玉佛禪寺大雄寶殿移位監(jiān)測系統(tǒng)（Ⅱ）：結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析

謝麗宇 張 睿 盧文勝，* 張鳳亮

（1.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)工程系，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)建筑物移位技術(shù)研究中心，上海200092）

0 引 言

采用姊妹篇《玉佛禪寺大雄寶殿移位監(jiān)測系統(tǒng)（Ⅰ）：監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》中所建立的設(shè)計(jì)方法，建立大雄寶殿移位監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大雄寶殿在移位施工中的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以保證移位施工的安全進(jìn)行。

玉佛禪寺移位監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與無線傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)終端組成。本工程的傳感器系統(tǒng)由靜力水準(zhǔn)儀、傾角儀、激光位移計(jì)和應(yīng)變計(jì)組成。靜力水準(zhǔn)儀測量主體結(jié)構(gòu)的高程變化，激光位移計(jì)測量佛像和梁柱榫卯節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵部位的變形，傾角儀用于測量佛臺(tái)和木柱等關(guān)鍵部位的傾斜變形，應(yīng)變計(jì)測量佛臺(tái)四周托換鋼架的應(yīng)變變化［1-3］。

本文基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)、木柱、榫卯節(jié)點(diǎn)和佛像的變形情況，進(jìn)一步探討移位施工對結(jié)構(gòu)狀態(tài)產(chǎn)生的影響并對結(jié)構(gòu)的安全性能進(jìn)行評價(jià)。

1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析原則

玉佛禪寺大雄寶殿于2017 年9 月2 日上午正式啟動(dòng)平移工程，并于9 月8 日上午平移到位；于2017 年9 月12 日正式啟動(dòng)頂升工程，并于9 月14日頂升到位。本次研究采用2017 年8 月29 日至2017 年9 月9 日期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，時(shí)間包括移位前、移位中和移位后。為探討移位施工對結(jié)構(gòu)性能的影響，并對不同傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，本次研究的數(shù)據(jù)均取相對于初始值的變化值。

本工程采用的傳感器擁有不同的采樣周期，為方便數(shù)據(jù)分析，將監(jiān)測數(shù)據(jù)以1 h為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，類似于平滑處理，即取每1 h 的監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值作為這1 h的監(jiān)測數(shù)據(jù)代表值，因此所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的采樣周期調(diào)整為1 h。

為驗(yàn)證采樣周期調(diào)整為1 h的合理性，以一個(gè)靜力水準(zhǔn)儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。靜力水準(zhǔn)儀原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的采樣周期為30 s，分別繪制采樣周期為30 s 和1 h 的時(shí)程變化曲線，結(jié)果如圖1所示?？梢姴蓸又芷跒?0 s 和1 h 的時(shí)程曲線幾乎重合。因此，采樣周期采用1 h可以滿足數(shù)據(jù)分析的要求，本次研究除特殊說明外，采樣周期均采用1 h。

2 結(jié)構(gòu)形變分析

2.1 整體結(jié)構(gòu)姿態(tài)變化

為監(jiān)測整體結(jié)構(gòu)的豎向變形，在圍墻四個(gè)角部和中央佛臺(tái)上布置了靜力水準(zhǔn)儀。其中靜力水準(zhǔn)儀HL2、HL4 和HL5 的位置是靜力水準(zhǔn)儀的基準(zhǔn)點(diǎn)。繪制其他靜力水準(zhǔn)儀相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的相對變化值的時(shí)程曲線，如下圖所示。由圖中可見，在移位之前靜力水準(zhǔn)儀數(shù)值幾乎保持不變。移位開始后，靜力水準(zhǔn)儀數(shù)值開始明顯變化，離散性增強(qiáng)。其中，位于結(jié)構(gòu)南側(cè)頂推位置的靜力水準(zhǔn)儀HL-1、HL-3 的變化較為明顯，最大的豎向相對變形為2.1 mm；位于佛臺(tái)的靜力水準(zhǔn)儀HL-6的變化相對較小，最大的豎向相對變形為0.6 mm。

在移位前后，分別選取A、B、C、D 四個(gè)時(shí)間點(diǎn)，分別代表移位之前、移位開始、移位期間和移位結(jié)束（圖2）。將靜力水準(zhǔn)儀按照相同基準(zhǔn)點(diǎn)的原則，分成HL-1、HL-2，HL-3、HL-4 和HL-5、HL-6三組。假定底盤結(jié)構(gòu)是一個(gè)理想變形體，滿足均勻連續(xù)性、各向同性和小變形假設(shè)。即底盤結(jié)構(gòu)是由密實(shí)無空隙的連續(xù)分布的材料構(gòu)成，物體上任一部分材料的力學(xué)性質(zhì)都相同，材料沿不同方向都具有相同的力學(xué)性質(zhì)。將每組靜力水準(zhǔn)儀的位置連成直線，并按照變形協(xié)調(diào)的原則連接成網(wǎng)格，繪制整體結(jié)構(gòu)的豎向變形圖示意圖，如圖3 所示，其中虛線網(wǎng)格代表結(jié)構(gòu)的初始位置。

圖1 靜力水準(zhǔn)儀變化值：不同采樣間隔Fig.1 Variation of the hydrostatic leveling：different sample interval

2.2 木柱傾斜角

整體結(jié)構(gòu)的傾斜會(huì)導(dǎo)致木柱傾斜，同理木柱的傾斜變化也反映了整體結(jié)構(gòu)的傾斜情況。某些關(guān)鍵木柱上布置了傾角儀（IC5-IC-12），其中IC5和IC6為雙軸傾角儀，測量木柱沿X/Y方向的傾斜角，其中IC7-IC-12 為單軸傾角儀，測量木柱沿X方向的傾斜角。每個(gè)傾角儀測量的木柱偏移角如圖4 所示。由圖可知，木柱傾斜角的變化范圍在-0.4°～0.4°。按照《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》［4］第4.1.7 條的規(guī)定，對于抬梁式結(jié)構(gòu)，柱頭與柱腳的相對位移應(yīng)大于1/90 柱高，換算成傾斜角，即傾斜角不應(yīng)大于0.637°。因此，木柱的傾斜角變化滿足規(guī)范要求。

以傾角儀IC7 測量的傾斜角變化量為例，研究其在移位施工前后的數(shù)據(jù)變化。結(jié)果如圖5 所示，表明在移位施工之前和之后，木柱傾斜角變化不大，離散性較小，異常值較少。而在移位施工期間，木柱傾斜角變化變大，離散性增強(qiáng)，異常值增多。

圖2 靜力水準(zhǔn)儀變化值Fig.2 Variation of the hydrostatic leveling

2.3 木柱水平方向偏移角

對于安裝雙軸傾角儀的木柱，可以測得木柱沿X/Y 方向的傾斜角，通過數(shù)學(xué)關(guān)系式可求出柱子的水平偏移角，計(jì)算原理如圖6所示。

以安裝雙軸傾角儀IC-5 的木柱為例，木柱沿X/Y方向的傾斜角如圖7所示，木柱水平方向偏移角計(jì)算結(jié)果如圖8所示。由結(jié)果可知，木柱沿X/Y方向的傾斜角變化趨勢相似。尤其在移位施工之前，木柱沿X/Y 方向的傾斜角變化幾乎相同，水平偏移角始終在45°左右?？梢姡谝莆皇┕で埃撃局膬A斜角度雖然在不斷變化，但木柱的水平偏移方向即傾斜趨勢是趨于穩(wěn)定一致的。但在移位施工以后，木柱傾斜角和水平偏移角開始明顯變化，離散性增強(qiáng)。

圖3 整體結(jié)構(gòu)豎向變形示意圖（單位：mm）Fig.3 Overall structural settlement deformation（Unit：mm）

2.4 榫卯節(jié)點(diǎn)變形

激光位移計(jì)分別安裝在梁的上下表面，測得其與木柱的相對距離，可求得榫相對于木柱的位移，且在已知梁高的情況下，可以得出梁相對于木柱的轉(zhuǎn)角。計(jì)算原理如圖9 所示。通過數(shù)據(jù)分析，在移位前后，大梁與木柱交界的榫卯節(jié)點(diǎn)部位沒有發(fā)生明顯的變形。

圖4 木柱傾斜角變化值Fig.4 Angle of inclination variation of wooden columns

圖5 某一木柱傾斜角變化值Fig.5 Angle of inclination variation of a wooden column

圖6 水平偏移角計(jì)算原理Fig.6 Calculation principle of horizontal offset angle

2.5 佛臺(tái)托換鋼架應(yīng)變

在佛臺(tái)的托換底盤鋼結(jié)構(gòu)的四周表面布置應(yīng)變計(jì)SG1-SG4。鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變在平移頂升過程中的數(shù)據(jù)變化幅度小于45 微應(yīng)變，設(shè)計(jì)規(guī)定的鋼結(jié)構(gòu)微應(yīng)變在-100～100 微應(yīng)變范圍內(nèi)（按鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度的1/10取值）［5］，滿足要求（圖10）。

圖7 木柱傾斜角Fig.7 Angle of inclination of wooden columns

圖8 木柱水平偏移角Fig.8 Horizontal offset angle of wooden columns

圖9 節(jié)點(diǎn)變形計(jì)算原理Fig.9 Calculation principle of joint deformation

2.6 佛像傾斜

佛像的支撐框架上布置了6 個(gè)激光位移計(jì)LR5-LR10，其中3 個(gè)安裝在支撐框架的高位，另外3 個(gè)安裝在支撐框架的低位。激光位移計(jì)測得相應(yīng)位置的距離變化量，在已知支撐框架高位與低位高度差的情況下，可以得出佛像沿Y 方向的傾斜角（圖11）。

佛臺(tái)上也安裝了2 個(gè)雙軸傾角儀IC1 和IC2，可以測得佛臺(tái)沿Y方向的傾斜角（圖12）。對比圖11 和圖12 的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在移位施工前，佛臺(tái)和佛臺(tái)上的佛像幾乎沒有發(fā)生傾斜。移位施工以后，佛臺(tái)和佛像的傾斜角變化量增加，并且離散性增強(qiáng)。同時(shí)，佛臺(tái)和佛像整體傾斜方向一致。

圖10 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變Fig.10 The strain of steel structure

圖11 佛像傾斜角Fig.11 Angle of inclination of buddha statue

圖12 佛臺(tái)傾斜角Fig.12 Angle of inclination of pedestal

3 結(jié) 論

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，并依據(jù)以往文獻(xiàn)資料總結(jié)和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)［6-9］，可以得出移位施工過程中，主體結(jié)構(gòu)各個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目的實(shí)際變化值，進(jìn)而得到移位施工對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。將結(jié)論總結(jié)如下，并對結(jié)構(gòu)的安全性能進(jìn)行評價(jià)。

（1）在結(jié)構(gòu)移位施工期間，安裝在墻面、佛臺(tái)和木柱上的靜力水準(zhǔn)儀和傾角儀測量數(shù)據(jù)變化量增加，離散性增強(qiáng)，說明玉佛禪寺大雄寶殿在移位施工過程中，整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了豎向不均勻變形。且由于移位的頂推裝置布置在主體結(jié)構(gòu)的南側(cè)，結(jié)構(gòu)南側(cè)的沉降變化量和離散性都比結(jié)構(gòu)其他部位更大。但整體變化量不大，可知整體結(jié)構(gòu)在平移頂升施工過程并未發(fā)生顯著的偏移、下沉或旋轉(zhuǎn)。

（2）在結(jié)構(gòu)移位施工期間，木柱傾斜角和水平偏移角變化量增加，離散性增強(qiáng)。但整體變化量不大，且在移位施工之后，木柱的傾斜角和水平偏移角變化量減小，離散性減弱。表明移位施工過程中，木柱并未發(fā)生顯著的傾斜或下沉。

（3）安裝在大殿頂部橫向、縱向梁上的激光測距儀的測量數(shù)據(jù)在移位施工前后幾乎保持不變，可知柱子在平移過程并未發(fā)生顯著的傾斜或下沉，且大梁與木柱交界的卯榫節(jié)點(diǎn)部位沒有發(fā)生明顯的變形。

（4）佛臺(tái)托換鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)移位施工過程中的應(yīng)變變化幅度在設(shè)計(jì)規(guī)定的鋼結(jié)構(gòu)微應(yīng)變范圍內(nèi)，滿足要求。表明移位施工過程中，佛臺(tái)及佛臺(tái)托換結(jié)構(gòu)并未發(fā)生顯著的變形。

（5）安裝在佛臺(tái)上的靜力水準(zhǔn)儀和傾角儀，以及正對佛像的激光測距儀的測量數(shù)據(jù)在平移期間變化量增加，離散性增強(qiáng)。但變化量不大，前后幾乎保持不變，可知佛像在平移過程與整體結(jié)構(gòu)幾乎保持相對靜止，并未發(fā)生顯著的相對移動(dòng)、傾斜或旋轉(zhuǎn)。且不同傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以相互印證，證明監(jiān)測方案合理可靠。

（6）移位監(jiān)測系統(tǒng)可以真實(shí)反映移位施工過程對結(jié)構(gòu)性能的影響。不僅可以得到結(jié)構(gòu)整體姿態(tài)的變化，也可以得到關(guān)鍵部位的變形位移情況，包括木柱、榫卯節(jié)點(diǎn)和佛像等。通過設(shè)定合理的監(jiān)測方案，移位監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控并反饋監(jiān)測情況，保證施工的安全進(jìn)行。對移位工程和木結(jié)構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析有一定的工程指導(dǎo)意義。