既有工业建筑及吊车梁物联成像技术健康检测*

吴慧明 宋 词 林小飞

(浙江开天工程技术有限公司，浙江宁波 315100)

既有工业建筑，如钢铁厂、机械制造厂、水泥厂、化工厂，使用期长达几十年，甚至上百年。在其服役过程中，由于环境作用、疲劳效应等不利因素的影响，结构不可避免地产生损伤积累、抗力减小，甚至导致事故发生［1］。如不能了解结构的健康情况，做出正确的维修或报废决策，一旦事故发生就会带来巨大的损失。因此重要结构的健康检测已成为世界性研究的热点。吊车梁系统是工业厂房的重要组成部分，承载着在其上行走的吊车，吊车梁结构的健康状态直接关系到厂房的安全。据有关部门统计，我国大部分钢结构吊车梁未达到设计使用年限就产生早期破坏，其中80% ～90%的破坏是疲劳引起的，疲劳破坏成为钢结构的主要失效形式。本文以某机械制造厂吊车梁为测试对象，结合物联成像技术的优点，对吊车及吊车梁进行健康安全检测［2-3］。

1 物联成像技术简介

1.1 物联成像技术原理

物联成像技术原理如图1所示，以原始基准点C1观测测点B1的变形，修正B1点相对位移量后，以B1点作为第一传递基准点观测检测点 B2、B3、B4的变形，通过时间控制块、采用控制模块定时进行数据采集，数据经过预处理模块处理，再通过4G通信模块传至数据终端(手机、电脑等)，最后采用专门的后处理软件进行处理及输出。也可以采用C1→B1→B2→B3→B4→B1→C1的闭合量测方法，在同一瞬间集群化同时同步采样，数据精度与可靠度进一步提高，是传统方法无法实现的［4］。

图1 物联成像技术原理示意Fig.1 Schematic diagram of the IOT-IT principle

1.2 物联成像设备

本次研发的物联成像设备集合物联网技术及激光成像技术(图2)，由激光发射器、激光接收器(包括成像设备、隐形数字标定靶、自检模块、时间控制模块、采样控制模块、数据预处理模块、4G通信模块)、数据终端(后处理软件及输出)三部分组成。基础组件为单发器、单收器，可根据需要组合成单发+单收、单发+多收、多发 +单收、多发 +多收等多种形式的复合组件，灵活的设备组合提供传统方法无法实现的量测系统优化设计。安装系统中可配置自动垂直或水平校准装置。

图2 物联成像设备示意Fig.2 Schematic diagram of the IOT-IT equipment

1.3 物联成像设备主要参量

1.3.1 检测精度

隐形数字标定靶(图3)，是在成像板上设定的一种虚拟数字坐标，设块、区、格、刻度，最小刻度可以根据设备像素设定，现已开发出 0.005，0.01，0.1，0.5，1 mm 五种型号设备，不同检测对象可以采用不同刻度的设备，如吊车梁检测宜采用0.01 mm刻度。标定靶可以通过自检模块进行标定［5］。

1.3.2 测 距

测距是指激光发射器与激光接收器间的距离，测距越大则布置设备越少、成本越低，但精度也会降低，可根据检测对象的要求优化选定，如吊车梁检测一般采用精度0.01 mm、量距不大于30 m的型号设备。

已开发的五种型号设备均有匹配的精度与量距，可根据检测对象要求选择不同型号的设备［6］。

1.3.3 测试环境

环境温度为-300～+500℃，风力不大于4级［7］。

2 应用实例

2.1 工程概况

宁波市某机械加工厂厂房已使用15年，总面积10 108 m2，其中一区厂房内设有2跨吊车梁，每跨各自配备3台行吊，行吊额定起吊量均为50 kN，如图4所示(图中仅示意受检吊车)。吊车主梁跨度24 m，吊车梁柱间距7.4 m，距地表9.0 m;由于吊车主梁及吊车梁的工作应力水平较大、工作频次较高、使用年限较长，易产生疲劳损伤，且厂家还将进一步提高使用频次，为此需对吊车主梁、吊车梁进行一次健康检查，重点检查项为在使用频次最高荷载(30 kN)时、起吊点在不同位置的多种工况条件下，吊车主梁与吊车梁的变形。本次检查为Ⓐ—Ⓓ、⑤—⑥吊车，Ⓓ—Ⓖ、②—③吊车。

图3 标定靶示意Fig.3 Schematic diagram of the calibration target

图4 一区厂房结构平面Fig.4 Plan of plant structure of zone 1

传统变形检查方法一般采用高精度经纬仪结合千分表的方法进行，量测操作困难、实际精度很难控制，为此采用物联成像设备进行检测，并与千分表检测数据进行对比［8］。

2.2 检测方案

以Ⓐ—Ⓓ、⑤—⑥吊车为例，本次针对该吊车主梁、吊车梁分别设计2组试验，每组分3种试验工况，试验荷载均为30 kN。c1、c2、c3为3种吊车梁检测工况，分别代表荷载在⑤、⑤—⑥中间、⑥上;s1、s2、s3为吊车主梁检测工况，分别代表荷载在吊车主梁的Ⓐ、Ⓐ—Ⓓ中间、Ⓓ上。试验装置采用8组单发+单收物联成像设备，采用精度0.01 mm、量距不大于30 m的型号设备，由于吊车梁高度太高无法采用千分表进行柱顶变形检测，故在Ⓐ-⑤、Ⓐ-⑥两柱底布置沉降检测点，同时在这两检测点处布置物联成像设备用于数据对比。

其中Ⓐ-⑤、Ⓐ-⑥两柱底沉降检测分别采用物联设备与千分表同时进行，物联设备编号为1号、2号，千分表编号为Q1、Q2，布置位置见图5;用于检测吊车梁变形的物联设备编号为3号、4号、5号，布置位置见图5;用于检测吊车主梁变形的物联设备编号为 6 号、7 号、8 号，布置位置见图 6［9］。

图5 3种工况下各设备布置示意Fig.5 Schematic diagram of equipment layout under 3 working conditions

3 检测结果

s1、s2、s3 工况与 c1、c2、c3 工况其实属于联合检测工况，例如s1工况下、分别完成 c1、c2、c3三种工况的检测，故 s1、s2、s3 工况与 c1、c2、c3 工况组成9种组合工况，实测9组数据，每组数据又包含10个实测值，分别为：用于检测吊车梁的3号、4号、5号;用于检测吊车主梁的6号、7号、8号;用于检测柱端变形的1号、2号、Q1、Q2。表 1—表3分别列出了9种组合工况的90个实测值。

图6 s1—s3工况时设备布置示意Fig.6 Schematic diagram of equipment layout under working condition s1 to s3

表1 s1-c1/c2/c3工况下变形检测数据Table 1 Detection data of s1-c1/c2/c3 conditions mm

表2 s2-c1/c2/c3工况下变形检测数据Table 2 Detection data of s2-c1/c2/c3 conditions mm

4 结果分析

4.1 物联设备与千分表检测结果分析

Ⓐ-⑤、Ⓐ-⑥两柱底沉降检测分别采用物联设备与千分表同时进行，物联设备编号为1号、2号，千分表编号为Q1、Q2，根据表1—表3，将两种方法的检测结果进行比对，结果见表4—表6。

表3 s3-c1/c2/c3工况下变形检测数据Table 3 Detection data of s3-c1/c2/c3 conditions mm

表4 s1-c1/c2/c3工况检测结果比对Table 4 Comparison of test results of s1-c1/c2/c3 conditions mm

表5 s2-c1/c2/c3工况检测结果比对Table 5 Comparison of test results of s2-c1/c2/c3 conditions mm

表6 s3-c1/c2/c3工况检测结果比对Table 6 Comparison of test results of s3-c1/c2/c3 conditions mm

从表4—表6可以看出：9种组合工况下物联成像法较传统千分表法，实测最大差值仅为0.137 mm，说明采用物联成像技术检测位移变形是可靠的，而且能很好解决传统法无法或很难实施的高、大构件变形与位移的检测。

4.2 吊车梁、吊车主梁变形检测结果分析

4号、7号分别为吊车梁、吊车主梁的中间点，也是位移最大点。将4号、7号两个代表性检测点在每一工况下的数据整理成图7。

图7 典型测点不同工况下变形Fig.7 Deformation of typical measuring points under different working conditions

本次物联成像技术检测结果(图7)表明，荷载作用下的吊车主梁、吊车梁挠度均较小、无异常突变，吊车及吊车梁均处于安全可靠状态［10］。

5 结束语

通过对比试验，对物联成像技术在既有工业建筑吊车梁健康检查中的应用进行总结，可以得到以下结论：

1)物联成像方法可采用远距离采样，无需安装基准梁，能克服周围环境与安装条件影响，检测成果更趋真值。

2)物联成像设备可随时校准，比传统方法精度更高。

3)对人员和机械设备来说，物联成像技术也是一种比传统方法更安全的新技术。

4)物联成像方法还可以根据需要设计成闭合回路测试路径，达到检测集群能在同一时间同步检测的效果，能做到传统方法无法完成的同一时刻数据回零验证。