基于有限元分析的公路收费站砖混建筑施工监测方法

李亦达（甘肃省公路建设管理集团有限公司，甘肃庆阳 745700）

公路收费站多采用砖混建筑，这种建筑结构建设成本低，且施工便捷[1]，但是在砖混建筑施工过程中，对于砖混建筑的质量把握极为重要[2]，假使公路收费站砖混建筑施工存在质量问题，那么将很大程度地影响建筑墙体的完整性，降低房屋的抗震性能，影响房屋建筑的耐久性能，对收费站工作人员带来很大的安全隐患[3]。传统的公路收费站砖混建筑施工监测方法存有弊端，不能保证施工监测数据的准确性[4]，为此，本文提出基于有限元分析的公路收费站砖混建筑施工监测方法，对公路收费站施工过程进行监督，以保证施工质量的可靠性。

本文从三个方面设计了相应的施工监测方法，通过布置施工光纤传感器设备与全站仪，在对砖混建筑施工进行测点布置的基础上，使用ABAQUS软件建立施工监测的有限元模型，实时分析建筑施工状态的监测数据。实验结果表明，本文设计的监测方法能够获得精准的监测数据，对于砖混建筑施工监测方面具有显著的实际意义。

1 基于有限元分析的公路收费站砖混建筑施工监测方法设计

1.1 施工光纤传感器设备布置

为了对砖混建筑进行施工监测，首先需要现场布置检测设备，确定砖混建筑施工监测点。在布置监测设备前，本文考察施工地的实际地形以及环境条件，并且分析施工阶段，布置相应的监测仪器[5]。本文使用的监测仪器为光纤水准仪、位移计传感器和变阻式传感器等，同时，使用TPS1201+型全站仪对建筑结构整体进行三维监测。本文使用的光纤类监测仪器以及传感器，测量精度高，灵敏度强，并且具有良好的稳定性，能实现对公路收费站砖混建筑施工过程中全过程的监测。

本文针对公路收费站施工情况，确定监测点，以便对砖混建筑施工过程进行全面监测。在确定监测点时，需要全面考虑建筑施工过程中砖混结构的最大应力处，以及应力变化幅度大的结构件部位，以布置在结构节点之间的中间部位为宜。测点布置示意图如图1所示。

图1 测点布置俯视示意图

传感器是施工检测的主要信息采集仪器，能够获取砖混结构的环境温度参数以及建筑结构的信息变化参数。本文设计的监测点中，光纤水准仪布置4台，监测建筑的竖向变化，监测频率为每天2次；光纤位移计传感器布置8台，监测建筑施工的侧向变化，频率为每周2次。

在信号传输方面，使用集线器和读数仪对传感器感应的信号参数进行读取传输，同时，为保证所得监测数据的及时性，使用计算机网络连接监测设备，便于实时收集监测数据，能够处理收集的信息参数，进行存储、绘制图表等操作，实现施工过程的自动监测。

在确定好收费站砖混建筑施工监测点之后，使用TZ20H-I型机器对砖混收费站建设过程中的建筑质量进行振动测试，记录振动前、振动中以及振动后的施工质量参数。

传感器是施工检测的主要信息采集仪器，能够获取砖混结构的环境温度参数以及建筑结构的信息变化参数。本文设计的监测点中，光纤水准仪布置4台，监测建筑的竖向变化，监测频率为每天2次；光纤位移计传感器布置8台，监测建筑施工的侧向变化，频率为每周2次。

在信号传输方面，使用集线器和读数仪对传感器感应的信号参数进行读取传输，同时，为保证所得监测数据的及时性，使用计算机网络连接监测设备，便于实时收集监测数据，能够处理收集的信息参数，进行存储、绘制图表等操作，实现施工过程的自动监测。

在确定好收费站砖混建筑施工监测点之后，使用TZ20H-I型机器对砖混收费站建设过程中的建筑质量进行振动测试，记录振动前、振动中以及振动后的施工质量参数。

1.2 基于ABAQUS的施工监测有限元模型构建

在布置好监测点，并铺设相关设备之后，就可以对收费站砖混建筑进行施工监测，本文使用有限元分析方法对收费站砖混建筑施工进行分析，建立施工监测的有限元模型。

本文使用ABAQUS软件对收费站进行施工建模，该软件能够实现对砖混结构以及相应的土体结构的模拟。由于砖混建筑的有限元模型较为复杂，因此，本文使用摩尔库伦计算方法进行优化调整，相应公式表示为：

式中αt表示的是剪切的强度参数；

a表示的是施工材料的粘聚力参数；

β表示的是正应力参数；

χ表示的是建筑材料之间的摩擦角参数。

相应的关系公式表示如下：

式中β1、β3均为剪切面的正应力。

综合上述3个公式，经过整理可以得出：

在建立的有限元模型中，正应力变化是具有各向同性的，那么相应的屈服函数可以表示为：

式中Qmc表示的是该模型的偏应力系数参数；

d表示的是模型等效应力的参数；

p表示的是模型的等效压应力参数。

假设Qmc(r,x)是模型屈服面e之内的某一向量参数，可以得出如下公式：

1.3 施工监测数据实时分析

本文在建立好施工监测的有限元模型后，分析光纤监测仪器的监测数据。由于公路收费站周围车辆流动大，因此极易受到振动损坏，对收费站砖混建筑的结构影响也很严重，为此，分析建筑的土质位移情况以及地基沉降问题，判断收费站砖混建筑的施工安全性。

首先，需要确定砖混建筑施工监测的评价标准，本文以实际施工需要为基础，确定了几个监测标准，包括建筑结构的强度、结构刚度、结构稳定平衡度以及施工过程中的设计规范标准等四方面。

在强度要求方面，需要保证在砖混建筑施工过程当中，相应的建筑材料能够承受适当的应力，包括抗拉强度、屈服强度等，保证施工过程安全。

在刚度要求方面，需要保证砖混建筑在施工过程中保持一定的刚度，在施工完成后整体也仍有着较强的抵抗变形的性能。

在稳定平衡度要求方面，本文对建筑的钢结构持续监测，避免出现钢结构受力变形、不能保持平衡的情况，严重影响建筑安全。

对于设计规范标准要求方面，本文对收费站砖混建筑施工过程进行监测，保证建筑结构满足设计要求，严格符合建筑施工的验收规范，保证砖混建筑的施工质量。

在本文设计的施工监测方法中，使用相应的计算方法对收集的信号数据进行处理，便于分析数据结果，本文使用的光纤传感器监测的是建筑结构的波长变化，相应的处理公式为：

式中δ表示的是光纤的中心波长参数；

c表示的是纤芯的有效折射率参数；

∂表示的是布拉格周期，当受到应力时δ的参数都将变化。

我们还需进一步将布拉格波通过计算，转化为相应的建筑结构应变量，具体的公式表示如下：

式中δω表示的是建筑结构的布拉格波长参数；

δω0表示的是光纤传感器不受束缚时，所监测到的布拉格波长参数；

ΔR表示的是温度的变化量参数，单位为℃。

对于建筑结构的刚体应力计算，本文使用振动监测测得刚体的振动频率参数，使用相应的计算方法，将其转化为刚体的张力参数，具体关系公式如下所示：

式中H-表示的是刚体的振动频率参数；

T-表示的是刚体张力参数；

M-表示的是刚体单位长度下的相应质量参数；

N-表示的是刚体的长度参数。

通过上述计算方法，求出砖混建筑施工过程中建筑刚体的应力变化，从而分析出刚体的张力变化，分析出建筑结构的刚度。

2 实验论证分析

为验证本文设计的基于有限元分析的监测方法的有效性，进行实验论证，为保证本实验的严谨性，本文分别使用传统方法与本文设计方法进行实验，具体的实验准备与实验结果如下。

2.1 实验准备

本实验以某公路收费站工程K作为实验对象，该收费站设计为海鸥状造型，收费亭设计在海鸥左、右翼之下，共设6条入车道，12条出车道。在收费站中心设置管理楼，内部布置监控室与指挥室，同时，还有员工休息室以及其他设施建设。该收费站整体采用钢结构作为建筑框架结构，在此基础上进行砖混结构工程施工。总建筑长186m，高约12.3m，建筑面积约为1900m2。

在该砖混建筑工程施工过程中，本文布设1台TPS1201全站仪，全站仪的位置选择在视野开阔区，距收费站约20m处，放置全站仪进行自动跟踪，避免树木遮挡全站仪视野。同时，布设4个位移监测控制点，保证在施工过程中对收费站砖混结构的建筑变形监测的全面性。确定好监测点以及布设监测仪器后，本文使用计算机进行连接，设置监测频率为每天2次，共计监测30d。分别使用传统电阻应变监测方法与本文设计的基于有限元分析的监测方法，对监测数据进行分析，记录并整理实验数据。

2.2 实验结果

通过上述实验，本文布设的监测点测得了该收费站立柱的水平位移数据，计算机记录了监测点位的坐标数据，具体情况如表1所示。

表1 监测立柱的水平位移坐标数据表

从表1可以看出，在该收费站砖混建筑施工过程中，以立柱1、2为例，立柱发生了应力位移。其中，在监测的30d内，立柱1在X方向上水平位移了0.140mm，在Y方向上水平位移了-0.243mm；立柱2的应力位移量，X方向为0.035mm，Y方向位移了-0.143mm。因此，本文设计方法进行砖混建筑结构应力变化监测，所测得的监测数据精准，数据分析及时。

为进一步进行对比实验，以立柱1为对象，本文分别记录了两种方法下的立柱位移监测变化参数，对比有限元分析计算的预测值，并制成了位移变化曲线图，具体结果如图2所示。

分析图2可以看出，与计算机预测建模的应变位移量相比，本文设计的方法明显在预测精度上更具优势。从监测值走向与预测值走向来看，本文设计方法检测到的柱体结构位移量基本围绕预测值变化，误差仅在很小范围内，测量参数更加精准。而传统方法测量的数值不仅大大低于预测的位移量，其整体测量走势也有很大区别，差值将近0.01mm。

图2 位移变化曲线图

上述实验结果表明，本文设计的基于有限元分析的施工监测方法，所获得的监测数据更加精准，能够保证数据分析的及时性与针对性，在保证砖混建筑施工质量方面具有明显的实际意义。

3 结语

本文在有限元分析的基础上，设计了相应的砖混建筑施工监测方法，实验结果表明，本文设计的监测方法能够获得精准的监测数据，对于砖混建筑施工监测方面具有明显的实际意义。