來說，物聯成像技術也是一種比傳統方法更安全的新技術。

4)物聯成像方法還可以根據需要設計成閉合回路測試路徑，達到檢測集群能在同一時間同步檢測的效果，能做到傳統方法無法完成的同一時刻數據回零驗證。