超高層建筑施工階段力學性能模擬與應力監測

摘 要：為展示超高層建筑施工階段的應力變化，為施工提供便利條件，本文對超高層建筑施工階段力學性能模擬與應力監測進行研究。通過超高層建筑施工階段力學性能模擬、主體結構應力監測點布置、應變傳感器感知的測點頻率-應變計算、監測點應力發展曲線調取與可視化，最后實現應力監測應用。通過設計新的監測技術，保障施工階段的安全性和保證質量。

關鍵詞：BIM技術；超高層建筑；應力監測

中圖分類號：TU 74" " 文獻標志碼：A

在施工過程中，由于超高層建筑高度高、結構復雜等特點，因此容易受到多種因素的影響，例如風力、地震、施工荷載等，導致結構內部產生應力[1]。如果這些應力超過結構的承載能力，就可能引發結構破壞或倒塌等安全事故。因此，通過應力監測，可以及時掌握結構在施工過程中的受力狀態，采取相應的措施進行安全控制，保障施工安全性。

超高層建筑的施工過程復雜，需要針對不同的施工階段和工況進行施工工藝設計。通過應力監測，可以實時獲取結構在施工過程中的實際受力狀態和變形情況，為施工工藝優化提供科學依據。對監測數據進行分析，可以判斷當前施工工藝是否合理，以改進、優化與調整方案。超高層建筑的質量要求非常高，需要保證每個施工環節的準確性和可靠性[2]。通過應力監測，可以對結構的整體性能進行評估，及時發現和解決潛在的質量問題，以此判斷結構的長期性能和安全性，為工程驗收和維護提供依據。

因此，在實際施工過程中，應加強對超高層建筑施工階段力學性能模擬與應力監測的重視和應用，建立完善的監測體系，保障超高層建筑的施工安全和保證質量。

1 超高層建筑施工階段力學性能模擬

超高層建筑施工階段的力學性能模擬對評估結構的整體性能、預測施工過程中的應力和變形情況、優化施工工藝等都具有重要的意義。因此，以某超高層建筑為例，對其施工階段進行針對性力學性能模擬。為保證模擬結果的可靠性，模擬前，對建筑的基本情況進行分析[3]。該建筑是集會議、辦公、金融、酒店住宿、休閑娛樂為一體的綜合體建筑，屬于試點地區的大型、地標性建筑，建筑設計高度為320m，預期該項目的層數為68層，每層約為4.5m，整體結構按照典型的核心筒框架結構設計形成。裙房建筑的層數為7，主要為VIP 用戶提供專項金融服務。

掌握本工程項目的基本情況后，將建筑相關參數錄入計算機，建立超高層建筑的結構模型，包括梁、柱、板、墻等組成部分[4]。當建立模型時，需要考慮施工過程的影響，例如施工荷載、施工順序、支撐體系等。結構模型應該能夠準確地反映實際工程的細節和特征，為后續的模擬分析提供基礎。

在模擬分析前，需要定義結構的邊界條件和荷載[5]。邊界條件包括固定支撐、彈性支撐、滑動支撐等，應根據實際工程的施工條件和要求進行設定。荷載包括施工荷載、自重、風載、地震等，應綜合考慮并進行加載。完成相關參數錄入后，利用建立的模型和定義的邊界條件和荷載，可以進行模擬分析，包括靜力分析、動力分析、屈曲分析等。靜力分析主要用來分析結構在靜力作用下的應力和變形情況，動力分析主要用來分析結構在動力作用下的響應和穩定性，屈曲分析主要用來分析結構的穩定性和屈曲臨界荷載[6]。根據模擬結果與應力分析的需求，計算在豎向方向上的位移，如公式（1）所示。

（1）

式中：y（x）為建筑懸臂梁結構模型在豎向方向x上的位移；f（α）為建筑懸臂梁結構上的荷載分布函數；k（τ）為建筑結構軸向剛度。

在上述內容的基礎上，為保證超高層建筑在建成后，可以在抗震、抗風方面等具有較好的性能，應明確建筑懸臂梁結構上的荷載分布函數f（α），建筑截面會隨著建筑高度增加而呈現對應的線性變化趨勢，設定建筑截面用A（τ）表示。則f（α）、A（τ）可以用公式（2）表示。

（2）

式中：m、n為線性函數的比例系數；α為荷載分布函數的自變量；τ為建筑截面的自變量；f0為初始荷載分布；A0為建筑截面初始面積。

完成施工或建筑施工接近后續階段后，對建筑結構任意位移進行變形模擬，如公式（3）所示。

（3）

式中：H為建筑結構抗壓標準；E為建筑結構所用材料的彈性模量。

根據模擬分析的結果，可以對施工工藝和設計方案進行優化。例如，通過調整支撐體系的設計、改進施工順序、改變材料性質等措施，改善結構的力學性能和施工過程的安全性。在模擬分析和監測數據驗證的過程中，如果發現模型存在偏差或錯誤，就需要及時進行反饋和修正。反饋包括向建模人員提出問題、提供改進建議等，修正包括對模型進行修改、調整參數等[7]。通過反饋和修正，可以不斷提高模型的準確性和可靠性。參照上述方式，對超高層建筑施工階段的力學性能進行模擬。

2 超高層建筑應力監測

2.1 主體結構應力監測點布置

對超高層建筑進行應力監測需要布設各主體結構應力的監測點。主體結構包括巨型柱、剪力墻核心筒等。針對不同的主體結構，布設應力監測點的方式不同。對巨型柱來說，可選取多個重點控制截面進行監測點布設，如圖1所示。

該巨柱是一種新型的“H”形鋼梁，其搭接部分是在現場焊接而成。當布置測點時，要充分考慮焊接應力、殘余應力等因素。按照圖1所示的方式完成監測點的布設可以保證獲得的數據更具有效性。布設剪力墻核心筒測點如圖2所示。

監測范圍為鋼板剪力墻和二次框架柱的鋼板外側以及與鋼板50 mm的距離。在鋼板墻的6個方位對稱地選擇了6個位置，并在各板心、縱-橫焊縫中間點各設兩個方向的測量點。在4個角上分別設置測點。在整個鋼板的表面設置多個測點，實時地監測焊接過程中鋼板的受力情況和焊接時的殘余應力[8]。同時，每層選擇2根二級框架柱，在柱底鋼板外側沿軸線方向布設2個測點。

2.2 應變傳感器感知的測點頻率-應變計算

弦振動應變傳感器工作性能好，抗干擾能力強，工作量大，測量精度符合監測指標，已廣泛用于超高層建筑結構的應力測量。因此，采用弦振應變傳感器對超高層建筑進行應力監測。

振弦應力傳感器以張拉傳感器內的鋼弦線為工作模式，隨著結構移動，鋼弦線也會隨之而動，在不同的變形條件下，其振動頻率和變形之間存在一對一的對應關系。在對測點進行應力監測的過程中，首先用電磁線圈激勵鋼振弦，其次對其進行頻率測試，參考傳感器規范文件中的有關參數，最后與傳感器的頻率-應變關系式相結合，得出各測點的應變值。

結合應變傳感器感知的測點頻率-應變計算公式得出結構應變量，如公式（4）所示。

με=K×（X2-F2）+C×（t-T） " "（4）

式中：με為微應變；K為傳感器的率定系數；X為監測時間頻率值；F為監測點初始狀態時的頻率值；C為傳感器溫度系數；t為監測過程中溫度變化值；T為監測點周圍環境溫度。

在此基礎上，提出了一種基于多個傳感器的分布式無線傳感器網絡。將各數據采集單元與整個數據采集單元進行串聯。為了達到監控系統長時間供電的目的，在采集裝置上加裝了一個配電箱。該系統采用4G通信技術，將通信單元和云計算平臺的虛擬機服務器相連接。

2.3 監測點應力發展曲線調取與可視化

在監測的過程中，可以通過云平臺自動繪制各監測點上的應力變化曲線，并根據曲線變化情況預測應力發展趨勢，進一步對結構風險等進行評估。在此基礎上，通過云計算平臺對各鋼板的應力變化進行分析。采用三維有限元軟件對其進行三維有限元建模，并通過優化設計，對其進行放大、縮小、移動等功能。貼花照片只能在現實、光追蹤、渲染3種模式下觀看。例如，安裝在鋼筋混凝土剪力墻右側的傳感器，為了防止陽光直接照射到鋼板剪力墻上，可對日光方向進行自由設定，保證視圖效果。

本文采用 VB語言與計算機技術相結合的方法，對云平臺的應力測試系統進行優化，將相應的傳感器號碼輸入軟件中，單擊“顯示監測點應力曲線改變”的按鈕，即可在圖片插件中清晰展現監測點上的應力變化。在超高層建筑施工階段，應力的變化是一個復雜的過程，需要實時監測和記錄。通過調取應力發展曲線，可以清楚地了解應力的變化趨勢和規律。在實際操作中，可以通過以下步驟調取應力發展曲線。①確定需要調取的監測點，并記錄監測點的位置和編號。②選擇適當的時間段，例如施工的某個階段或某個時間段內，對應力數據進行采集和記錄。③將采集的應力數據輸入數據處理分析軟件中，生成應力發展曲線。④根據需要，對生成的應力發展曲線進行修正和完善，保證數據的準確性和完整性。

應力發展曲線可視化是超高層建筑施工階段監測的重要環節之一。通過對應力發展曲線進行可視化處理，可以更加直觀地了解應力的變化情況，為施工提供參考和指導。在實際操作中，可以通過以下步驟實現應力發展曲線的可視化。①利用數據處理分析軟件將應力發展曲線繪制成圖表或圖像。②根據需要，對繪制的圖表或圖像進行美化，使其更加清晰易懂。③在施工現場設置專門的展示區域，將打印或輸出的圖表或圖像進行展示，以便施工人員隨時了解應力的變化情況。

調取與可視化超高層建筑施工階段監測點應力發展曲線是保障施工安全和保證質量的重要手段之一，通過將BIM技術和計算機技術有機地結合起來，建立一套完善的超高層建筑監控系統，對各節點的應力變化曲線進行快速檢索與可視化，提高其應用能力，為超高層建筑的應力監測工作奠定基礎。

3 應力監測應用

完成上述相關內容的設計后，利用計算機中的VB語言，選擇測點，對施工階段的建筑進行應力監測，采用這種方式，檢驗并證明設計的監測方法是否能在應用中達到預期的效果。

在該過程中，技術人員可以在監控軟件的運行界面中，將相應的壓力傳感器號輸入壓力傳感器號中，移動鼠標操作界面，單擊“產生和顯示應力發展曲線”。通過這種方式，驅動傳感器，生成監測點應力發展可視化界面。以建筑結構中編號為“120251-058”的傳感器為例，按照圖3，展示監測點的應力發展情況。

從圖3可以看出，本文提出的方法可以對監測點應力發展情況進行可視化監測。

4 結語

超高層建筑施工階段應力監測技術的發展，推動了建筑施工技術的進步和創新。通過引入先進的監測設備和儀器，可以實時監控和智能化管理結構內部狀態，提高了施工的精度和效率，推動建筑行業的科技創新和發展。因此，本文以某超高層建筑為例，對建筑施工階段力學性能模擬與應力監測進行設計與研究。

通過本次研究，明確了在建筑施工階段，力學性能模擬與應力監測方法設計研究是非常重要的。對施工階段的力學性能進行模擬，可以更好地了解結構的整體性能，預測施工過程中的應力和變形情況，為施工工藝優化提供科學依據。同時，通過設計應力監測方法，可以實時監控和智能化管理結構內部狀態，提高施工的精度和效率。

建筑施工階段力學性能模擬對評估結構的整體性能、預測施工過程中的應力和變形情況、優化施工工藝等都具有重要的意義。同時，建立完善的監測系統是建筑施工階段應力監測的關鍵，需要加強對監測設備和儀器的維護和管理，保證數據的準確性和可靠性。未來研究方向包括優化力學性能模擬的算法和精度、研究新的應力監測方法和設備、建立更加智能化的監測系統等方面，以此保障施工全過程的安全以及保證質量。

參考文獻

[1]王樹貴.基于BIM技術的超高層建筑施工階段應力監測與模擬研究[J].工程與建設，2023，37（4）：1245-1248.

[2]肖洪波，付雄，楊果林，等.下穿隧道施工對高邊坡抗滑樁應力影響研究[J].施工技術（中英文），2023，52（12）：1-8.

[3]張宏飛，王召輝，權西宏，等.小曲率盾構隧道管片施工附加應力計算模型研究[J].齊齊哈爾大學學報（自然科學版），2023，39（2）：64-69.

[4]徐前衛，龔振宇，孫梓栗，等.滇中引水工程超深圓形基坑施工變形和應力監測結果分析[J].土木工程學報，2022，55（6）：102-111.

[5]呂艷慶，楊金鑫.毛里塔尼亞房建工程地下泵房結構應力計算及施工方案研究[J].工程技術研究，2022，7（5）：14-17.

[6]張霄，丁智，王震，等.橋樁鋼套管施工引起隧道管片橫向變形與應力研究[J].巖土工程學報，2022，44（11）：2052-2062.

[7]石巖，熊利軍，李軍，等.考慮應力狀態的連續剛構橋典型施工階段地震易損性分析[J].振動與沖擊，2021，40（24）：136-143，179.

[8]周國軍，劉圣，嚴衛榮，等.基于頻率法的張弦結構鋼拉桿施工應力監測方法研究與工程應用[J].鋼結構（中英文），2022，37（9）：17-24.