超高层建筑施工阶段力学性能模拟与应力监测

摘 要：为展示超高层建筑施工阶段的应力变化，为施工提供便利条件，本文对超高层建筑施工阶段力学性能模拟与应力监测进行研究。通过超高层建筑施工阶段力学性能模拟、主体结构应力监测点布置、应变传感器感知的测点频率-应变计算、监测点应力发展曲线调取与可视化，最后实现应力监测应用。通过设计新的监测技术，保障施工阶段的安全性和保证质量。

关键词：BIM技术；超高层建筑；应力监测

中图分类号：TU 74" " 文献标志码：A

在施工过程中，由于超高层建筑高度高、结构复杂等特点，因此容易受到多种因素的影响，例如风力、地震、施工荷载等，导致结构内部产生应力[1]。如果这些应力超过结构的承载能力，就可能引发结构破坏或倒塌等安全事故。因此，通过应力监测，可以及时掌握结构在施工过程中的受力状态，采取相应的措施进行安全控制，保障施工安全性。

超高层建筑的施工过程复杂，需要针对不同的施工阶段和工况进行施工工艺设计。通过应力监测，可以实时获取结构在施工过程中的实际受力状态和变形情况，为施工工艺优化提供科学依据。对监测数据进行分析，可以判断当前施工工艺是否合理，以改进、优化与调整方案。超高层建筑的质量要求非常高，需要保证每个施工环节的准确性和可靠性[2]。通过应力监测，可以对结构的整体性能进行评估，及时发现和解决潜在的质量问题，以此判断结构的长期性能和安全性，为工程验收和维护提供依据。

因此，在实际施工过程中，应加强对超高层建筑施工阶段力学性能模拟与应力监测的重视和应用，建立完善的监测体系，保障超高层建筑的施工安全和保证质量。

1 超高层建筑施工阶段力学性能模拟

超高层建筑施工阶段的力学性能模拟对评估结构的整体性能、预测施工过程中的应力和变形情况、优化施工工艺等都具有重要的意义。因此，以某超高层建筑为例，对其施工阶段进行针对性力学性能模拟。为保证模拟结果的可靠性，模拟前，对建筑的基本情况进行分析[3]。该建筑是集会议、办公、金融、酒店住宿、休闲娱乐为一体的综合体建筑，属于试点地区的大型、地标性建筑，建筑设计高度为320m，预期该项目的层数为68层，每层约为4.5m，整体结构按照典型的核心筒框架结构设计形成。裙房建筑的层数为7，主要为VIP 用户提供专项金融服务。

掌握本工程项目的基本情况后，将建筑相关参数录入计算机，建立超高层建筑的结构模型，包括梁、柱、板、墙等组成部分[4]。当建立模型时，需要考虑施工过程的影响，例如施工荷载、施工顺序、支撑体系等。结构模型应该能够准确地反映实际工程的细节和特征，为后续的模拟分析提供基础。

在模拟分析前，需要定义结构的边界条件和荷载[5]。边界条件包括固定支撑、弹性支撑、滑动支撑等，应根据实际工程的施工条件和要求进行设定。荷载包括施工荷载、自重、风载、地震等，应综合考虑并进行加载。完成相关参数录入后，利用建立的模型和定义的边界条件和荷载，可以进行模拟分析，包括静力分析、动力分析、屈曲分析等。静力分析主要用来分析结构在静力作用下的应力和变形情况，动力分析主要用来分析结构在动力作用下的响应和稳定性，屈曲分析主要用来分析结构的稳定性和屈曲临界荷载[6]。根据模拟结果与应力分析的需求，计算在竖向方向上的位移，如公式（1）所示。

（1）

式中：y（x）为建筑悬臂梁结构模型在竖向方向x上的位移；f（α）为建筑悬臂梁结构上的荷载分布函数；k（τ）为建筑结构轴向刚度。

在上述内容的基础上，为保证超高层建筑在建成后，可以在抗震、抗风方面等具有较好的性能，应明确建筑悬臂梁结构上的荷载分布函数f（α），建筑截面会随着建筑高度增加而呈现对应的线性变化趋势，设定建筑截面用A（τ）表示。则f（α）、A（τ）可以用公式（2）表示。

（2）

式中：m、n为线性函数的比例系数；α为荷载分布函数的自变量；τ为建筑截面的自变量；f0为初始荷载分布；A0为建筑截面初始面积。

完成施工或建筑施工接近后续阶段后，对建筑结构任意位移进行变形模拟，如公式（3）所示。

（3）

式中：H为建筑结构抗压标准；E为建筑结构所用材料的弹性模量。

根据模拟分析的结果，可以对施工工艺和设计方案进行优化。例如，通过调整支撑体系的设计、改进施工顺序、改变材料性质等措施，改善结构的力学性能和施工过程的安全性。在模拟分析和监测数据验证的过程中，如果发现模型存在偏差或错误，就需要及时进行反馈和修正。反馈包括向建模人员提出问题、提供改进建议等，修正包括对模型进行修改、调整参数等[7]。通过反馈和修正，可以不断提高模型的准确性和可靠性。参照上述方式，对超高层建筑施工阶段的力学性能进行模拟。

2 超高层建筑应力监测

2.1 主体结构应力监测点布置

对超高层建筑进行应力监测需要布设各主体结构应力的监测点。主体结构包括巨型柱、剪力墙核心筒等。针对不同的主体结构，布设应力监测点的方式不同。对巨型柱来说，可选取多个重点控制截面进行监测点布设，如图1所示。

该巨柱是一种新型的“H”形钢梁，其搭接部分是在现场焊接而成。当布置测点时，要充分考虑焊接应力、残余应力等因素。按照图1所示的方式完成监测点的布设可以保证获得的数据更具有效性。布设剪力墙核心筒测点如图2所示。

监测范围为钢板剪力墙和二次框架柱的钢板外侧以及与钢板50 mm的距离。在钢板墙的6个方位对称地选择了6个位置，并在各板心、纵-横焊缝中间点各设两个方向的测量点。在4个角上分别设置测点。在整个钢板的表面设置多个测点，实时地监测焊接过程中钢板的受力情况和焊接时的残余应力[8]。同时，每层选择2根二级框架柱，在柱底钢板外侧沿轴线方向布设2个测点。

2.2 应变传感器感知的测点频率-应变计算

弦振动应变传感器工作性能好，抗干扰能力强，工作量大，测量精度符合监测指标，已广泛用于超高层建筑结构的应力测量。因此，采用弦振应变传感器对超高层建筑进行应力监测。

振弦应力传感器以张拉传感器内的钢弦线为工作模式，随着结构移动，钢弦线也会随之而动，在不同的变形条件下，其振动频率和变形之间存在一对一的对应关系。在对测点进行应力监测的过程中，首先用电磁线圈激励钢振弦，其次对其进行频率测试，参考传感器规范文件中的有关参数，最后与传感器的频率-应变关系式相结合，得出各测点的应变值。

结合应变传感器感知的测点频率-应变计算公式得出结构应变量，如公式（4）所示。

με=K×（X2-F2）+C×（t-T） " "（4）

式中：με为微应变；K为传感器的率定系数；X为监测时间频率值；F为监测点初始状态时的频率值；C为传感器温度系数；t为监测过程中温度变化值；T为监测点周围环境温度。

在此基础上，提出了一种基于多个传感器的分布式无线传感器网络。将各数据采集单元与整个数据采集单元进行串联。为了达到监控系统长时间供电的目的，在采集装置上加装了一个配电箱。该系统采用4G通信技术，将通信单元和云计算平台的虚拟机服务器相连接。

2.3 监测点应力发展曲线调取与可视化

在监测的过程中，可以通过云平台自动绘制各监测点上的应力变化曲线，并根据曲线变化情况预测应力发展趋势，进一步对结构风险等进行评估。在此基础上，通过云计算平台对各钢板的应力变化进行分析。采用三维有限元软件对其进行三维有限元建模，并通过优化设计，对其进行放大、缩小、移动等功能。贴花照片只能在现实、光追踪、渲染3种模式下观看。例如，安装在钢筋混凝土剪力墙右侧的传感器，为了防止阳光直接照射到钢板剪力墙上，可对日光方向进行自由设定，保证视图效果。

本文采用 VB语言与计算机技术相结合的方法，对云平台的应力测试系统进行优化，将相应的传感器号码输入软件中，单击“显示监测点应力曲线改变”的按钮，即可在图片插件中清晰展现监测点上的应力变化。在超高层建筑施工阶段，应力的变化是一个复杂的过程，需要实时监测和记录。通过调取应力发展曲线，可以清楚地了解应力的变化趋势和规律。在实际操作中，可以通过以下步骤调取应力发展曲线。①确定需要调取的监测点，并记录监测点的位置和编号。②选择适当的时间段，例如施工的某个阶段或某个时间段内，对应力数据进行采集和记录。③将采集的应力数据输入数据处理分析软件中，生成应力发展曲线。④根据需要，对生成的应力发展曲线进行修正和完善，保证数据的准确性和完整性。

应力发展曲线可视化是超高层建筑施工阶段监测的重要环节之一。通过对应力发展曲线进行可视化处理，可以更加直观地了解应力的变化情况，为施工提供参考和指导。在实际操作中，可以通过以下步骤实现应力发展曲线的可视化。①利用数据处理分析软件将应力发展曲线绘制成图表或图像。②根据需要，对绘制的图表或图像进行美化，使其更加清晰易懂。③在施工现场设置专门的展示区域，将打印或输出的图表或图像进行展示，以便施工人员随时了解应力的变化情况。

调取与可视化超高层建筑施工阶段监测点应力发展曲线是保障施工安全和保证质量的重要手段之一，通过将BIM技术和计算机技术有机地结合起来，建立一套完善的超高层建筑监控系统，对各节点的应力变化曲线进行快速检索与可视化，提高其应用能力，为超高层建筑的应力监测工作奠定基础。

3 应力监测应用

完成上述相关内容的设计后，利用计算机中的VB语言，选择测点，对施工阶段的建筑进行应力监测，采用这种方式，检验并证明设计的监测方法是否能在应用中达到预期的效果。

在该过程中，技术人员可以在监控软件的运行界面中，将相应的压力传感器号输入压力传感器号中，移动鼠标操作界面，单击“产生和显示应力发展曲线”。通过这种方式，驱动传感器，生成监测点应力发展可视化界面。以建筑结构中编号为“120251-058”的传感器为例，按照图3，展示监测点的应力发展情况。

从图3可以看出，本文提出的方法可以对监测点应力发展情况进行可视化监测。

4 结语

超高层建筑施工阶段应力监测技术的发展，推动了建筑施工技术的进步和创新。通过引入先进的监测设备和仪器，可以实时监控和智能化管理结构内部状态，提高了施工的精度和效率，推动建筑行业的科技创新和发展。因此，本文以某超高层建筑为例，对建筑施工阶段力学性能模拟与应力监测进行设计与研究。

通过本次研究，明确了在建筑施工阶段，力学性能模拟与应力监测方法设计研究是非常重要的。对施工阶段的力学性能进行模拟，可以更好地了解结构的整体性能，预测施工过程中的应力和变形情况，为施工工艺优化提供科学依据。同时，通过设计应力监测方法，可以实时监控和智能化管理结构内部状态，提高施工的精度和效率。

建筑施工阶段力学性能模拟对评估结构的整体性能、预测施工过程中的应力和变形情况、优化施工工艺等都具有重要的意义。同时，建立完善的监测系统是建筑施工阶段应力监测的关键，需要加强对监测设备和仪器的维护和管理，保证数据的准确性和可靠性。未来研究方向包括优化力学性能模拟的算法和精度、研究新的应力监测方法和设备、建立更加智能化的监测系统等方面，以此保障施工全过程的安全以及保证质量。

参考文献

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