CN106500651A - 一种结构几何变形的安全监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种结构几何变形的安全监控方法，即通过测量结构在不同工况下的变形数据，利用公式推导得出不同工况下对应的结构变形值，对测量获得的实际结构变形值和有限元模型计算的模拟变形值对比，确保变形值在规范规定的安全范围内，对于建筑物而言，包括层间变形和楼层总变形，当结构几何变形趋于不安全的情况及时做出预判，并采取相应的处理措施，从而使监控的结构物变形在建造过程中始终确保在安全的范围内。
Description
技术领域
本发明专利属于工程测量领域，尤其涉及房屋建筑结构的几何变形监控。
背景技术
随着社会的发展，建筑结构物在人们生活中所起的作用不仅局限于居住，更体现为一种物质文化形式和一种综合性实用造型艺术。常规的结构形式很难实现建筑师的作品需求，这对建筑结构的立体形式和结构造型提出了更高的要求，采用特殊的结构造型将使结构的力学特性更加复杂。要实现建筑作品的顺利建成，结构的几何变形情况必须确保在整个建筑施工期间处于安全的范围内。因此，目前亟需一种实现结构几何变形的安全监控方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构几何变形的安全监控方法，能够使监控的结构物变形在建造过程中始终确保在安全的范围内。
为解决上述问题，本发明提供一种结构几何变形的安全监控方法，包括：
确定执行标准和技术依据，确定监测仪器设备；
为实现建筑变形监测，设置基准点、工作基点和观测点，其中，所述基准点是为进行变形监测而布设在变形区域以外的稳定的、需长期保存的测量控制点；所述工作基点是当基准点离所测建筑距离较远致使变形测量作业不方便时，为直接观测变形点而在现场布设的相对稳定的测量控制点；观测点是布设在建筑地基、基础、场地及上部结构的敏感位置上反映其变形特征的测量点，亦称变形点；
所述基准点的标石、标志埋设后，达到稳定期后开始观测获取变形监测初始值；
根据施工现场的实际环境，选择通视良好的位置架设电子全站仪，对前期布设的观测点进行测量，获取测量数据；
根据设计院提供的图纸或者模型，重新建立修正和复核后的有限元模型，通过仿真模拟分析，计算出各工况下的几何变形情况，得到有限元模型计算的模拟变形值；
将获取到的测量数据作为外业测量的数据进行内业处理得到观测点的实际结构变形值，包括层间实际结构变形值和楼层实际结构总变形值；
编制监控报告并给出结论：通过测量数据获得的观测点实际变形值和有限元模型计算的观测点模拟变形值对比分析，形成各工况下观测点变形值列表，反映结构的变形情况，根据所述变形情况编制监控报告。
进一步的，在上述方法中，所述执行标准包括《工程测量规范》GB 50026、《建筑地基基础设计规范》GB 50007、《建筑变形测量规范》JGJ 8、《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204和《建筑工程施工质量验收统一标准》GB 50300中的一种和任意组合。
进一步的，在上述方法中，确定监测仪器设备，包括
高层建筑物的高程观测仪器使用精密水准仪及水准标尺，观测点变形观测仪器使用电子全站仪配合反光片。
进一步的，在上述方法中，设置基准点，包括：
根据所述基准点的要求设置混凝土标石，规格取上底30cm×30cm、下底40cm×40cm、高40cm，水准标石顶面的中央嵌入一个圆球部为铜或不锈钢的金属水准标志，标志须安放正直、镶接牢固，其顶部高出表示面1cm。
进一步的，在上述方法中，设置工作基点，包括：
根据工程实地情况，当基准点离所测区域较远致使测量作业不方便时，需设置工作基点，工作基点埋设方法与基准点相同，同时在监测区域附近的水泥路面上采用冲击钻钻孔埋设螺栓的方式布设，观测过程中每次与基准点进行联测。
进一步的，在上述方法中，设置观测点，包括：
根据工程设计图纸和项目要求选择结构重要部位的关键点作为观测点位，利用冲击钻钻孔，安装膨胀螺丝，设置成永久或临时观测点，在重要的结构上布设3个观测点：框架柱顶部设置1点，观测点水平方向尽可能位于柱立面横向宽度的中间，竖直方向距顶层楼板底面的距离不大于50cm；框柱底面设置2点，水平方向分别设置在柱边楞内侧不少于10cm，竖直方向距底层楼板顶面的距离不大于50cm，且设置在同一标高上，设置完毕后对3个观测点进行编号，即顶部为A，逆时针确定底部编号分别为B、C，测量并记录A点到B、C点的高度差。
进一步的，在上述方法中，获取变形监测初始值，包括：
基准点观测过程中固定人员、固定仪器、固定观测路线，观测采用往返偶数站观测，并采用闭合水准路线观测；
当有工作基点时，每期变形观测时将其与基准点进行联测，然后再对观测点进行观测，各项观测指标符合国家相关规范标准的规定，建筑变形监测的首次观测应连续进行两次独立观测，并取观测结果的中数作为变形监测初始值。
进一步的，在上述方法中，获取测量数据，包括：
每一观测点测量的顺序按照由A～B～C，测量时严格按照全站仪的操作方法和步骤，每一测点读取平距和方向角，平距和方向角均应按照盘左和盘右测量。
进一步的，在上述方法中，重新建立修正和复核后的有限元模型，包括：
梁、柱：采用梁单元模拟，根据实际截面进行梁单元截面定义；劲性柱定义成组合截面单元；其中对框架梁单元进行单元细化，提高计算精度；
钢连杆：采用桁架单元模拟；
楼板：根据实际截面厚度定义板单元，并且进行单元细化，提高计算精度；
施工模拟的荷载取值根据项目部提供的施工方案确定，二期恒载取值由设计院提供，施工模拟的工况情况根据项目实际情况确定。
进一步的，在上述方法中，根据所述变形情况编制监控报告，包括：
当变形值在规范规定的安全范围内时，监控结论为“变形在正常范围内，建议仍按原施工方案执行”；当变形值达到事先设定的预警值时，监控结论为“xx观测点变形值到达预警值，建议停止相关部位的施工，采取措施恢复正常”；当变形值达到事先规定的警戒值时，监控结论为“xx观测点变形值到达警戒值，建议停止相关部位的施工，上报业主、设计单位、监理单位、施工单位，采取措施提出优化改进方案”。
与现有技术相比，本发明提供了一种结构几何变形的安全监控方法，即通过测量结构在不同工况下的变形数据，利用公式推导得出不同工况下对应的结构变形值，对测量获得的实际结构变形值和有限元模型计算的模拟变形值对比，确保变形值在规范规定的安全范围内，对于建筑物而言，包括层间变形和楼层总变形，当结构几何变形趋于不安全的情况及时做出预判，并采取相应的处理措施，从而使监控的结构物变形在建造过程中始终确保在安全的范围内。
附图说明
图1是本发明一实施例的结构几何变形安全监控的信息反馈示意图；
图2是本发明一实施例的结构几何变形安全监控的基准点、工作基点和观测点布设示意图；
图3是本发明一实施例的混凝土埋设标石、标志的基准点设置示意图；
图4是本发明一实施例的冲击钻钻孔埋设螺栓的工作基点设置示意图；
图5a是本发明一实施例的观测点设置的反光片布置示意图；
图5b是本发明一实施例的观测点设置的黏贴反光片示意图；
图6a是本发明一实施例的架设全站仪观测A点示意图；
图6b是本发明一实施例的架设全站仪观测B点示意图；
图6c是本发明一实施例的架设全站仪观测C点示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种结构几何变形的安全监控方法，包括：
步骤S1，结构变形监测技术准备：建筑变形监测工作开始前，根据建筑地基基础设计的等级和要求、变形类型、监测目的、任务要求以及监测区条件等进行施测方案设计，确定变形监测的内容、精度级别、基准点与观测点布设方案、观测频率与周期、仪器设备及检定要求、观测与数据处理方法、提交成果内容等，编写变形监控方案；
优选的，步骤S1，结构变形监测技术准备包括：
步骤S11，确定执行标准和技术依据：根据工程的具体情况执行标准，并参考结构施工图和安装施工方案等项目资料作为技术依据；优选的，所述执行标准包括《工程测量规范》GB 50026、《建筑地基基础设计规范》GB 50007、《建筑变形测量规范》JGJ 8、《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204和《建筑工程施工质量验收统一标准》GB 50300中的一种和任意组合；
步骤S12，确定监测仪器设备：根据项目监测级别选择相应的监测仪器设备，优选的，高层建筑物的高程观测仪器一般使用精密水准仪(如S1、S05级)及水准标尺(如铟瓦合金水准标尺)，观测点变形观测仪器一般使用电子全站仪配合反光片；
步骤S13，确定监测点布设和设置方法：如图2所示，为实现建筑变形监测，设置基准点、工作基点和观测点5、7、8、9、10、11、12、13、14、15，其中，所述基准点是为进行变形监测而布设在变形区域以外的稳定的、需长期保存的测量控制点；所述工作基点是当基准点离所测建筑距离较远致使变形测量作业不方便时，为直接观测变形点而在现场布设的相对稳定的测量控制点；观测点是布设在建筑地基、基础、场地及上部结构的敏感位置上反映其变形特征的测量点，亦称变形点；详细的，如图3所示，根据所述基准点的要求可设置混凝土标石，规格可取上底30cm×30cm、下底40cm×40cm、高40cm，水准标石顶面的中央嵌入一个圆球部为铜或不锈钢的金属水准标志，标志须安放正直、镶接牢固，其顶部高出表示面1cm，图3中，21为砌砖、22为标专、23为标石、24为保护井盖、25为素土、26为混凝土；
如图4所示，根据工程实地情况，当基准点l离所测区域较远致使测量作业不方便时，需设置工作基点，工作基点埋设方法与基准点相同，同时也可以在监测区域附近的水泥路面上采用冲击钻钻孔埋设螺栓的方式布设，观测过程中每次与基准点进行联测，以监测其精度的可靠性和点位的稳定性；
如图5a所示根据工程设计图纸和项目要求选择结构重要部位的关键点作为观测点位，利用冲击钻钻孔，安装膨胀螺丝，设置成永久或临时观测点，在重要的结构上(如框架柱)布设3个观测点：框架柱顶部设置1点，观测点水平方向尽可能位于柱立面横向宽度的中间，竖直方向距顶层楼板底面的距离不应大于50cm；框柱底面设置2点，水平方向分别设置在柱边楞内侧不少于10cm，竖直方向距底层楼板顶面的距离不应大于50cm，且设置在同一标高上，设置完毕后应对3个观测点进行编号，即顶部为A，逆时针确定底部编号分别为B、C，测量并记录A点到B、C点的高度差，图5a，H为层高，如图5b所示，在钢钉31上黏贴反光片；
步骤S2，确定变形监测初始值：所述基准点的标石、标志埋设后，应达到稳定期后方可开始观测，其中，所述稳定期根据观测要求与地质条件确定，不宜少于15天(day)；优选的，高程基准点观测过程中应尽量固定人员、固定仪器、固定观测路线等，观测采用往返偶数站观测，并采用闭合水准路线观测；当有工作基点时，每期变形观测时均应将其与基准点进行联测，然后再对观测点进行观测，各项观测指标符合国家相关规范标准的规定，建筑变形监测的首次(即零周期)观测应连续进行两次独立观测，并取观测结果的中数作为变形监测初始值；
步骤S3，实施现场监测获取测量数据：根据施工现场的实际环境，选择通视良好的位置架设电子全站仪，对前期布设的观测点进行测量，如图6a、6b和6c所示，每一观测点测量的顺序宜按照由A～B～C，测量时严格按照全站仪的操作方法和步骤，每一测点读取平距和方向角，平距和方向角均应按照盘左和盘右测量，其中，图6a是架设全站仪观测A点示意图；图6b是的架设全站仪观测B点示意图；图6c是架设全站仪观测C点示意图；
步骤S4，形成监测数据分析报告：
步骤S41，有限元模拟分析：根据设计院提供的图纸或者模型，重新建立修正和复核后的有限元模型，优选的，对于一般的建筑结构，建立模型时可进行如下考虑：
(1)梁、柱：采用梁单元模拟，根据实际截面进行梁单元截面定义；劲性柱定义成组合截面单元；其中对框架梁单元进行单元细化，提高计算精度；
(2)钢连杆：采用桁架单元模拟；
(3)楼板：根据实际截面厚度定义板单元，并且进行单元细化，提高计算精度；
施工模拟的荷载取值可根据项目部提供的施工方案确定，二期恒载取值可由设计院提供，施工模拟的工况情况根据项目实际情况确定，比如：
表1某项目施工过程仿真分析的计算工况
另外，混凝土强度达到标准强度的95％后，可以拆除楼板下施工支架。
通过仿真模拟分析，计算出各工况下的几何变形情况，得到有限元模型计算的模拟变形值，比如：
| 工况xx | 观测点1 | 观测点2 | 观测点3 | 观测点4 | 观测点5 | …… |
| 第一层 | 1.2 | 0.4 | 0.4 | 0.5 | 1.7 | …… |
| 第二层 | 2.2 | -5.0 | 5.0 | -3.2 | 5.7 | …… |
| 第三层 | 8.6 | -11.7 | 10.3 | -11.7 | 12.5 | …… |
| 第四层 | 10.6 | -14.7 | 11.5 | -12.9 | 15.0 | …… |
| …… | …… | …… | …… | …… | …… | …… |
表2某工程框架柱计算变形值一览表(向南为正，单位为毫米)
步骤S42，测量数据处理，将获取到的测量数据作为外业测量的数据进行内业处理得到实际观测点的实际结构变形值，包括层间实际结构变形值和楼层实际结构总变形值，涉及到的符号说明如下：
Dh：柱顶反光片相对柱底反光片的平距；
Dz：柱顶反光片相对柱底反光片的高差；
H：楼层层高；
ΔDhi-j：观测点第i次相对第j次侧向变形值；
∑ΔDhi：观测点第i次测量时的累计变形值；
ΔFhi-j：观测点第i次测量时所处楼层的变形值；
∑ΔFhi：观测点第i次测量时所处楼层的累计变形值；
变形值计算的总体原则是变形监测的初始值为零，通过测量后一次相对柱底的变形值减去前一次相对柱底的变形值即获得本工况下的实际变形值，依次类推，变形值依次累加，最终实现总变形值的测量。
根据测量数据分析计算得出柱顶反光片相对柱底反光片的平距Dh、柱顶反光片相对柱底反光片的高差Dz，楼层层高H，进一步推导如下：
第1次测量获得Dh1，Dz1，H；
ΔDh1-1＝Dh1-Dh1＝0
第2次测量获得Dh2，Dz2，H；
ΔDh2-1＝Dh2-Dh1
ΔFh2-1＝(ΔDh2-1)H/Dz2
∑ΔDh2＝(ΔDh1-1)+(ΔDh2-1)
∑ΔFh2＝(∑ΔDh2)H/Dz2
…………
第i次测量获得Dhi，Dzi，H；
ΔDhi＝Dhi-Dhi-1
ΔFhi＝(ΔDhi)H/Dzi
∑ΔDhi＝(∑ΔDhi-1)+(ΔDhi)
∑ΔFhi＝(∑ΔDhi)H/Dzi
通过上式的计算，从而获得某一工况下某一观测点的首层层间变形值和楼层总变形值。本观测点以上各层可根据相对位置变形值的累加依次计算，并得到相应观测点的实测变形值，比如：
| 工况xx | 观测点1 | 观测点2 | 观测点3 | 观测点4 | 观测点5 | …… |
| 第一层 | 1.0 | 0.3 | / | 0.4 | 1.4 | …… |
| 第二层 | / | -5.0 | 5.0 | -3.0 | 4.7 | …… |
| 第三层 | 7.6 | -10.7 | 9.5 | -10.7 | 11.5 | …… |
| 第四层 | 9.5 | -13.5 | 10.4 | -12.2 | 14.0 | …… |
| …… | …… | …… | …… | …… | …… | …… |
表3某工程框架柱实测变形值一览表(向南为正，单位为毫米)
步骤S43，编制监控报告并给出结论：通过测量数据获得的观测点实际变形值和有限元模型计算的观测点模拟变形值对比分析，形成各工况下观测点变形值列表，反映结构的变形情况，根据所述变形情况编制监控报告，当变形值在规范规定的安全范围内时，监控结论为“变形在正常范围内，建议仍按原施工方案执行”；当变形值达到事先设定的预警值时，监控结论为“xx观测点变形值到达预警值，建议停止相关部位的施工，采取措施恢复正常”；当变形值达到事先规定的警戒值时，监控结论为“xx观测点变形值到达警戒值，建议停止相关部位的施工，上报业主、设计单位、监理单位、施工单位，采取措施提出优化改进方案”，通过对结构变形的监控，确保结构物变形在建造过程中始终处于安全的范围内。
综上所述，本发明提供了一种结构几何变形的安全监控方法，即通过测量结构在不同工况下的变形数据，利用公式推导得出不同工况下对应的结构变形值，对测量获得的实际结构变形值和有限元模型计算的模拟变形值对比，确保变形值在规范规定的安全范围内，对于建筑物而言，包括层间变形和楼层总变形，当结构几何变形趋于不安全的情况及时做出预判，并采取相应的处理措施，从而使监控的结构物变形在建造过程中始终确保在安全的范围内。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种结构几何变形的安全监控方法，其特征在于，包括：
确定执行标准和技术依据，确定监测仪器设备；
为实现建筑变形监测，设置基准点、工作基点和观测点，其中，所述基准点是为进行变形监测而布设在变形区域以外的稳定的、需长期保存的测量控制点；所述工作基点是当基准点离所测建筑距离较远致使变形测量作业不方便时，为直接观测变形点而在现场布设的相对稳定的测量控制点；观测点是布设在建筑地基、基础、场地及上部结构的敏感位置上反映其变形特征的测量点，亦称变形点；
所述基准点的标石、标志埋设后，达到稳定期后开始观测获取变形监测初始值；
根据施工现场的实际环境，选择通视良好的位置架设电子全站仪，对前期布设的观测点进行测量，获取测量数据；
根据设计院提供的图纸或者模型，重新建立修正和复核后的有限元模型，通过仿真模拟分析，计算出各工况下的几何变形情况，得到有限元模型计算的模拟变形值；
将获取到的测量数据作为外业测量的数据进行内业处理得到实际观测点的实际结构变形值，包括层间实际结构变形值和楼层实际结构总变形值；
编制监控报告并给出结论：通过测量数据获得的观测点实际变形值和有限元模型计算的观测点模拟变形值对比分析，形成各工况下观测点变形值列表，反映结构的变形情况，根据所述变形情况编制监控报告。
2.如权利要求1所述的结构几何变形的安全监控方法，其特征在于，所述执行标准包括《工程测量规范》GB 50026、《建筑地基基础设计规范》GB 50007、《建筑变形测量规范》JGJ8、《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204和《建筑工程施工质量验收统一标准》GB50300中的一种和任意组合。
3.如权利要求1所述的结构几何变形的安全监控方法，其特征在于，确定监测仪器设备，包括
高层建筑物的高程观测仪器使用精密水准仪及水准标尺，观测点变形观测仪器使用电子全站仪配合反光片。
4.如权利要求1所述的结构几何变形的安全监控方法，其特征在于，设置基准点，包括：
根据所述基准点的要求设置混凝土标石，规格取上底30cm×30cm、下底40cm×40cm、高40cm，水准标石顶面的中央嵌入一个圆球部为铜或不锈钢的金属水准标志，标志须安放正直、镶接牢固，其顶部高出表示面1cm。
5.如权利要求4所述的结构几何变形的安全监控方法，其特征在于，设置工作基点，包括：
根据工程实地情况，当基准点离所测区域较远致使测量作业不方便时，需设置工作基点，工作基点埋设方法与基准点相同，同时在监测区域附近的水泥路面上采用冲击钻钻孔埋设螺栓的方式布设，观测过程中每次与基准点进行联测。
6.如权利要求5所述的结构几何变形的安全监控方法，其特征在于，设置观测点，包括：
根据工程设计图纸和项目要求选择结构重要部位的关键点作为观测点位，利用冲击钻钻孔，安装膨胀螺丝，设置成永久或临时观测点，在重要的结构上布设3个观测点：框架柱顶部设置1点，观测点水平方向尽可能位于柱立面横向宽度的中间，竖直方向距顶层楼板底面的距离不大于50cm；框柱底面设置2点，水平方向分别设置在柱边楞内侧不少于10cm，竖直方向距底层楼板顶面的距离不大于50cm，且设置在同一标高上，设置完毕后对3个观测点进行编号，即顶部为A，逆时针确定底部编号分别为B、C，测量并记录A点到B、C点的高度差。
7.如权利要求1所述的结构几何变形的安全监控方法，其特征在于，获取变形监测初始值，包括：
基准点观测过程中固定人员、固定仪器、固定观测路线，观测采用往返偶数站观测，并采用闭合水准路线观测；
当有工作基点时，每期变形观测时将其与基准点进行联测，然后再对观测点进行观测，各项观测指标符合国家相关规范标准的规定，建筑变形监测的首次观测应连续进行两次独立观测，并取观测结果的中数作为变形监测初始值。
8.如权利要求6所述的结构几何变形的安全监控方法，其特征在于，获取测量数据，包括：
每一观测点测量的顺序按照由A～B～C，测量时严格按照全站仪的操作方法和步骤，每一测点读取平距和方向角，平距和方向角均应按照盘左和盘右测量。
9.如权利要求1所述的结构几何变形的安全监控方法，其特征在于，重新建立修正和复核后的有限元模型，包括：
梁、柱：采用梁单元模拟，根据实际截面进行梁单元截面定义；劲性柱定义成组合截面单元；其中对框架梁单元进行单元细化，提高计算精度；
钢连杆：采用桁架单元模拟；
楼板：根据实际截面厚度定义板单元，并且进行单元细化，提高计算精度；
施工模拟的荷载取值根据项目部提供的施工方案确定，二期恒载取值由设计院提供，施工模拟的工况情况根据项目实际情况确定。
10.如权利要求1所述的结构几何变形的安全监控方法，其特征在于，根据所述变形情况编制监控报告，包括：
当变形值在规范规定的安全范围内时，监控结论为“变形在正常范围内，建议仍按原施工方案执行”；当变形值达到事先设定的预警值时，监控结论为“xx观测点变形值到达预警值，建议停止相关部位的施工，采取措施恢复正常”；当变形值达到事先规定的警戒值时，监控结论为“xx观测点变形值到达警戒值，建议停止相关部位的施工，上报业主、设计单位、监理单位、施工单位，采取措施提出优化改进方案”。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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