基于物聯網的大截面型鋼混凝土梁施工監(jiān)控

殷志堅 王東云 郟鴻韜 周益眾 戴瑩芝 龔安燦 李 強

1.浙江省二建建設集團有限公司 浙江 寧波 315200；2.重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074；3.溫州肯恩大學 浙江 溫州 325060；4.浙大寧波理工學院土木建筑工程學院 浙江 寧波 315100

型鋼混凝土結構因其承載能力高、抗震性能好等優(yōu)點，已越來越多地應用在大跨度、大截面以及高層建筑結構中。已有不少學者做過型鋼混凝土結構的施工監(jiān)控，如曾敏[1]利用現場人工采集數據的方式進行大跨度預應力型鋼混凝土梁的施工監(jiān)控；夏堯[2]進行過大跨度型鋼混凝土梁結構現場監(jiān)測。然而，針對大截面型鋼混凝土梁的施工監(jiān)控卻少有學者研究。因大截面型鋼混凝土梁的截面尺寸大，故其結構自重和施工荷載也遠大于普通型鋼混凝土梁。另外，大截面型鋼混凝土梁鋼筋及混凝土用量也會比普通型鋼混凝土梁多，混凝土的連續(xù)澆搗施工強度會更大，在施工期間會存在諸多安全隱患。基于此，針對大截面型鋼混凝土梁的監(jiān)控和研究工作變得更加重要。但傳統(tǒng)的結構監(jiān)測方式主要是人工巡視，施工環(huán)境復雜，通過現場測試獲得的實測數據有局限性，因此，目前探索這一方面的方法主要是數值模擬和理論分析。基于上述原因，為實現對大截面型鋼梁的無線智能化實時監(jiān)測，在工程施工時采用先進的傳感裝置具有十分重要的意義。

隨著物聯網技術的興起，智能化監(jiān)測成為可能。現在已經有不少學者利用物聯網技術對工程進行智能監(jiān)測。阿拉塔等[3]利用物聯網對老舊磚房進行在線監(jiān)測；李惠玲等[4]利用物聯網對裝配整體式混凝土安裝過程進行動態(tài)管理；竇宏冰等[5]基于物聯網提出了一種房建結構施工進度實時跟蹤的方法，確保工程的完整性和關聯性。

本文以溫州市某項目中大截面型鋼梁的施工監(jiān)控為例，利用物聯網技術，集成一套無線智能化實時監(jiān)控系統(tǒng)，實時獲取型鋼混凝土梁的應變和位移等信息，并結合現場實測數據，實現對大截面型鋼梁的施工監(jiān)控。

1 工程概況

溫州市某學生活動中心工程由地下1層整體地下室、地上1～6層組成。該項目總建筑面積24 498.36 m2，建筑主體為鋼筋混凝土框架結構，如圖1所示。本文監(jiān)控研究的型鋼梁位于2層多功能廳頂部，型鋼采用Q345B，型鋼梁混凝土采用C30混凝土。將、軸的型鋼梁分別編號為A、B，如圖2所示。A、B兩根型鋼梁凈長均為18.9 m，梁沿軸線方向有2種截面形式：②—③軸梁截面尺寸為800 mm×2 750 mm，其余梁截面尺寸為800 mm×2 200 mm。由于型鋼梁尺寸較大，在施工過程中易出現危險，故需要對該重要構件進行重點監(jiān)測。

圖1 多功能廳頂部結構平面

圖2 A型鋼梁立面及測點布置

2 型鋼梁物聯網監(jiān)控系統(tǒng)搭建

2.1 監(jiān)控方案

以圖1編號為A、B的型鋼梁作為研究對象，采用物聯網監(jiān)控系統(tǒng)加人工巡檢的方式對其進行施工期安全保護監(jiān)測。根據有關研究和相應技術規(guī)范，對圖1、圖2所示位置進行重點監(jiān)控，監(jiān)控內容包括型鋼梁的應變和下撓。以A型鋼梁為例，每根梁設置3處應變傳感器監(jiān)測位置，3個位置編號分別為A-Y1、A-Y2、A-Y3（A-Y1表示A型鋼梁Y1位置，余同），編號為A的型鋼梁另設1根位移傳感器，以測量該梁的下撓。

2.2 監(jiān)測儀器選擇

型鋼梁應變監(jiān)測設備為基康BGK4000振弦式應變計，測量應變時精度可達0.01 με。應變計采用環(huán)氧樹脂膠固定安裝在型鋼梁側面梁底位置。型鋼梁的下撓監(jiān)測設備為基康BGK4420振弦式裂縫計，測量精度可達0.01 μm。裂縫計通過鉆孔固定安裝在A型鋼梁跨中梁底位置，該儀器可長期在惡劣環(huán)境下進行監(jiān)測。另外，儀器內部安裝有場地溫度自動感應裝置，可實時自動記錄每次場地溫度的變化情況，以便對采集到的數據進行溫度補償和對異常數據信號進行處理。同時，為不影響現場的施工進展和防止工人誤碰造成數據異常，不宜在型鋼梁處布設過多的線纜。而現有的大部分型鋼混凝土結構施工監(jiān)控仍采用連接線的方法對數據進行傳輸，這種方法不僅費力，而且對設備的維護也較為不便。近年來，科技發(fā)展的速度越來越快，無線通信、集成電路、傳感器和微機電系統(tǒng)（MEMS）以及數字電子學越來越成熟，這一系列的發(fā)展，使開發(fā)低功耗、小體積、低成本和多功能的無線短距離通信傳感器模塊成為了可能[6]。因此，將無線傳感技術與土木工程相結合的方式成為結構施工監(jiān)控與健康監(jiān)測的熱點。

基于上述情況，該監(jiān)控系統(tǒng)以無線傳感技術為依托，利用微機電系統(tǒng)和網關上傳信號。儀器監(jiān)測得到的信號通過終端向網關發(fā)送，再由網關轉發(fā)至相應服務器。最終實現對大截面型鋼混凝土梁狀態(tài)信息的實時在線監(jiān)測。為獲取更多數據，計劃將系統(tǒng)的采樣頻率設置為5 min/次，可以根據實際情況進行調整。該監(jiān)控系統(tǒng)共布置了6個應變儀、1個裂縫計和1個無線網關。

2.3 監(jiān)測云平臺搭建

為實現對型鋼混凝土結構的智能化管理，在上述提到的硬件基礎上，可以通過設定的用戶名、密碼登錄系統(tǒng)，查看傳感器的工作狀態(tài)，以便實時觀察大截面型鋼梁的應變和位移等數據，如圖3所示。同時，該云平臺具有存檔、下載、比較等功能，在確保數據安全性的同時也使得監(jiān)控人員對監(jiān)控項目的管理更加便捷。

圖3 監(jiān)測云平臺

2.4 型鋼梁結構變形控制標準

本文施工監(jiān)控的目的是實時獲得大截面型鋼梁應變及跨中下撓信息，然后將其與相關技術規(guī)范和工程標準給出的控制值進行比較，確定結構是否處于安全狀態(tài)，為相應的施工過程控制提供可靠、實時的工程指導。在監(jiān)控期間，以JGJ 138—2016《組合結構設計規(guī)范》為依據，對本文所研究的型鋼梁的最大撓度進行判斷，具體數值如表1所示。

表1 型鋼混凝土梁撓度限值 單位：mm

3 施工期型鋼梁的監(jiān)控數據分析

儀器監(jiān)測時間為8月28日—9月28日，共31 d。監(jiān)測期間，工程先后進行了5層梁板支模架的安裝、多功能廳內架的拆除、多功能廳相鄰區(qū)域和所在區(qū)域的5層梁板澆筑及養(yǎng)護，為方便分析上部結構施工對型鋼梁的影響，對型鋼梁區(qū)域進行結構簡化，如圖4所示。由于現場安裝的振弦式應變計和振弦式裂縫計的采集頻率較高，加上監(jiān)控時間較長，為了更直觀地分析采集到的數據，故在數據記錄存儲后，以天為單位進行數據的處理和分析。

圖4 監(jiān)測前后局部結構變化

3.1 型鋼梁下撓分析

從8月28日—9月28日，共31 d，對A型鋼梁下撓進行了監(jiān)測，并對數據進行了分析，分析結果如圖5所示。

圖5 A型鋼梁跨中下撓變化情況

從圖5可以看出：型鋼梁總體呈下撓趨勢。在開始監(jiān)測后的一天時間里，梁下撓增大，根據現場施工情況，該區(qū)域4層自那天起開始搭設5層梁板支模架。在開始監(jiān)測的15 d后，5層梁板相鄰區(qū)域開始澆筑，型鋼梁下撓再次明顯增大。在監(jiān)測的20 d后，該區(qū)域5層梁板開始澆筑，但型鋼梁的下撓趨于穩(wěn)定。在監(jiān)測的31 d時間里，型鋼梁的總下撓約為0.45 mm。根據表1中型鋼梁撓度限值規(guī)定，撓度限值為l0/400 mm。這說明上部結構施工時，型鋼梁會產生相應下撓，但下撓值相對于梁的跨度很小，型鋼梁在上部結構施工過程中處于安全狀態(tài)。

3.2 型鋼梁應變分析

圖6、圖7分別為監(jiān)測時間內A、B型鋼梁應變傳感器數據，圖8為不同型鋼梁相同位置的對比。

圖6 A型鋼混凝土梁應變變化情況

圖7 B型鋼混凝土梁應變變化情況

圖8 A、B型鋼梁相同位置應變對比

由圖可知：在上部施工主要節(jié)點時期，型鋼梁應變均會發(fā)生較大變化，在內架拆除和5層相應區(qū)域梁板澆筑時，梁端最大有45 με的應變變化，總體來說，2根梁梁端和跨中的應變變化趨勢基本一致。A型鋼梁監(jiān)控期間Y1、Y2、Y3處應變的最大值分別為19、50、67 με，應變的最小值分別為－75、－37、－40 με；B型鋼梁Y1、Y2、Y3處應變的最大值分別為25、38、90 με，應變的最小值分別為－37、－35、－40 με。通過2根型鋼梁對比可以看出，在開始監(jiān)測19 d之后，A-Y3處應變與B-Y3處應變大小基本一致，但A-Y1處應變與B-Y1處應變相差約40 με，兩梁Y2處應變相差約10 με。另外，通過查看施工圖紙了解到，A-Y1處配筋率比B-Y1處大。綜合上述信息，分析Y1處應變差值較大的主要原因是型鋼梁、柱節(jié)點施工時存在施工質量的差異。型鋼梁中節(jié)點處大量的梁柱縱向鋼筋、箍筋與型鋼交叉，配筋構造復雜，容易在澆筑過程中引起梁端混凝土澆筑困難，造成澆筑質量不佳。另外，Y1位置構造比Y3位置復雜，所以Y1位置2根型鋼梁應變約有40 με的應變差，而Y3位置2根型鋼梁的應變相差不大。

4 結語

1）基于物聯網對大截面型鋼梁的實時監(jiān)測數據，揭示了型鋼梁的下撓和應變與上部結構施工過程存在對應關系。在31 d的監(jiān)控時間內，型鋼梁的總下撓約為0.45 mm，未超過規(guī)定指標。

2）采用基于物聯網的無線監(jiān)控系統(tǒng)，首次對型鋼梁在上部結構施工作業(yè)時進行施工監(jiān)控。結果表明：基于物聯網的監(jiān)控技術可實現實時監(jiān)測，且具有高精度、高可靠性等特點，可有效解決人工監(jiān)測費時、費力的難題。

3）通過監(jiān)控數據的對比分析可為型鋼梁可能出現的問題提供一定的幫助。同時，通過物聯網進一步的使用，如在本施工監(jiān)控系統(tǒng)中加入警報功能，對不正常數據進行預警，可有效避免上部結構施工造成的過大影響。