大悬挑结构施工监测及预警模型研究

甘梦仙，胡 鹏

(1.池州学院，安徽池州 247000；2.安徽新华学院，安徽合肥 230088)

大悬挑结构施工监测及预警模型研究

甘梦仙1，胡 鹏2

(1.池州学院，安徽池州 247000；2.安徽新华学院，安徽合肥 230088)

大悬挑结构因能够提供更加宽敞的实用空间而在工程中被广泛采用，但这类结构受力不利且变形较大，在实际工程施工、使用阶段都出现过不少问题和事故。在施工中，如能对实时监测数据进行快速而有效的分析处理，将动态结果清晰明了地展示给安全技术人员，用于指导现场施工，对预测的危险情况及时采取安全措施杜绝事故发生，将具有极大的现实意义。本文在分析影响大悬挑结构受力和变形的主要因素基础上，建立了对现场实时监测数据快速有效的分析处理模型，能将分析的动态结果及预测值输出为报告书的形式，作为采取相应安全措施保障人员生命与财产安全的参考依据。

施工监测；数据处理；监测预警；插件开发

一、概 述

随着建筑设计、施工水平的提高，大悬挑结构日益增多，这类建筑无论是采用纯钢结构还是钢混结构，其受力和变形都相当复杂，很难只通过理论计算模型的受力和变形分析确保建筑物施工时的安全。这主要是因为影响结构内力和变形的因素太多，并且不同因素的影响量大小又在随时变化着。经理论分析和大量工程实践总结，施工工序、支撑体系组成、材料刚度、一次连续施工量、施工荷载及地基变形等是影响结构受力和变形的主要因素。因此，对这类结构，除了要进行深入的理论分析得出结构内力和变形的警戒指标值外，还要在施工中采用各类监测手段，如常用的振弦式应力计、应变片及其他各类应力应变传感设备、传统及现代测量技术，实时测定受力和变形，尤其当主要影响因素变化时，加强监测，适时进行数据采集。数据采集工作可以由远程计算机通过传感器进行完成，但在大型工程中存在大量的控制点，采集到的数据量是庞大的，需要及时分析处理，以发现危险值及预测未来可能的变化趋势。

二、实时监测数据处理方案

在大型工程控制部位设置了成百上千数据采集点，再加上人工外业观测数据，手工处理这些数据已是不可能。目前，大多数传感监测设备都将采集的数据自动以文本格式或电子表格文件的形式保存在存储设备上，还有些人工观测数据需要手工输入计算机进行分析。处理大量数据可以通过各种编程语言自编程序平台或借助目前普及的大型软件平台进行插件程序再开发，显然前一种方法要求高，实现周期长，需要分析人员对数据库技术有相当的了解；而存储数据的电子表格作为办公软件的一个套件，在工作中非常普及，且其处理数据的能力很强，具有高度的智能化和自动化，借助VB/VBA语言在Office软件上开发出一整套从数据读入到分析结果、报告输出的快捷插件式程序，这些插件可交互、批量、快速地进行数据处理分析，操作就像办公软件的菜单、按钮使用一样，一键完成多种任务，大大减少相关人员的数据处理工作量，并且可以输出任意时间间隔的分析结果给技术人员，从而为动态掌控结构施工安全状况、及时采取安全防范措施提供参考依据。插件主要实现功能如图1所示。

1.数据读入整理

大多数工程的施工监测数据及外业数据，多储存为Excel电子表格文件，这种格式的文件可以直接对数据进行计算、统计、处理分析和辅助决策等。因此只需将不符合插件程序要求的行列形式进行转换即可被快速读入。图2为某大悬挑结构采用振弦式应力计自动采集到的Excel格式数据，图中只截取了18个设置应力计部分每隔30 min测得的频率值，只有将这些频率根据该型号应力计转换为应力才能展示给技术人员分析，插件程序根据式(1)编制了“频率→应力”功能按扭，将图2现场测得的实时频率处理后结果如图3所示，这样才便于后面插件程序的分析处理。

图1 施工监测插件程序功能分解图

式中，P为被测位置应力值，单位为kPa；K为标定系数，单位为kPa/kHz2；F为实时测得频率，单位为kHz；F0为基准频率，单位为kHz；b为温度修正系数，单位为kPa/℃；T为实时测得温度值，单位为℃；T0为基准温度值，单位为℃；C为计算修正值，单位为kPa。

式(1)在应用中，当施工现场大气压有较大变化时，还应考虑气压修正。

图2 施工监测自动自采频率数据截图

图3 施工监测频率转换应力截图

对于存为TXT格式的数据，单击“TXT→Excel”功能按钮，将调出选择TXT文件的对话框，当选择了要转换为Excel格式的文件后，插件程序会快速将TXT文件转换为Excel格式，供后面模块程序处理。

外业测得的数据，通过“手工输入”功能菜单，调入如图4所示的输入面板，可以快速准确地将数据输入并存为程序要求的文件格式。此输入面板与直接在电子表中输入相比具有诸多优点，它可以全凭键盘操作，不用像在Excel中不停换行、在键盘与鼠标间相互转换等，还可以根据选择的不同观测项目，如沉降量、位移、应力、应变，自动将输入的时间及对应观测值在活动工作簿中建立对应观测项目名称的工作表，以后面程序要求的格式保存在新建工作表中，极大地方便了对外业观测资料的内业整理工作。

以上3类数据格式的读入，可以通过“插件程序”中的“数据读入”子菜单下的功能按钮一键实现数据的转换整理，形成后续功能需要的Excel数据格式，功能菜单如图5所示。

图4 数据输入对话框截图

图5 插件菜单截图

2.数据除噪显示最值

对于已经转换为Excel格式的各类监测数据，利用求最值、除噪功能可以快速求出任意时间段监测数据的最大值、最小值并去除不合理的数据，该功能处理的数据越多，越能提高分析人员的工作效率。单击图5中“数据处理→显示最值”按钮，随后选中任意想求最值的数据区域，插件会快速将数据中的最大值、最小值分别用红色、绿色标出并以对话框显示最值(如图6所示)，若有多个数值同为最大、最小值，插件会同时着色，给分析人员一个直观的印象。对于合理但又超出警戒值的数据会即时出现预警提示。

图6 求最值截图

3.监测数据图表化

各类监测数据，随时间源源不断地收集到一起，越来越多，对于大量数据如能以清晰直观的图表形式展示给施工现场安全技术人员用，使其能快速分析判断出主体结构及支架模板的受力变形情况，对指导后续施工大有裨益，而“数据图表化”功能正好能完成此类工作，大大减少相关工作人员的计算分析时间。通过单击图5“数据处理→平滑散点图”按钮，可快速输出如图7所示的沉降分析图，另外选择不同功能按钮还可以输出多种形式图表，如拆线散点图、拆线线图等。

图7 图表截图

三、受力、变形的预测分析

对于施工现场的安全技术人员来说，除了要对监测数据及时计算分析，发现危险采用安全措施外，还有一个重要任务，就是要提前预知未来一定时间段内主体结构及支架模板的受力、变形趋势和大小，对可能发生的危险情况，及早采取措施，加以预防，这才是安全监测的最主要目的。本插件程序根据现代预测科学的相关理论和方法，如时间序列分析法和回归分析法等，主要采用了数学曲线拟合法、移动平均法、回归分析法及指数平滑法等，可以对结构支架受力、变形作出长、短期推测判断。移动平均法是一种自适应趋势动态预测模型，可利用数据序列进行外推来预测指标的发展趋势，该法主要是根据近期监测数据对预测值影响较大，离预测值时间越长的数据影响越小的规律进行，使用观测值更接近实际情况。回归分析是借助一元线性回归及指数回归拟合曲线法进行预测。监测数据分析人员可以根据实际情况选用不同分析方法，只需单击想用的分析模型菜单按钮，即可一键完成数据图表绘制及未来趋势预测，还可推算未来指定时间的预测值，作为采取措施的参考。图7是一实际工程15 d左右的沉降观测数据的分析图表，可在数据图表的基础上，给出直线拟合模型公式为

y＝-0.092 4x＋3 853.6

R2＝0.319 9}(2)

插件程序的“趋势预测”菜单下的其他功能按钮还包括指数曲线拟合模型、移动平均法拟合模型等功能。安全分析人员可以根据这些模型推算未来一定时间内的结构受力、变形的变化规律。

四、施工监测报告

作为监测的最终成果，施工监测报告书需要呈现给参与作业单位的领导及相关技术人员。目前国内多以Word格式打印成册，也就是施工结束后，作为收集资料的一项作业，若手工打字整理，将是一项费时费力的工作，而本插件程序有生成报告的功能，且可以生成指定格式的报告书。如图5中，当单击“生成监测报告→Word版”或“Excel版”时，在随后出现的对话框中，输入工程名及其他必要资料，插件自动填加前期数据处理结果、分析图表、预测模型公式，并给出未来指定时间内的结构受力、变形值，直接在指定的位置保存成Word格式文件。从而使数据分析人员从烦琐的数据分析处理、报告书写中解脱出来。

五、结束语

本“施工监测及预警模型”的插件程序是建立应用在非常普及的办公软件平台之上，插件的使用就像使用办公软件一样通过单击菜单或按钮即可完成相应的工作，这对数据分析人员使用非常方便。该插件是在多项工程实践施工监测中开发总结而出的，经过多项工程监测数据的验证，得到了施工安全技术人员的认可。之前，多是利用办公软件手工进行文字编制及数据计算分析，烦琐而耗时的数据分析总不能及时给安全技术人员提供即时资料。基于实际工作的迫切需要，编制出此插件程序，使手工需要花几天时间才能完成的监测报告，可以在几十分钟内完成工作，极大提高了工作效率。

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Research on Monitoring and Warning Model of Large Cantilever Structure Construction

GAN Mengxian，HU Peng

P258

B

0494-0911(2014)09-0097-03

2014-03-27

安徽省自然科学基金(KJ2013B098)

甘梦仙(1986—)，女，江西上饶人，硕士，研究方向为数字智能化测绘。

甘梦仙，胡鹏.大悬挑结构施工监测及预警模型研究[J].测绘通报，2014(9)：97-99.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0305