专利名称：木梁柱荷载传递变形网格化信息监控方法
技术领域：
本发明涉及一种建筑物的施工技术，具体涉及一种历史老建筑的结构修缮和梁、 柱、板在有使用荷载的情况下的整体替换技术。在其多层砖木结构建筑的改造修缮过程中， 保留上部需要正常使用的楼层和屋盖以及外墙的情况下，整体托换下面几个楼层的木地板、木梁、木柱。为保证整个建筑在改造托换施工期间的安全，所采取的托换荷载传递、变形所采取的网格化信息监控方法。
背景技术：
历史建筑一般是指历史遗留下来的具有较长年代的寺、庙、殿、楼、塔、宫、陵等或一些名人居住、发生重大事件的特色建筑，通常具有很高的文化价值、研究价值以及观赏保留和保护价值。上海老城区相当多的历史建筑虽然经历了漫长的时代变迁，但仍然在现代城市中担当着重要角色，但极大多数砖木结构建筑已经处于危房等级，其建筑使用功能也无法满足经济发展需求。在修缮保护利用中“替梁换柱”的技术需求已经成为修缮改造成败的关键，采取一种科学的可控的梁柱替换改造方法，才能真正起到城市风貌延续和历史建筑保护在利用的目的。按照传统的修缮施工，凭经验和单一的方法来判断建筑结构件替换改造过程的安全性，已无法满足保护和修缮改造的二全要求。为此，研究提供一种网格化、可全面精确跟踪和监测建筑改造施工工况，其结构受力构件替换过程变形实况参数与预先建立的理论结构数学模型同步比较，达到预控的监测方法是本发明的出发点。
发明内容
本发明针对现有建筑梁柱改造替换技术所存在的缺陷，而提供一种木梁、木柱承担的荷载在替换、卸载过程对构件变形采取的网格化信息化监控方法，该信息化监控方法在一种历史老建筑，其多层砖木结构改造修缮过程中，可全面收集、跟踪、对比、监测施工过程中各个阶段改造工程涉及的结构和构件的重要工程力学参数，给予现场施工人员直观的替换构件变形数据指导建议，监督施工过程合理安排，起到安全预警作用，确保工程安全有效地进行。为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案I、木梁柱荷载传递变形网格化信息监控方法，所述网格化信息监控方法包括如下步骤(I)应用施工仿真技术预先对施工工况全过程和中心关键技术路线建立数学模型，实现模拟分析，较准确地预测了新、老替换结构构件的变形和内力；(2)对梁柱应变、梁柱位移，柱轴力，外墙和室内独立基础沉降以及外墙裂缝进行监测，形成网格化监控(2. I)梁柱应变监测在原木结构梁、柱上布置应变信息点，在新替换的结构梁、柱上布置应变信息点，通过无线传输的方式实时与建立的数学模型同步比较梁、柱应力变化差异；(2. 2)梁柱位移监测在每根将替换的木柱附近布置3个位移信息点，在保留的木梁上同样布置位移信息点，新梁上布置对称位移信息点，新柱顶端布置位移信息点；通过无线传输和记录表的方式实时与建立的数学模型同步比较梁、柱受压、受弯变化差异；(2. 3)柱轴力监测在替代柱顶端布置轴力信息点，通过该轴力信息点实时监测上部荷载转移至新柱的轴力变化；(2. 4)外墙和室内独立基础沉降监测在外墙根据不同楼层布置相应的位移信息点，通过测量各个位移信息点的三维坐标计算出每段墙面的水平倾斜与竖直倾斜；根据施工工况确定的梁、柱托换顺序选取相应的独立桩基设置相应的沉降信息点，实时监测室内独立基础的沉降；(2. 5)外墙裂缝监测用5_厚石膏顺着原裂缝方向以100等宽粉刷，在石膏硬化后定时、定期拍摄裂缝发展控制点，并以此观测裂缝的发展的情况，以直观信息，提供置换程序参数调整参考；(3)将网格化监控的数据与施工仿真分析结果进行对比和联系，形成网格化动态信息监控，保证施工过程变形控制处于设计安全范围内。进一步的，所述步骤(2. 4)中外墙沉降监测通过如下步骤进行(2.41)首先在建筑物周围选取两个可通视的点作为测量控制点；(2. 411)通过这两测量控制点设定临时坐标系，通过观测位移信息点的三维坐标计算出每个点水平位移和竖直位移；(2. 4III)通过计算同一墙面的3个位移信息点的坐标计算出墙面的垂直度，通过对垂直度的变化的监控墙体的倾斜度。再进一步的，所述步骤(2. 4)中室内独立基础沉降监测通过如下步骤进行(2.4a)在待施工建筑物附近选取一市政布设的高程控制点或在某个不会沉降的建筑物的墙上做上标记作为测量控制点；(2.4b)从测量控制点引一条导线到建筑物外围，再测量布置的沉降信息点的高程，从而计算出各个沉降信息点的沉降情况。根据上述技术方案形成的本发明能够在调平上部荷载至新钢结构梁、柱时，保证上部使用结构和相邻空间的建筑构件变形达到同步建筑力学模型所建立的构件受控变形值的最佳点，即无突出突变、无震动、无裂缝。同时该网格化信息监控方法将施工仿真技术与网格化监控技术相结合，形成网格化信息监控技术，可全面跟踪监测施工过程中各个阶段结构和构件的重要工程参数，由以前点状监控变成网络化监控，主要包括施工仿真分析、木结构梁、柱的应变和位移、轴力、建筑物外墙和室内独立基础的沉降以及外墙裂缝监测以及计算数据与监测结果相结合等三个部分。根据监测和计算结果，给出全过程监测记录，给予现场施工指导性建议，监督施工过程合理进行，起到安全预警作用，确保工程安全顺利地进行。与现有技术相比，本发明还具有以下优点(I)在砖木混合结构上实施监测。(2)由单一的应力应变监测发展到整合垂直轴力监测，更直观的表达结构变化，并解决应力监测单一滞后的难题。(3)监测信息传递由有线方式变为无线方式。(4)由原来的点状监测变为网格状监测。
以下结合附图
和具体实施方式
来进一步说明本发明。图I为本发明的流程图。图2为梁柱的应变信息点布置示意图。图3为木梁、新梁及新柱位移信息点布置示意图。图4为轴力信息点布置示意图。图5为北面外墙信息点布置图。图6为西面外墙信息点布置图。图7为桩基测量点布置图。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。本发明提供的木梁柱荷载传递变形网格化信息监控方法，包括如下步骤(参见图
I)(I)应用施工仿真技术预先对施工全过程和中心关键技术进行模拟分析，较准确地预测了结构的变形和内力。(2)对梁柱应变、梁柱位移，柱轴力，外墙和室内独立基础沉降以及外墙裂缝进行监测，形成有机整体，解决以前应力点状监测数据滞后的难题，有以前的点状监控变成网格化监控；(2. I)梁柱应变监测在原木结构梁、柱上布置应变信息点，在新替换的结构梁、 柱上布置应变信息点，通过无线传输的方式实时与设计结构模型同步比较梁、柱应力变化
差异;(2. 2)梁柱位移监测在每根将替换的木柱附近布置3个位移信息点，在保留的木梁上同样布置位移信息点，新梁上布置对称位移信息点，新柱顶端布置位移信息点；通过无线传输和记录表的方式实时与设计结构模型同步比较梁、柱受压、受弯变化差异。(2. 3)柱轴力监测在替代柱顶端布置轴力信息点，通过该轴力信息点实时监测上部荷载转移至新柱的轴力变化；(2. 4)外墙和室内独立基础沉降监测外墙监测在外墙根据不同楼层布置相应的位移信息点，通过测量各个位移信息点的三维坐标计算出每段墙面的水平倾斜与竖直倾斜；室内独立基础沉降监测根据施工工况确定的梁、柱托换顺序相应的独立桩基设置信息的信息点，实时监测室内独立基础的沉降；
(2. 5)外墙裂缝监测用5mm厚石膏顺着原裂缝方向以100等宽粉刷，在石膏硬化后定时、定期用高像素数码相机拍摄裂缝发展控制点，在电脑上放大倍数，观测裂缝的发展的情况，以直观信息，提供置换程序参数调整参考。(3)将网格化监控的可靠数据与施工仿真分析结果进行对比和联系，形成网格化信息监控技术，保证施工过程的安全。基于上述方案，本发明的具体实施如下该实施例是处于市中心老城区，具有80多年的历史建筑，工程建筑面积约4350m2， 工程建筑层数为5层，工程结构类型为砖木混合结构。该工程按设计要求在建筑物的外立面不改变和无损保护的基础上，拆除建筑物内I 4层的木结构楼层，包括大梁、立柱、填充墙等设施，用新的钢结构梁、柱和混凝土楼板替换原结构，并保留五层以上还需要正常使用的房屋结构。为此，在该工程施工过程中建筑构件变形信息监测设计内容主要有以下几点(I)施工全过程仿真分析计算；(2. I)施工过程中原木梁、木柱的应变以及托换以后新钢梁、新柱的应变；(2. 2)施工过程中上部结构体系转换前后末端木梁、木柱、新梁以及新柱的位移；(2. 3)施工过程中结构体系转换前后替代钢柱的轴力变化值；(2. 4)施工过程中建筑物外墙的变形以及室内独立基础的沉降变化值；(2. 5)施工过程中外墙裂缝的发展监测。为达到上述要求，其具体过程如下一、施工全过程仿真分析本工程采用通用有限元分析软件对建筑物大楼改建工况进行了全过程模拟仿真分析，通过有限元对施工全过程的仿真分析可以较好地了解结构各个施工阶段的变形影响因素，通过仿真计算对结构的力学响应进行分析，对结构在施工过程中发生的情况进行提前预测，从而为网格化信息监控提供详细比对资料，为施工工况设计提供技术参考，并提出预警控制设定值的合理建议，以确保施工过程的安全。有限元模型采用MIDAS/CIVIL建立，根据设计单位提供的相关图纸建立有限元模型。(I)单元类型在本次施工过程模拟分析中主要采用梁单元、板单元以及桁架单元三种类型，其中梁单元主楼用来模拟木梁木柱以及钢梁和钢柱构件，板单元主要用来模拟墙体，桁架单元用来模拟顶升过程中的千斤顶。(2)材料在本次施工过程模拟分析木结构采用松木模拟；墙体强度等级砖为MU7. 5，砂浆为MU2. 5 ;原结构混凝土强度按照C20考虑；新建钢结构材料为Q345，劲性结构钢结构采用 Q345，内部混凝土强度等级C40。(3)边界条件在本次施工过程模拟分析中，柱结构边界条件为固结，墙体为三相铰接，钢梁与墙体连接形式也采用固结。(4)荷载
在本次施工过程模拟分析中荷载主要考虑结构自重、恒载和活载。自重由有限元软件自动计算；木楼面恒载取0. 9kN/m2，瓦屋面恒载0. 55kN/m2，100厚现浇混凝土板恒载 3. OkN/m2 ;五楼使用活荷载取I. OkN/m2。(5)工况分析本工程拟在保留原结构五层以及外立面墙的基础上，托换I 4层木结构为钢结构，拆除I 4层原建筑物内的隔墙、地板、桁条、大梁、立柱、填充墙等设施，在钢结构托换木结构的过程中主要考虑千斤顶顶升的施工方式模拟。表I施工阶段描述
权利要求
1.木梁柱荷载传递变形网格化信息监控方法，其特征在于，所述网格化信息监控方法包括如下步骤(1)应用施工仿真技术预先对施工工况全过程和中心关键技术路线建立数学模型，实现模拟分析，较准确地预测了新、老替换结构构件的变形和内力；(2)对梁柱应变、梁柱位移，柱轴力，外墙和室内独立基础沉降以及外墙裂缝进行监测， 形成网格化监控(2. I)梁柱应变监测在原木结构梁、柱上布置应变信息点，在新替换的结构梁、柱上布置应变信息点，通过无线传输的方式实时与建立的数学模型同步比较梁、柱应力变化差巳升；(2. 2)梁柱位移监测在每根将替换的木柱附近布置3个位移信息点，在保留的木梁上同样布置位移信息点，新梁上布置对称位移信息点，新柱顶端布置位移信息点；通过无线传输和记录表的方式实时与建立的数学模型同步比较梁、柱受压、受弯变化差异；(2. 3)柱轴力监测在替代柱顶端布置轴力信息点，通过该轴力信息点实时监测上部荷载转移至新柱的轴力变化；(2. 4)外墙和室内独立基础沉降监测在外墙根据不同楼层布置相应的位移信息点， 通过测量各个位移信息点的三维坐标计算出每段墙面的水平倾斜与竖直倾斜；根据施工工况确定的梁、柱托换顺序选取相应的独立桩基设置相应的沉降信息点，实时监测室内独立基础的沉降；(2. 5)外墙裂缝监测用5_厚石膏顺着原裂缝方向以100等宽粉刷，在石膏硬化后定时、定期拍摄裂缝发展控制点，并以此观测裂缝的发展的情况，以直观信息，提供置换程序参数调整参考；(3)将网格化监控的数据与施工仿真分析结果进行对比和联系，形成网格化动态信息监控，保证施工过程变形控制处于设计安全范围内。
2.根据权利要求I所述的木梁柱荷载传递变形网格化信息监控方法，其特征在于，所述步骤(2. 4)中外墙沉降监测通过如下步骤进行(2.41)首先在建筑物周围选取两个可通视的点作为测量控制点；(2. 411)通过这两测量控制点设定临时坐标系，通过观测位移信息点的三维坐标计算出每个点水平位移和竖直位移；(2. 4III)通过计算同一墙面的3个位移信息点的坐标计算出墙面的垂直度，通过对垂直度的变化的监控墙体的倾斜度。
3.根据权利要求I所述的木梁柱荷载传递变形网格化信息监控方法，其特征在于，所述步骤(2.4)中室内独立基础沉降监测通过如下步骤进行(2. 4a)在待施工建筑物附近选取一市政布设的高程控制点或在某个不会沉降的建筑物的墙上做上标记作为测量控制点；(2. 4b)从测量控制点引一条导线到建筑物外围，再测量布置的沉降信息点的高程，从而计算出各个沉降信息点的沉降情况。
全文摘要
本发明公开了老砖木结构建筑带荷载的木梁、木柱在替换改造施工过程中，荷载改变和传递过程所产生的结构梁、柱构件变形所采取的网格化信息监控方法，其包括如下步骤(1)应用施工仿真技术预先对施工全过程和中心关键工序进行模拟分析；(2)对梁柱应变、梁柱位移，柱轴力，外墙和室内独立基础沉降以及外墙裂缝进行垂直监测，形成有机整体，由点状监控变成网格化监控；(3)用网格化监控的信息数据与施工仿真分析数学模型结果进行实时对比和关联，形成网格化信息监控技术。本发明能够在调平上部荷载至新结构梁、柱时，保证上部结构和相邻空间的建筑构件变形达到建筑力学模型所建立的构件受控变形值的最佳点，即无突变、无震动、无裂缝。
文档编号E04B1/26GK102605860SQ20111002685
公开日2012年7月25日 申请日期2011年1月25日 优先权日2011年1月25日
发明者俞强, 刘淳, 王辉平, 葛倩华, 陈帅, 黄玮征 申请人:上海市建筑装饰工程有限公司