基于光纤光栅传感技术建筑倾斜监测方法研究

林 彬

(福建博海工程技术有限公司 福建福州 350000)

0 引言

建筑物在施工或使用过程中，因各种各样的原因常常会发生几何变形。这种变形如果超过了规定的限值，就会影响建筑物的正常使用，甚至危及建筑物的安全。因此，在工程建筑施工和运营期间，必须对其进行变形监测。变形监测内容，主要有位移、沉降、倾斜、裂缝监测[1]等，其中倾斜监测是建筑物变形观测的主要内容之一，也是恒量建筑物安全使用的一个重要指标[2]。

常用的倾斜监测方法主要有4种[1]：吊锤线法、经纬仪投测法、激光铅垂仪投测法及全站仪测量法。前两种方法具有仪器设备简单、施工方法简便的优点，被施工单位广泛采用。但这些方法受外界风力、场地条件影响较大，在高层建筑垂直度检测过程中具体操作起来比较困难，而且精度较低，只有在建筑物比较低或在进行竖向轴线传递的时候使用[3-4]。激光铅垂仪投测法的优点是方便、快捷、直观，对施工场地没有特殊的要求，但预留孔洞的大小在施工中不易掌握，其尺寸小了不便于投测，大了则对仪器和人员不安全，而且在建筑物上方遮挡物(防护网)较多时不易使用。全站仪现在已在工程测量中普遍应用，利用全站仪无棱镜测距功能或者结合反射片代替反光镜等方法，可以测得建筑的倾斜，但该方法对周围环境通视性要求高，监测时受天气影响大，且有一定的监测距离限制。

光纤光栅传感技术作为一种新型的监测技术，具有测量精度高、传输距离长、可操作性强、耐久实用以及自动采集数据等优势，为弥补常用的倾斜度检测方法存在的不足提供了良好的技术手段[5]。本文将光纤光栅传感器连同钢筋埋入建筑角柱中，利用测得应变数值和相关几何关系，得到建筑角柱每层沿X、Y方向的位移值，然后结合规范中给出的建筑倾斜公式，建立了基于分布式光纤光栅传感技术建筑倾斜监测方法，同时结合福州一中高层建筑实际工程对本文监测方法进行验证。

1 建筑倾斜监测方法

在施工和运营过程中，建筑由于受到外荷载的作用，外墙面及建筑角柱会产生一定限度范围的倾斜。外荷载作用的方向可能垂直于外墙面，也可能沿着外墙面，因此本文假定建筑外立面同时有垂直于外墙面和沿着外墙面的倾斜变形，并建立了如图1所示的直角坐标系。

图1 建筑外墙倾斜示意图

在实际工程中，倾斜观测点通常选取建筑的阳角及阴角处，外立面其它部位一般不布设倾斜观测点，因此本文对建筑倾斜的研究对象为建筑的阳角及阴角。由图1可知，建筑角柱倾斜由垂直于外墙面和沿着外墙面的倾斜变形组成，因此角柱的实际变形应为垂直于外墙面和沿着外墙面的倾斜变形的矢量和。基此，本文规定沿着X方向的倾斜变形为vX，沿着Y方向的倾斜变形为vY，倾斜变形矢量和为vS。

1.1 光纤光栅传感器布设安装

如图2所示，在建筑角柱浇筑前，将光纤光栅传感器成对沿着X和Y方向布设在钢筋骨架的一个钢筋中。选取的钢筋尽量靠近柱子的外侧，以免浇筑混凝土时，破坏了光纤光栅传感器。同时，为了保证光纤光栅传感器与钢筋变形一致，粘贴光纤所用胶结材料凝固后弹性模量应与钢筋弹性模量接近。光纤光栅传感器粘贴好后，用纱布或者防水胶带缠绕一圈，以防光纤光栅传感器在混凝土浇筑振捣过程中脱落。在安装时，注意保证钢筋粘贴光纤光栅传感器位置与墙体倾斜方向垂直。

图2 光纤光栅埋设布置图

1.2 基于光纤光栅传感技术的建筑倾斜监测方法

假定建筑每层高度为h，一共有n层，总建筑高度为H。沿建筑铅锤方向自下而上将钢筋等分为n个单元，编号分别为E1～En，则单元长度L=H/n。在n个单元内分别布置n对沿着X方向和Y方向的光纤光栅传感器，简化模型示意图如图3所示。

材料力学[6]给出了拉杆纵向线应变，定义每单位长度的伸长(或缩短)，称为线应变，用ε表示。

(1)

式中：Δl为杆的总变形量；l表示杆的原长。

由式(1)可以得到光纤光栅传感器产生的应变与光纤光栅长度公式。

(2)

图3 沿建筑X方向及Y方向钢筋计算简化模型

(3)

(4)

将式(2)和式(3)及式(2)和式(4)整理得到

(5)

(6)

相对于建筑高度而言，倾斜变形为小变形，此时结构的几何关系仍然满足勾股定理，因此可以得到沿着X方向的建筑倾斜位移和沿着Y方向的建筑倾斜位移。

(7)

(8)

由每层建筑节点的倾斜位移为沿着X方向的建筑倾斜位移和沿着Y方向的建筑倾斜位移的矢量和，则可得到每层建筑节点处倾斜位移vs。

(9)

建筑结构基础固接，可以将建筑结构等效为一根悬臂梁，每层结构倾斜变形由该层产生的变形及下部结构产生的变形组成，因此顶层的建筑节点倾斜位移为每层建筑节点倾斜位移之和。

(10)

规范[7]给出了倾斜i的计算公式

(11)

将式(10)代入式(11)得

(12)

2 工程实例验证

本文工程实例为福飞南路改造工程安置房二期工程20栋倾斜监测项目。该项目位于福州市鼓楼区五凤街道，建筑面积1149m2，建筑总高度32.4m，建筑层数9层。在建筑的6个角柱处分别选取了1根靠近墙体的钢筋，每根钢筋划分为18个单元，各单元布置2对，分别沿X方向和沿Y方向的光纤光栅传感器；每个光纤光栅的长度为1.8m，并且对6个角柱的顶端和底部进行编号，编号为1，1′；2，2′；3，3′；4，4′；5，5′；6，6′。光纤光栅传感器布置完成后，连接SmartScope光纤光栅调制解调仪，对光纤光栅传感器初始数据清零。建筑光纤光栅传感器平面布置图及现场布置图如图4～图5所示。该工程为在建工程，周围无遮挡物，视线良好，适于全站仪观测。因此，本文将全站仪观测的倾斜数据作为真实值，用于验证本文提出的建筑倾斜监测方法。

图4 建筑光纤光栅传感器平面布置示意图

图5 建筑光纤光栅传感器现场布置图

按规范[1]规定的监测频率要求，倾斜监测的周期，宜根据倾斜速率每1个月～3个月观测1次。同时，规范[7]规定，建筑物封顶后，应每3个月观测一次，观测一年。如果最后两个观测周期的平均沉降速率小于0.02mm/日，建筑物趋于稳定，如果各点的沉降速率均小于0.02mm/日，即可终止监测。基此结合上述规定，该项目的倾斜监测频率为3个月，一共监测4次。全站仪采用徕卡TS09PLUS1″R30，其测量得到的柱子顶端和底部坐标数据如表1所示。

表1 全站仪测得的住宅上下监测点的三维坐标

鉴于光纤光栅监测的数据较多，本文只列出了最后一次的光纤光栅传感器沿X方向和Y方向的平均应变值如图6所示。

图6 光纤光栅传感器测得应变值

将测得应变值代入到公式(12)中，计算出本文提出方法的倾斜。全站仪测得三维坐标按式(13)[2]，计算出全站仪测得倾斜，并对比二者之间的相对误差，计算结果如表2所示。

表2 利用本文方法和全站仪测得倾斜

从表2不难发现，本文提出的方法测得倾斜与全站仪测得倾斜相对误差最大在4%范围以内，从而验证本文提出的基于光纤光栅传感技术的建筑倾斜监测方法的正确性。

(13)

3 结论

(1)该监测方法不受天气、建筑周围环境以及建筑高度的影响，能够弥补目前倾斜度监测方法存在的不足。

(2)光纤光栅传感器能够自动采集数据，布置好后，可以远程操作，节约人力。

(3)基于光纤光栅传感技术的建筑倾斜监测方法有很高的计算精度，可在中高层、高层及超高层建筑物的倾斜度监测中推广应用。

[1] JGJ8-2016 建筑变形测量规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2] 田萍，李飞，周波.免棱镜全站仪解析法测量建筑物倾斜度的应用[J].水利与建筑工程学报，2014，12(4)：112-115.

[3] 刘庆金，特殊悬高之测量方法[J].测绘通报，2006(3)：43-45

[4] 顾孝烈，鲍峰，程效军.测量学[M].上海：同济大学出版社，1999

[5] 马豪豪，姚贝贝.光纤布拉格光栅传感技术在边坡监测中的应用[J].公路交通科技，2013，30(10)：28-32.

[6] 孙训方, 方孝淑, 关来泰.材料力学[M].北京:高等教育出版社, 2010:19-20.

[7] GB 50026-2007 工程测量[S].北京：中国计划出版社，2008.