玉佛禅寺大雄宝殿移位监测系统（Ⅱ）：结构形变监测数据的分析

谢丽宇 张 睿 卢文胜，* 张凤亮

（1.同济大学结构防灾减灾工程系，上海200092；2.同济大学建筑物移位技术研究中心，上海200092）

0 引 言

采用姊妹篇《玉佛禅寺大雄宝殿移位监测系统（Ⅰ）：监测系统的设计与实现》中所建立的设计方法，建立大雄宝殿移位监测系统，实现大雄宝殿在移位施工中的实时监测，以保证移位施工的安全进行。

玉佛禅寺移位监测系统由传感器系统、数据采集与无线传输系统、数据管理分析系统和网络终端组成。本工程的传感器系统由静力水准仪、倾角仪、激光位移计和应变计组成。静力水准仪测量主体结构的高程变化，激光位移计测量佛像和梁柱榫卯节点等关键部位的变形，倾角仪用于测量佛台和木柱等关键部位的倾斜变形，应变计测量佛台四周托换钢架的应变变化［1-3］。

本文基于监测数据，研究结构整体姿态、木柱、榫卯节点和佛像的变形情况，进一步探讨移位施工对结构状态产生的影响并对结构的安全性能进行评价。

1 监测数据分析原则

玉佛禅寺大雄宝殿于2017 年9 月2 日上午正式启动平移工程，并于9 月8 日上午平移到位；于2017 年9 月12 日正式启动顶升工程，并于9 月14日顶升到位。本次研究采用2017 年8 月29 日至2017 年9 月9 日期间的监测数据进行分析，时间包括移位前、移位中和移位后。为探讨移位施工对结构性能的影响，并对不同传感器的监测数据进行对比分析，本次研究的数据均取相对于初始值的变化值。

本工程采用的传感器拥有不同的采样周期，为方便数据分析，将监测数据以1 h为单位进行数据分析，类似于平滑处理，即取每1 h 的监测数据平均值作为这1 h的监测数据代表值，因此所有监测数据的采样周期调整为1 h。

为验证采样周期调整为1 h的合理性，以一个静力水准仪的监测数据为例进行分析。静力水准仪原始监测数据的采样周期为30 s，分别绘制采样周期为30 s 和1 h 的时程变化曲线，结果如图1所示。可见采样周期为30 s 和1 h 的时程曲线几乎重合。因此，采样周期采用1 h可以满足数据分析的要求，本次研究除特殊说明外，采样周期均采用1 h。

2 结构形变分析

2.1 整体结构姿态变化

为监测整体结构的竖向变形，在围墙四个角部和中央佛台上布置了静力水准仪。其中静力水准仪HL2、HL4 和HL5 的位置是静力水准仪的基准点。绘制其他静力水准仪相对于基准点的相对变化值的时程曲线，如下图所示。由图中可见，在移位之前静力水准仪数值几乎保持不变。移位开始后，静力水准仪数值开始明显变化，离散性增强。其中，位于结构南侧顶推位置的静力水准仪HL-1、HL-3 的变化较为明显，最大的竖向相对变形为2.1 mm；位于佛台的静力水准仪HL-6的变化相对较小，最大的竖向相对变形为0.6 mm。

在移位前后，分别选取A、B、C、D 四个时间点，分别代表移位之前、移位开始、移位期间和移位结束（图2）。将静力水准仪按照相同基准点的原则，分成HL-1、HL-2，HL-3、HL-4 和HL-5、HL-6三组。假定底盘结构是一个理想变形体，满足均匀连续性、各向同性和小变形假设。即底盘结构是由密实无空隙的连续分布的材料构成，物体上任一部分材料的力学性质都相同，材料沿不同方向都具有相同的力学性质。将每组静力水准仪的位置连成直线，并按照变形协调的原则连接成网格，绘制整体结构的竖向变形图示意图，如图3 所示，其中虚线网格代表结构的初始位置。

图1 静力水准仪变化值：不同采样间隔Fig.1 Variation of the hydrostatic leveling：different sample interval

2.2 木柱倾斜角

整体结构的倾斜会导致木柱倾斜，同理木柱的倾斜变化也反映了整体结构的倾斜情况。某些关键木柱上布置了倾角仪（IC5-IC-12），其中IC5和IC6为双轴倾角仪，测量木柱沿X/Y方向的倾斜角，其中IC7-IC-12 为单轴倾角仪，测量木柱沿X方向的倾斜角。每个倾角仪测量的木柱偏移角如图4 所示。由图可知，木柱倾斜角的变化范围在-0.4°～0.4°。按照《古建筑木结构维护与加固技术规范》［4］第4.1.7 条的规定，对于抬梁式结构，柱头与柱脚的相对位移应大于1/90 柱高，换算成倾斜角，即倾斜角不应大于0.637°。因此，木柱的倾斜角变化满足规范要求。

以倾角仪IC7 测量的倾斜角变化量为例，研究其在移位施工前后的数据变化。结果如图5 所示，表明在移位施工之前和之后，木柱倾斜角变化不大，离散性较小，异常值较少。而在移位施工期间，木柱倾斜角变化变大，离散性增强，异常值增多。

图2 静力水准仪变化值Fig.2 Variation of the hydrostatic leveling

2.3 木柱水平方向偏移角

对于安装双轴倾角仪的木柱，可以测得木柱沿X/Y 方向的倾斜角，通过数学关系式可求出柱子的水平偏移角，计算原理如图6所示。

以安装双轴倾角仪IC-5 的木柱为例，木柱沿X/Y方向的倾斜角如图7所示，木柱水平方向偏移角计算结果如图8所示。由结果可知，木柱沿X/Y方向的倾斜角变化趋势相似。尤其在移位施工之前，木柱沿X/Y 方向的倾斜角变化几乎相同，水平偏移角始终在45°左右。可见，在移位施工前，该木柱的倾斜角度虽然在不断变化，但木柱的水平偏移方向即倾斜趋势是趋于稳定一致的。但在移位施工以后，木柱倾斜角和水平偏移角开始明显变化，离散性增强。

图3 整体结构竖向变形示意图（单位：mm）Fig.3 Overall structural settlement deformation（Unit：mm）

2.4 榫卯节点变形

激光位移计分别安装在梁的上下表面，测得其与木柱的相对距离，可求得榫相对于木柱的位移，且在已知梁高的情况下，可以得出梁相对于木柱的转角。计算原理如图9 所示。通过数据分析，在移位前后，大梁与木柱交界的榫卯节点部位没有发生明显的变形。

图4 木柱倾斜角变化值Fig.4 Angle of inclination variation of wooden columns

图5 某一木柱倾斜角变化值Fig.5 Angle of inclination variation of a wooden column

图6 水平偏移角计算原理Fig.6 Calculation principle of horizontal offset angle

2.5 佛台托换钢架应变

在佛台的托换底盘钢结构的四周表面布置应变计SG1-SG4。钢结构应变在平移顶升过程中的数据变化幅度小于45 微应变，设计规定的钢结构微应变在-100～100 微应变范围内（按钢材设计强度的1/10取值）［5］，满足要求（图10）。

图7 木柱倾斜角Fig.7 Angle of inclination of wooden columns

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

图9 节点变形计算原理Fig.9 Calculation principle of joint deformation

2.6 佛像倾斜

佛像的支撑框架上布置了6 个激光位移计LR5-LR10，其中3 个安装在支撑框架的高位，另外3 个安装在支撑框架的低位。激光位移计测得相应位置的距离变化量，在已知支撑框架高位与低位高度差的情况下，可以得出佛像沿Y 方向的倾斜角（图11）。

佛台上也安装了2 个双轴倾角仪IC1 和IC2，可以测得佛台沿Y方向的倾斜角（图12）。对比图11 和图12 的结果可以发现，在移位施工前，佛台和佛台上的佛像几乎没有发生倾斜。移位施工以后，佛台和佛像的倾斜角变化量增加，并且离散性增强。同时，佛台和佛像整体倾斜方向一致。

图10 钢结构应变Fig.10 The strain of steel structure

图11 佛像倾斜角Fig.11 Angle of inclination of buddha statue

图12 佛台倾斜角Fig.12 Angle of inclination of pedestal

3 结 论

基于监测数据，并依据以往文献资料总结和实际工程经验［6-9］，可以得出移位施工过程中，主体结构各个监测项目的实际变化值，进而得到移位施工对结构产生的影响。将结论总结如下，并对结构的安全性能进行评价。

（1）在结构移位施工期间，安装在墙面、佛台和木柱上的静力水准仪和倾角仪测量数据变化量增加，离散性增强，说明玉佛禅寺大雄宝殿在移位施工过程中，整体结构产生了竖向不均匀变形。且由于移位的顶推装置布置在主体结构的南侧，结构南侧的沉降变化量和离散性都比结构其他部位更大。但整体变化量不大，可知整体结构在平移顶升施工过程并未发生显著的偏移、下沉或旋转。

（2）在结构移位施工期间，木柱倾斜角和水平偏移角变化量增加，离散性增强。但整体变化量不大，且在移位施工之后，木柱的倾斜角和水平偏移角变化量减小，离散性减弱。表明移位施工过程中，木柱并未发生显著的倾斜或下沉。

（3）安装在大殿顶部横向、纵向梁上的激光测距仪的测量数据在移位施工前后几乎保持不变，可知柱子在平移过程并未发生显著的倾斜或下沉，且大梁与木柱交界的卯榫节点部位没有发生明显的变形。

（4）佛台托换钢结构在结构移位施工过程中的应变变化幅度在设计规定的钢结构微应变范围内，满足要求。表明移位施工过程中，佛台及佛台托换结构并未发生显著的变形。

（5）安装在佛台上的静力水准仪和倾角仪，以及正对佛像的激光测距仪的测量数据在平移期间变化量增加，离散性增强。但变化量不大，前后几乎保持不变，可知佛像在平移过程与整体结构几乎保持相对静止，并未发生显著的相对移动、倾斜或旋转。且不同传感器的监测数据可以相互印证，证明监测方案合理可靠。

（6）移位监测系统可以真实反映移位施工过程对结构性能的影响。不仅可以得到结构整体姿态的变化，也可以得到关键部位的变形位移情况，包括木柱、榫卯节点和佛像等。通过设定合理的监测方案，移位监测系统可以实时监控并反馈监测情况，保证施工的安全进行。对移位工程和木结构的监测系统设计和数据分析有一定的工程指导意义。