基于串聯傳感器系統模塊單元變形性能檢測技術

朱永順，李東平，譚川龍，唐興榮，張宇陽

（1.蘇州市建設工程質量檢測中心有限公司，江蘇 蘇州 215129；2 蘇州科技大學土木工程學院，江蘇 蘇州 215011）

0 引言

將傳統房屋以單個房間或一定的三維建筑空間劃分為若干個鋼結構模塊單元，并在工廠對模塊單元進行預制裝配，完成后將這些模塊單元運輸至施工現場，采用起重設備和吊具協助提升將其堆疊、連接所組成的一個完整的建筑稱為模塊化鋼結構建筑，其主要施工工序包括現場基礎施工、模塊單元工廠預制裝配、模塊單元運輸、模塊單元吊裝以及模塊單元拼接安裝等，其預制率可達到 85 %～95 %。因此，模塊化鋼結構建筑是一種高度裝配化的建筑，也是建筑工業化發展的最高階段［1］。

模塊單元的空間尺度為單個房間或一定的三維建筑空間，具有空間尺度大、結構自重大、形狀復雜等特點。模塊單元可采用鋼繩索與其頂部構件直接連接的方式進行吊裝，但對于空間尺度大、形狀復雜的模塊單元，需采用吊具（分配鋼梁或分配鋼框架）協助進行吊裝。在吊裝過程中，在結構自重等荷載作用下模塊單元會產生空間變形，變形過大將導致模塊單元主體鋼骨架與圍護結構之間的變形不協調，引起門窗和外設零部件損傷，室內裝飾損壞。因此，需要采取措施控制吊裝過程中模塊單元的變形。在安裝階段，模塊單元及模塊化建筑的垂直度和平面彎曲度是模塊化鋼結構建筑的重要變形控制指標。在使用階段，模塊化建筑的整體變形（層間位移、層間位移角等）也是重要的變形控制指標。因此，吊裝階段、安裝階段模塊單元的空間變形、使用階段模塊化建筑的整體變形指標是模塊化鋼結構建筑質量檢測的主控項目。

由于模塊化建筑的上述工程特征，常規的建筑變形性能檢測方法不再適用于吊裝階段、安裝階段模塊單元的空間變形，以及使用階段模塊化建筑的整體變形的檢測。本課題組研發一種基于串聯傳感器系統模塊化鋼結構建筑變形性能檢測方法，以實現模塊化建筑吊裝階段、安裝階段和使用階段各種變形性能的檢測，并現實了實時監測。為了驗證所提出檢測方法的可行性，進行了一根方形鋼管簡支梁試件的驗證性檢測試驗，試驗結果表明，采用研制的串聯傳感器系統測得的試件側移曲線與常規測量儀器測得試件側移曲線基本一致，跨中最大側移誤差滿足工程精度要求。這種檢測方法可適用于模塊化鋼結構建筑吊裝階段、安裝階段以及使用階段各種變形性能的檢測，并能夠實現變形性能的實時監測。

1 測量原理

1.1 姿態測量原理

傳感器采用多軸加速度傳感器，每個傳感器同向串聯安裝，通過傳感器中的加速度計測量靜止狀態下 X、Y、Z 三軸的加速度分別為 gx、gy、gz，利用與重力加速度與其在三軸加速度傳感器的 X′、Y′、Z′三軸的分量關系，計算出各軸與重力加速度方向的夾角，從而得出測量傳感器的三維傾角（即三維姿態）α、β、γ［2，3］（見圖 1）。

圖1 方位角計算示意圖

可得如式（2）～（4）所示的測量傳感器的三維傾角（即三維姿態）α、β、γ 。

當測量傳感器未同向安裝時，各測量傳感器需要通過磁力計測量方位角；但當磁力計不是處于水平位置時，其測得的方位角將出現偏差，此時就需要利用測量傳感器當前的三維姿態角度數據進行融合計算，得到真實的方位角。

1）將之前的計算結果代入式（5）、式（6）計算Heading 值。

2）根據式（7）計算方位角。

Xh＞0，且Yh＞0，方位角

=180°-（arctanYh/Xh）×180°/π

Xh＜0，且Yh＞0，方位角

=180°+（arctanYh/Xh）×180°/π

Xh＜0，且Yh＜0，方位角

Xh＞0，且Yh＜0，方位角

=360°-（arctanYh/Xh）×180°/π

Xh=0，且Yh＞0，方位角=90°

Xh=0，且Yh＜0，方位角=270°

1.2 空間姿態軌跡曲線構建

根據測量傳感器前后的姿態角度變化量并結合各測量傳感器之間的間距Δs，按下述方法確定空間姿態軌跡曲線，或通過三角函數近似計算出模塊單元的變形量及其方位角。

圖2 曲線后點坐標推算圖

以測量起點為固定坐標的原點，可以按式（10）進行遞推，得到各點的空間坐標值，各點之間可按直線或圓弧段連接得到空間曲線。

2 模塊單元變形性能檢測方法

基于串聯傳感器系統的模塊化鋼結構建筑模塊單元變形性能檢測方法，包括如下步驟。

1）綜合考慮模塊單元所處的施工階段及所需測定的變形性能指標，確定模塊單元測量傳感器的布置方案。

在吊裝階段，測定模塊單元天花板或地面板豎向變形時可按圖 3（a）同向安裝串聯傳感器。測定模塊單元鋼骨架變形時，可按圖 3（b）同向安裝串聯傳感器。

圖3 吊裝階段模塊單元串聯傳感器布置示意

在安裝、使用階段，測定模塊單元平面彎曲度時，可沿模塊建筑主體結構（框架梁）串聯布置測量傳感器，如圖 4（a）所示。測定模塊單元的垂直度時，可沿模塊建筑主體結構（框架角柱）或圍護結構（墻體）串聯布置測量傳感器，如圖 4（b）所示。

圖4 安裝、使用階段模塊單元串聯傳感器布置示意圖

2）將測量傳感器固定（采用傳感器固定架或直接用結構膠黏貼）在相應位置，并形成同向串聯系統；測量傳感器間距與所述測量精度之間呈反比，一般傳感器之間的間距Δs（0.50 m 或 1.00 m），為了高測量精度可適當減小測量傳感器的間距。

3）待測量傳感器安裝結束后，采用信號線進行串聯連接，通過計算機采集分析處理測量數據，并通過系統中的計算機發送信號給測量傳感器。

4）測量傳感器進行融合計算得到測量傳感器的方位角與三位姿態。融合計算之間的采樣的間隔根據預設時間間隔進行采樣和計算，也可以進行連續采樣與計算。

根據加速度計的精度設置所述微處理器的閾值，若測量數值的抖動超過閥值，則丟棄本次測量數據并重新采樣。

5）將得出的數據輸出至相應的顯示設備。

模塊單元水平變形計算時，取端部的某點為基準點，從基準點開始向上進行測量，每隔一個測量間距便有 1、2、3、…、n 個測點，則在第 j 個測點的水平變形總量，即是它前面各水平變形自端部至 j 測點的逐段累加。則第 j 個測點在 X 方向、Y 方向的水平變形 δjx、δjy按式（11）（12）計算：

式中：δxi、δyi分別為第 i 測點沿 x 軸、Y 軸方向水平變形；αi、βi分別為第 i 測點與 x 軸、Y 軸方向傾角；sv為測量傳感器的間距。

3 模塊單元變形性能檢測系統構建

3.1 測量系統構建

按照上述測量思路，研制的串聯傳感器系統的鋼結構模塊單元變形性能檢測系統包括：計算機數據采集分析系統及與其連接的串聯測量傳感器系統。串聯測量傳感器系統中包括有若干通訊連接的同向測量傳感器，測量傳感器之間可以通過有線網進行，也可以通過無線網絡連接，如圖 5 所示。

3.2 測量傳感器研制

系統中的測量傳感器（見圖 6）內設置有微處理器及傳感器，傳感器可采用磁力計傳感器、多軸數字加速度傳感器、陀螺儀傳感器或兩者或兩者以上傳感器的結合。在鋼結構模塊單元中，測量傳感器可直接選用無磁力計傳感器，但若采用磁力傳感器，由于磁力計傳感器是通過地球磁場來測量方位角的，當周邊有磁性物質時會對其產生干擾，所以應將所有測量傳感器同向安裝，同時，為了保證測量數據的準確性，磁力計傳感器的測量數據不參與融合計算。

圖5 串聯傳感器系統連接結構示意圖

圖6 測量傳感器組成示意

4 驗證性檢測試驗

圖7 試件電測位移計布置圖（單位：mm）

圖8 試件測量傳感器布置圖（單位：mm）

圖9 試件液壓水準測量傳感器布置圖（單位：mm）

圖10 簡支梁計算簡圖

圖 10 給出了跨中集中荷載（P）作用下簡支梁撓曲計算簡圖，其撓曲方程可按材料力學方法得到［4］，按式（13）和式（14）確定。

式中：f 為離原點 x 處簡支梁豎向撓度；L 為簡支梁的跨度；EI 為簡支梁截面抗彎剛度；P 為作用于簡支梁跨中的集中荷載。

圖11 試驗裝置及傳感器布置照片

驗證性檢測試驗在江蘇省結構工程重點實驗室（蘇州科技大學）的 5 000 kN 液壓伺服壓力機進行（見圖 11），采用荷載控制加載，ΔP=10kN，加載至跨中鋼管截面受拉邊緣的應變接近其屈服應變。

表1 跨中變形實測值與理論值比較

圖 12 給出了集中荷載 P=60 kN 時，各測量傳感器實測變形值與理論值比較。由圖 12 可見，各測量傳感器的實測值均要比相應的理論值小，跨中最大撓度誤差為 5.17 %～14.45 %，這可能是計算模型簡化所致。傳統的位移計實測跨中最大豎向位移值為 4.974 mm，研制的測量傳感器實測值為 5.320 mm，兩者誤差為6.96 %，這表明本課題組研制的傳感器測量的變形值能夠滿足工程進度的要求。液壓水準傳感器實測跨中最大豎向位移值為 5.513 mm，與位移計實測值的誤差為10.84 %，這可能是液壓水準傳感器以水平面為依據，而試驗臺座的水平度在加載過程中有稍微變化所致。

圖12 各測量傳感器實測變形值與理論值比較（P=60 kN）

5 結語

驗證性檢測試驗表明，采用研制的串聯傳感器系統測得的試件側移曲線與常規測量儀器測得試件側移曲線基本一致，跨中最大側移誤差滿足工程精度要求。這種檢測方法可適用于模塊化鋼結構建筑吊裝階段、安裝階段以及使用階段各種變形性能的檢測。這種方法便于室外作業，可采用有線或無線網絡技術對模塊單元變形性能進行檢驗和實時監測。