高层建筑物的变形观测

高层建筑物的变形观测 摘要:高层建筑物变形观测是周期性地对设置在建筑物上的观测点进 行重复观测，求得 观测点位置的变化量。在变形观测中，观测方法、观测点的选择、观 测时间的确定、观测精度等均要符合工程测量要求。高层建筑物变形 观测的主要内容:包括建筑物的沉降、倾斜、裂缝和平移观测。 关键词:高层、变形，观测、数据、处理、发展 目 录 绪 论.......................................................................... 2 第一章 变形观测的主要内容 ...................................................... 2 1.1 概述.......................................................................... 2 1.1 变形观测的主要内容 ............................................................ 5 1.3 变形观测的精度和频率 .......................................................... 6 1.4 建筑物变形观测的布设 .......................................................... 7 第二章 高层建筑物的变形分析 .................................................... 8 2.1 前言.......................................................................... 8 2.2 沉降观测 ...................................................................... 8 2.3 倾斜观测 ..................................................................... 13 2.4 位移观测 ..................................................................... 16 2.5 裂缝观测 ..................................................................... 17 第三章 变形观测数据处理以及实例分析 ........................................... 18 3.1 变形分析 ..................................................................... 18 3.2 实例分析 ..................................................................... 20 3.3 变形观测成果的整理与分析 ..................................................... 22 第四章 高层建筑变形观测未来发展趋势 ........................................... 23 4.1 应用地面摄影测量方法进行变形观测 ............................................. 23 4.2 应用全球定位系统(GPS)进行变形观测 .......................................... 23 4.3 总结......................................................................... 24 主要参考文献 ................................................................... 24 致 谢......................................................... 错误～未定义书签。 附 录......................................................................... 25 绪 论 工程测量是从人类生产实践中发展起来的一门历史悠久的科学，是人 类与自然作斗争的一种手段。翻开人类历史，在文化最先发达的地区，都 有测量工作的史实记载。例如早在公元前27世纪，诶及大金字塔的建设， 其形状与方向都很准确，这说明当时已有放样的工具和方法。以后随着历 史文化的发展，随着科学技术的进步，工程建设项目愈来愈多，规模愈来 愈大，内容愈来愈复杂，其对测量工作的要求也愈来愈高，这就在测绘科 学这个领域内逐渐形成了“工程测量学”这测仅作门学科。 工程建筑物的变形观测，在我国还是一门比较年轻的学科，就目前出版的有关测量专业的书刊来看，没有专门的变形观测的著述，变形观为工程测量中的一个章节来简单阐述。但是近年来随着我国建设事业的发展，建筑物规模的扩大，建筑市场的规范，变形观测也日趋重要。 变形观测的工作内容(如图1): 沉陷与回弹性 倾斜观测 挠度观测 裂缝观测 位移观测 图1 变形观测工作内容 第一章 变形观测的主要内容 1.1 概述 在城市建设中，高层建筑占有相当大的比重。解放前，在上海、广州、天津等城市，由国外设计建造了少量高层建筑。新中国成立后，五十年代我国开始自行设计建造高层建筑，如北京的民族饭店(14 层)、民航大楼(16层)等。六十年代建成的广州宾馆(27层)，其高度与解放前最高的上海国际饭店相同。七十年代北京、上海、广州等地建成了一批剪力墙结构住宅和旅馆。1975年广州白云宾馆(剪力墙结构33层、112米)的建成，标志着我国自行设计建造的高层建筑高度开始突破100米。八十年代我国高层建筑发展进入兴盛时期，十年内全国(不包括香港、澳门、台湾)建成10层以上的高层建筑面积约4000万平方米，高度100米以上的共有 12幢。 1985年建成的深圳国际贸易中心(筒中筒结构、50层、160米)是八十年代最高的建筑。九十年代我国高层建筑进入飞跃发展的阶段。截至1998年末，全国(不包括香港、澳门、台湾)建成的10层以上高层建筑面积约2亿5千万平方米，高度100米以上的高层建筑达200幢，其中150米以上的100幢， 200米以上的20幢，300米以上的3幢，最高的上海金茂大厦88层、365米、塔尖高度420米。1995年发布的世界最高的100栋建筑中上海金茂大厦、深圳地王大厦(81层、325米)和广州中天广场(80层、322米)分别列为第4、13和14名。另有460米高的上海环球金融中心正在建造中。 在国外，高层建筑起始于19世纪末期。进入20世纪，由于工业技术的进步，高层建筑发展加快，例如美国1907年在纽约建造了高度187m共47层的辛尔摩天大楼;1931年建造了高381m共102层的帝国大厦;1973年建造了高411m共110层的世界贸易中心大厦;1974年在芝加哥又建造了高443m共110层的西尔斯大楼。到目前为止，世界上已建成的最高建筑物是马来西亚吉隆坡的吉隆坡塔，总高450m共85层。我国改革开放以来的高层建筑如雨后春笋般地拔地而起，目前我国最高的建筑已超过80层，总高300m。目前对高层建筑划分的各国不一致，但绝大多数都以建筑物的层数和高度作为划分依据。如美国规定高度25m以上或7层以上，英国规定高度在24.3m以上，法国规定居住建筑高度在50m以上，而其他建筑高度在28m以上，日本则把8层以上或高度超过31m的建筑称为高层建筑。1972年在国际高层建筑会议上，对高层建筑的起点，统一规定为9层，其高度小于50m;超高层建筑为40层以上，其高度大于100m。 我国根据目前城市登高消防器材，消防车供水能力等实际情况，参考国外高层与多层建筑的界限，确定适合我国高层建筑的起始高度为24m，其划分标准见下表。 1.1.1 引起建筑变形有下面几个因素 (1)自然条件及其变化而引起建筑物变形。建筑物地基的工程地质条件、水文地质条件、土壤的物理性质、大气温度等因素引起建筑物变形。如:由于基础的地质条件不同，引起建 筑物各个部分不均匀沉降，使其发生倾斜、位移、裂缝等变形;或由于地基本身的塑性变形也会引起建筑物不均匀沉降;同时由于温度与地下水位的季节性和周期性变化引起建筑物的规律性变形。 (2)建筑物自身的荷载大小、结构类型、高度及其动荷载(如风力大小、振动强弱)等引起建筑物变形。要减弱这方面影响，往往通过优化#设计#来实现。 (3)由于建筑物施工或使用期间一些工作做得不合理，或由于周围环境影响而产生的变形。例如:在高大建筑物周围进行深基坑开挖，就会对其原有建筑物产生影响。以上引起变形的因素是相互联系、相互作用的，对建筑物往往是共同作用的，只是不同时间段，不同因素的作用强弱不同而已。 1.1.2 变形观测的重要性 在建筑物施工期间和运营管理期间，有些业主对变形观测往往是有名无实，当建筑物出现明显的变形才采取一定的补救措施，进行加固处理，如果出现了严重的变形，再采取何种措施恐怕是亡羊补牢，为时已晚。比如在1993年春季，某市国际城房地产开发在其东邻地段新建14层框架结 构、沉管灌注桩基础的商住综合楼及4层裙房。1993年夏季开工，完成深基坑土石方任务后，工程暂停。1994年度进行桩基础施工，1995年进行上部结构施工。1995年夏季，该新、老办公楼2楼结合部首先发现竖向斜裂纹。继而在3楼结合部亦发现裂纹，逐渐发展成裂缝，最大宽度在35 cm之间。并在新楼1层的东端，即土工实验室的开土室的内外墙的窗台下均发现羽状细密斜裂缝。同时，位于院内独立的2层食堂的灶房天棚、墙壁、地面均发生多处裂缝、错位及隆起，已不能继续正常使用。在这种情况下，施工单位除进行向开发部门提出暂停施工、请房地部门鉴定破坏程序等工作外，及时对新、老办公楼进行了变形观测。包括建筑物纵向、横向两个方向上的位移变形，即沉降量、倾斜量观测。同时对各部位的裂纹、裂缝进行观察。通过上述工作，旨在掌握建筑物变形的发展趋势，为进一步分析产生建筑物变形的诸多原因和寻求处理方案提供依据。又如在2001年，山西省某单位集食堂和办公为一体的一座3层楼，这是一个人群较为集中的地方，其墙身发生了明显的裂缝，基于该单位及时采取地基加固处理，才幸免于生命、财产的损失。而2O04年3月，阳泉一施工工地由于新建建筑物基坑的开挖，引起相邻建筑物基础产生了很大裂缝，且没有采取及时有效的措施，结果发生塌方事故，造成1人死亡，如果在基坑开挖时，对相邻建筑物进行变形观测，而且能够采取及时相应的补救措施，那就不会有人员伤亡。由于在管理上存在缺陷，诸如此类的例子举不胜举，所以，建议各建设、施工单位等都应加强管理，建筑物在施工、运营管理阶段中，变形观测是必不可少的，定期的变形观测能确保建筑物的 结构安全。 建筑物变形观测是周期性地对设置在建筑物上的观测点进行重复观测，求得观测点位置的变化量。在变形观测中，观测方法、观测点的选择、观测时间的确定、观测精度等均要符合工程测量规范要求。 1.1.3 变形观测具有以下特点 1、 变形观测属于安全监测，有内部观测和外部观测两个方面。内部观测内容有建筑物的内部应力、温度变化的测量、动力特性以及其加速度的测定等，一般不由测量工作者完成。外部观测的主要内容主要有沉降观测、位移观测、倾斜观测、裂缝观测和挠度观测等。内部观测与外部观测之间有着密切的联系，应同时进行，以便在资料分析是可以相互验证与补充。 2、 观测精度要求高。由于变形观测结果直接关系到对建筑物的安全稳定做出正确判断，影响对变形原因和变形规律的正确分析，因此，和其他测量工作相比，变性观测必须具有很高的精度。 3、 需要进行重复观测。建筑物由于各种原因的变形都有个时间过程，而变形观测的任务是周期性地对观测点进行重复观测，计算出建筑物上同一观测点在两个观测周期间的坐标差和高程差(坐标和高程的变化量)。有时为求得瞬时变形，则应采用各种自动记录仪器记录器瞬时位置或瞬时状态。 4、 要求采用严密的数据处理方法。建筑物的变形量一般较小有时甚至难以与观测误差区分开来;同时，大量重复观测使原始数据增多，要从不同时期的大量观测数据中精确获得变形信息，必须采用严密的数据处理方法。 1.1 变形观测的主要内容 建筑物的变形观测包括建筑物的沉降、倾斜、裂缝和平移观测。 1.2.1 建筑物沉降观测 一、水准点的布设 1) 水准点尽量与观测点接近，其距离应在20m,100m，以保证观测的精度。 2) 水准点布设在建(构)筑物、基础压力影响及受振动范围以外的稳定点。 3) 离开铁路、公路和地下管道至少5m。 4) 水准点埋设深度至少要在冰冻线下0(5m，以保证稳定性。 5) 水准点的数目应不少于3个。 二、沉降观测点的布设 在民用建筑中，一般沿建筑物四周每隔10 m,20 m设一观测点，在房屋转角、变形缝两侧、基础形式改变处、新旧建筑物基础连接处及地质条件改变处等也应设置。 当建筑物宽 大于15 m时，还应在房屋内部纵轴线上和楼梯问布置观测点。工业厂房的观测点可设在柱子、承重墙、厂房转角、大型设备基础及较大荷载的周围。厂房拟建时，应在连接处两侧设观测点。高大圆形的构筑物，应在基础的对称线上设观测点。总之，观测点应设在能表示出沉降特征的点。沉降观测点设置形式(如图1): 图1 沉降观测点的设置形式 三、沉降观测 沉降观测的时间与精度要求依工程性质和进度、地基土质、荷载增加及沉降情况而定。一般在埋设的观测点稳定后进行第一次观测。施工中，在增加较大荷载前后均应进行观测。当基础附近地面荷载突然增加，周围大量积水或暴雨后，或周围大量挖方等，也应观测。如施工期间中途停工时间较长，应在停止时和复工前各观测一次;当发生大量沉降或严重裂缝时，应进行逐日或几天一次的连续观测。工程竣工后，应连续进行观测，观测时间的间隔，可按沉降量大小及速度而定。在开始时，间隔短一些，1月,2月一次，以每次沉降量在5mm,10mm为限，否则应增加观测次数，以后随着沉降速度的减慢，可逐渐延长观测周期(3个月)，直至沉降稳定为止(沉降量不超过1mm)。 1.2.2 建筑物倾斜观测 以一般建筑物为例，将经纬仪安置在离建筑物的距离大于其高度1(5倍的固定测站上，瞄准上部一明显标志的观测点，用盘左和盘右分中投点法定出下面的观测点。用同样的方法，在与原观测方向垂直的另一方向，定出上观测点与下观测点。相隔一段时间后，在原固定测站上安置经纬仪，分别瞄准上两观测点，仍用盘左和盘右分中投点法得出两下观测点，如果这两观测点和原来两次观测点不重合，说明建筑物发生了倾斜。 1.2.3 建筑物平移观测 平移观测是根据平面控制点测定建(构)筑物的平面位置随时间移动的大小和方向。观测时，可在垂直于移动方向上建立一条基线，在建(构)筑物上埋设一些观测标志，定期测量各标志偏离基准线的距离，就可了解建 (构)筑物随时间位移的情况。总而言之，随着我国经济建设飞速发展，各种结构的建筑物不断兴建，如大型的体育馆、购物中心及娱乐场所等，虽在设计中已考虑了各种因素，但也应在设计过程中组织测量部门参与。建议任何单位在施工运营管理期间都应加强变形观测这一环节，这样能够及时发现建筑物变形情况，以便及时采取相应的措施，确保建筑物结构安全，从而避免不必要的生命和财产的损失。 1.3 变形观测的精度和频率 1.3.1 变形观测的精度 工程建筑物的变形观测能否达到预定目的，要受很多因素的影响。其中，最基本的因素是观测点的布置、观测的精度与频率，以及每次观测所进行的时间。 变形观测的精度要求，取决于某建筑物预计的允许变形值的大小和进行观测的目的，必须满足《工程测量规范》的要求。若为建筑物的安全监测，其观测中误差应小于允许变形值的1/10,1/20;若是为了研究建筑物的变形过程和规律，则其中误差应比这个数值小得多，即精度要求要高得多。通常以当时能达到的最高精度作为标准来进行观测。但一般还是从工程实用出发，如对于钢筋混凝土结构、钢结构的大型连续生产的车间，通常要求观测工作能反映出1?的沉降量;对一般规模不大的厂房车间，要求能反映出2?的沉降量。因此，对于观测点高程的测定误差，应在?1?以内。而为了科研目的，则往往要求达到?0.1?的精度。 对于水工建筑，根据其结构、形状不同，观测内容和精度也有差异。即使对于同一建筑物(如拱坝)的不同部位，其观测精度也不相同，变形 大的部位(如拱冠)的观测精度可稍低于变形小的部位(如拱座)。对于混泥土大坝， 测定变形的精度一般为?1mm;对于土工建筑物， 测定其变形的精度不低于?2mm。 1.3.2 变形观测的频率 变形观测的频率，应根据建筑物、构筑物的特征、变形速率、观测精度要求和工程地质条件等因素综合考虑。观测过程中，可根据变形量的变化情况做适当的调整。对于平面和高程监测网，应定期检测。在建网初期，宜每半年检测一次;点位稳定后，检测周期可适当延长。当对变形成果发生怀疑时，应随时进行检核。一般来说，在施工过程中，频率应大些，一般有三天、七天、半月三种周期。在施工期间也可以按荷载增加的过程进行观测，即从观测点埋设稳定后进行第一次观测，当荷载增加到25%时观测一次，以后每增加15%观测一次。竣工后，一般一年观测四次，第二年两次，以后每年一次。在掌握了一定规律或变形稳定之后，可减少观测次数。这种根据日历(或荷载增加量)进行的变形观测称为正常情况下的系统观测。 除了上述的系统观测以外，有时还要进行紧急观测(临时观测)这通常在出现特殊情况的前后进行。 1.4 建筑物变形观测的布设 民用建筑的变形观测包括基础的沉陷观测与建筑物本身的变形观测。在拟定沉陷观测点的布设方案时，通常是由设计部门提出要求，由施工组织计划者提出布设方案，在施工期间进行埋设。观测点应有足够的数量，以便测出整个基础的沉陷、倾斜与弯曲，并且能够绘出等沉陷值曲线。同 时，还应考虑建筑物的规模、型式和结构特征，以及建筑场地的工程地质、水文地质等条件。观测点应牢固地与建筑物结合在一起，便于观测，并尽量保证在变形观测期间不受损坏。 对于民用建筑物，通常在它的四角点、中点、转角处布设观测点。沿建筑物的周边每隔10—20m布置一个观测点;设置有沉降缝的建筑物，或者在新建与原有建筑物的连接处，在其两侧或伸缩缝的任一侧布置观测点;对于宽度大于15m的建筑物，在其内部有承重墙或支柱时，应尽可能布置观测点。为了查明基础纵横向的弯曲和曲折，在其纵横轴线上也应埋设观测点。对于高层建筑而言，由于它的层数多荷载大，重心高，基础深，因此，变形观测的作用也特别显著。由于高层建筑物的上述特点，在观测过程中，除了进行基础沉陷观测外，还要进行建筑物上部的倾斜与风振观测。为了观测基坑开挖过程中的地基回弹现象，在施工前还应布设地基回弹观测点。布设时应以点数最少，而又能测出需要的地基纵横断面的回弹量为原则。一般是在建筑物的纵横轴上布设观测点。 为了研究土层压实的情况，应布设分层沉降观测点。沉降观测点大致可分为基准点、工作基点和变形观测点。基准点必须坚固稳定，为了对水准点进行相互校核，基准点的数目应当不少于3个，以组成水准网。工作基点可以根据观测的需要进行布设。按照《建筑变形测量规程》的要求，水准基准点与邻近建筑物的距离应大于建筑物基础最大宽度的2倍，深埋应大于邻近建筑物基础的深度;工作基点与邻近建筑物的距离应为建筑物基础深度的 1(5,2(0倍。观测点的布设是沉降观测的基础，应遵循的原则是: 从整体到局部，所布点位能够从总体上控制建筑物的沉降特性;先设计后实施，先在图纸上设计，然后再修改、确定。变形观测点的位置宜设在观测数据容易反馈的部位，即能够反映出变形体变形特征的位置。 第二章 高层建筑物的变形分析 2.1 前言 2.2 沉降观测 高层建筑基坑开挖后，由于土体结构发生变化，会有一个内力重分布的过程，基底及基坑周围土体变形产生回弹，随着基础施工的进行，荷载不断加大，地基变形增加，加之地下水位的影响，整个建筑物在垂直方向都会产生位移，因此高层建筑的沉降观测从基坑开挖前就要进行，并且在整个施工过程中都不能间断直至竣工投入使用且沉降变形基本稳定以后，才能停止。 1、 高层建筑的沉降观测内容 设置永久观测点—埋设观测点—水准测量—平差计算—观测成果整理分析。 (1)观测周期 观测的时间和次数，应根据工程的性质、施工进度、地基地质情况及基础荷载的变化情况而定。 1)当埋设的沉降观测点稳固后，在建筑物主体开工前，进行第一次观测。 2)在建(构)筑物主体施工过程中，一般每盖1,2层观测一次。如中途停工时间较长，应在停工时和复工时进行观测。 3)当发生大量沉降或严重裂缝时，应立即或几天一次连续观测。 4)建筑物封顶或竣工后，一般每月观测一次，如果沉降速度减缓，可改为2,3个月观测一次，直至沉降稳定为止。 (2)观测方法 观测时先后视水准基点，接着依次前视各沉降观测点，最后再次后视该水准基点，两次后视读数之差不应超过?1mm。另外，沉降观测的水准路线(从一个水准基点到另一个水准基点)应为闭合水准路线。 (3)精度要求 沉降观测的精度应根据建筑物的性质而定。 1)多层建筑物的沉降观测，可采用DS3水准仪，用普通水准测量的方法进行，其水准路线的闭合差不应超过?2.0nmm(n测站数)。 2)高层建筑物的沉降观测，则应采用DS1精密水准仪， 用二等水准测量的方法进行，其水准路线的闭合差不应超过?1.0nmm(n为测站数)。 (4)工作要求 沉降观测是一项长期、连续的工作，为了保证观测成果的正确性，应尽可能做到四定，即固定观测人员，使用固定的水准仪和水准尺，使用固定的水准基点，按固定的实测路线和测站进行。 表,-, 沉降观测记录表 注:水准点的高程 BM.1:49.538mm; BM.2:50.123mm; BM.3:49.776mm。 2、 沉降观测的成果整理 (1)整理原始记录 每次观测结束后，应检查记录的数据和计算是否正确，精度是否合格，然后，调整高差闭合差，推算出各沉降观测点的高程，并填入“沉降观测表”中(表2-1)。 (2)计算沉降量 计算内容和方法如下: 1)计算各沉降观测点的 本次沉降量: 沉降观测点的本次沉降量=本次观测所得的高程,上次观测所得的高程 2)计算累积沉降量: 累积沉降量=本次沉降量+上次累积沉降量 将计算出的沉降观测点本次沉降量、累积沉降量和观测日期、荷载情况等记入“沉降观测表”中(表2-1)。 (3)绘制沉降曲线 如图2-1所示，为沉降曲线图，沉降曲线分为两部分，即时间与沉降量关系曲线和时间与荷载关系曲线。 F/(t/m2) 图,,, 沉降曲线图 t 1)绘制时间与沉降量关系曲线 首先，以沉降量s为纵轴，以时间t为横轴，组成直角坐标系。然后，以每次累积沉降量为纵坐标，以每次观测日期为横坐标，标出沉降观测点的位置。最后，用曲线将标出的各点连接起来，并在曲线的一端注明沉降观测点号码，这样就绘制出了时间与沉降量关系曲线，如图2-1所示。 2)绘制时间与荷载关系曲线 首先，以荷载为纵轴，以时间为横轴，组成直角坐标系。再根据每次观测时间和相应的荷载标出各点，将各点连接起来，即可绘制出时间与荷载关系曲线，如图2-1所示。 注意事项: (1) 当高层建筑物附近没有永久性水准点或水准点个数少于3时，应建立永久性水准点。永久性水准点应能长期保存，不易破坏及振动，应远 离公路、铁路，严禁埋设在松软土内，其埋设深度应在最低地下水位及冻土层以下0(5m。 (2) 高层建筑的沉降观测点应沿建筑四脚、纵横墙的交接处和伸缩缝两侧布置，间距一般为15—30m。沉降点的高度一般设在室外地坪以上500rm处，当高层建筑设有两层及两层以上地下室时，应在地下室基础底部以上500rmn处设置沉降观测点。 (3) 每次观测结束后，都要检查记录计算是否正确，精度是否合格，并进行误差分配，然后将观测高程列入观测成果表中，计算相邻两次观测之间的沉降量，并注明观测日期和荷重情况。 3、 沉降与时间关系图中出现的问题及解决办法(表2-2) 表 2-2 4、沉降观测的注意事项 (1)在施工期间，经常遇到的是沉降观测点被毁，为此一方面可以适当地加密沉降观测点，对重要的位置如建筑物的四角可布置双点。另一方面观测人员应经常注意观测点变动情况，如有损坏及时设置新的观测点。 (2)建筑物的沉降量应随着荷重的加大及时间的延长而增加，但有时却出现回升现象，这时需要具体分析回升现象的原因。 (3)建筑物的沉降观测是一项较长期的系统的观测工作，为了保证获得资料的正确性，应尽可能地固定观测人员，固定所用的水准仪和水准尺;按规定日期、方式及路线从固定的水准点出发进行观测。 2.3 倾斜观测 高层建筑在施工和使用阶段，由于地下水、周围工程的施工或基础不 均匀沉降，常常会造成建筑发生倾斜或裂缝的现象，如不及时处理，往往会造成安全隐患，所以必须进行倾斜与裂缝观测。在进行观测前，首先要在进行倾斜观测的建筑物上设置上下两点或上、中、下三点，作为观测点，各点应位于同一垂直视准面内，由此两点连成的直线为垂直状态，如果建筑物发生倾斜，则此直线就由垂直线变为倾斜线。观测时，经纬仪的位置距离建筑应大于建筑物的高度。高层建筑的倾斜观测必须在互相垂直两个方向进行。 1(一般建筑物主体的倾斜观测 建筑物主体的倾斜观测，应测定建筑物顶部观测点相对于底部观测点的偏移值，再根据建筑物的高度，计算建筑物主体的倾斜度，即 i?tan???D (2-3-1) H 式中 i——建筑物主体的倾斜度; ?D——建筑物顶部观测点相对于底部观测点的偏移值(m); H——建筑物的高度(m); α——倾斜角(?)。 由式(2-3-1)可知，倾斜测量主要是测定建筑物主体的偏移值ΔD。偏移值ΔD的测定一般采用经纬仪投影法。具体观测方法如下: 图,,, 一般建筑物的倾斜观测 (1)如图,,,所示，将经纬仪安置在固定测站上，该测站到建筑物的距离，为建筑物高度的1.5倍以上。瞄准建筑物X墙面上部的观测点M，用盘左、盘右分中投点法，定出 下部的观测点N。用同样的方法，在与X墙面垂直的Y墙面上定出上观测点P和下观测点Q。M、N和P、Q即为所设观测标志。 (2)相隔一段时间后，在原固定测站上，安置经纬仪，分别瞄准上观测点M和P，用盘左、盘右分中投点法，得到N′和Q′。如果，N与N′、Q与Q′不重合，如图,,,所示，说明建筑物发生了倾斜。 (3)用尺子，量出在X、Y墙面的偏移值ΔA、ΔB，然后用矢量相加的方法，计算出该建筑物的总偏移值ΔD， 即: ?D??A2??B2 (2-3-2) 根据总偏移值ΔD和建筑物的高度H用式(2-3-1)即可计算出其倾斜度i。 2(圆形建(构)筑物主体的倾斜观测 对圆形建(构)筑物的倾斜观测，是在互相垂直的两个方向上，测定其顶部中心对底部中心的偏移值。具体观测方法如下: 图,,, 圆形建(构)筑物的倾斜观测 (1)如图2-3所示，在烟囱底部横放一根标尺，在标尺中垂线方向上，安置经纬仪，经纬仪到烟囱的距离为烟囱高度的1.5倍。 (2)用望远镜将烟囱顶部边缘两点A、A′及底部边缘两点B、B′分别投到标尺上，得读数为y1、y1′及y2、y2′，如图2-3所示。烟囱顶部中心O对底部中心O′在y方向上的偏移值Δy为: ?y??y2?y2?y1?y1 ?22 (3)用同样的方法，可测得在x方向上，顶部中心O的偏移值Δx为: ?x2?x2?x1?x1 ?x??22 (4)用矢量相加的方法，计算出顶部中心O对底部中心O′的总偏 移值ΔD，即 ?D??x2??y2 (2-3-3) 根据总偏移值ΔD和圆形建(构)筑物的高度H用式(,,,)即可计算出其倾斜度i。 另外，亦可采用激光铅垂仪或悬吊锤球的方法，直接测定建(构)筑物的倾斜量。 3(建筑物基础倾斜观测 ?D H 图,,, 基础倾斜观测测定建筑物的偏移值 图,,, 基础倾斜观测 建筑物的基础倾斜观测一般采用精密水准测量的方法，定期测出基础两端点的沉降量差值Δh，如图2-4所示，在根据两点间的距离L，即可计算出基础的倾斜度: i??h (2-3-4) L 对整体刚度较好的建筑物的倾斜观测，亦可采用基础沉降量差值，推算主体偏移值。如图2-5所示，用精密水准测量测定建筑物基础两端点的沉降量差值Δh，在根据建筑物的宽度L和高度H，推算出该建筑物主体的偏移值ΔD，即 ?D? 2.4 位移观测 ?hH (2-3-5) L 根据平面控制点测定建筑物的平面位置随时间而移动的大小及方向，称为位移观测。位移观测首先要在建筑物附近埋设测量控制点，再在建筑 物上设置位移观测点。位移观测的方法有以下两种: 1(角度前方交会法 利用角度前方交会法，对观测点进行角度观测，按式计算观测点的坐标，利用两期之间的坐标差值，计算该点的水平位移量。 xActgB?xBctgA?yA?yB??xp?ctgA?ctgB???y?yActgB?yBctgA?xB?xA p?ctgA?ctgB? (2-4-1) ?s?(xp?x0)2?(yp?y0)2 (2-4-2) 2(基准线法 某些建筑物只要求测定某特定方向上的位移量，如大坝在水压力方向上的位移量，这种情况可采用基准线法进行水平位移观测。 观测时，先在位移方向的垂直方向上建立一条基准线，如图2-6所示。A、B为控制点，P为观测点。只要定期测量观测点P与基准线AB的角度变化值Δβ，即可测定水平位移量，Δβ测量方法如下: 在A点安置经纬仪，第一次观测水平角?BAP=β1，第二次观测水平角?BAP′=β2，两次观测水平角的角值之差即Δβ: ????2??1 其位移量可按下式计 算: ??DAP???? (2-4-3) ??? 2.5 裂缝观测 观测时，应先在裂缝的两侧设置一固定标志，然后定期量取两标志的间距，间距的变化为裂缝的变化。常用的方法有两种: 1、石膏板标志 用厚10 IIITI、宽约5O m ,80 mm的石膏板(长度视裂缝大小而定)，固定在裂缝的两侧。当裂缝继续发展时，石膏板随之开裂，从而要观测裂缝继续发展的状况。 2、白铁片标志 图2 白铁皮裂缝观测标志 用两块白铁片(如图1)，一片取15 cm×15 cm 的正方形，固定在裂缝的一侧，并使其一边和裂缝的边缘对齐。另一片为5 cm×20 cm，固定在裂缝的另一侧，并使其中一部分紧贴相邻的白铁片。当两白铁片固定好后，在其表面涂上红色油漆。如裂缝继续发展，两白铁片将被拉开，露出正方形白铁片上原被覆盖没有涂油漆的部分，其宽度即为裂缝加大的宽度，可用尺子量出。 第三章 变形观测数据处理以及实例分析 3.1 变形分析 1. 稳定点的检验可采用统计检验方法。先作整体检验，在判别有动点后再作局部检验，找出变动点予以剔除，最后确定出稳定点组。亦可采用按单点高程、坐标变差和观测量变差的u、x、t、F检验法，或采用按两期平差值之差与测量限差之比的组合排列检验法。 2. 非稳定点的检验应在以稳定点或相对稳定点定义的参考系条件下进行。可采用比较法，当点两期的高程或坐标平差值之变差?符合下列条件时，可判断点位稳定。 2 ??2?02Q 式中 ?0——单位权中误差(mm); Q ——检验点高程或坐标的权倒数。 ?0值可以按下列公式计算: ?0??[f?2] [f] 式中 ?i——各期观测的 单位权中误差(mm); fi——各期网形的多余观测数。 当多余观测量很少时，?i值可取经验数值。 对于平面监测网中的非稳定点检验，宜绘制置信椭圆，当计算的变位值落在椭圆外时，可判断其变位值是点位变动所致。 观测点的变位检验，应在以稳定点或相对稳定点定义的参考系条件下进行。对普通观测项目，可以观测点的相邻两周期平差值之差与最大测量误差(取中误差的两倍)相比较进行。如平差值之差小于最大误差，则可认为观测点在这一周期内没有变动或变动不显著。在每期观测后，还要作综合分析，当相邻周期平差值之差虽很小，但呈现一定趋势时，也应视为有变位。对于要求严密的变形分析，可按控制点稳定性检验方法进行。 变形的物理解释应确定变形体变形与变形因子之间的函数关系，并对引起变形的原因作出分析和解释，以预报变形发展趋势。根据需要与条件，可采用下列方法: 1. 回归分析法。应以10个以上周期的长期观测数据为依据，通过分析所测变形与内因、外因之间的相关性，建立荷载—变形关系的数学模型。当处理两个变量之间关系时，可采用一元回归分析;当处理一个变量与多 个因子之间的关系时，应采用逐步回归分析，通过在回归方程中逐个引入显著因子，剔除不显著因子，获得最佳回归方程(预报方程)。 2. 确定函数模型法。应以大量变形信息和变形因素的观测资料为依据，利用荷载、变形体的几何性质和物理性质以及应力—应变间的关系来建立数学模型。当变形体的几何形状和边界条件复杂时，可采用有限单元法;当需要提高函数模型的精确度时，可采用联合使用函数方法与回归方法的函数—回归分析方法。 根据变形观测数据绘制变形过程曲线是一种最简单而有效的数据处理方法，由过程曲线可作趋势分析。如果将变形观测数据与影响因子进行多元回归分析和逐步回归计算，可得到变形与显著性因子间的函数关系，除作物理解释外，也可用于变形预报。多元回归分析需要较长的一致性好的多组时间序列数据。 若仅对变形观测数据，可采用灰色系统理论或时间序列分析理论建模，前者可针对小数据量的时间序列，对原始数列采用累加生成法变为生成数列，因此有减弱随机性、增加规律性的作用。如果对一个变形观测量(如位移)的时间序列，通过建立一阶或二阶灰微分方程提取变形的趋势项，然后再采用时序分析中的自回归滑动平均模型ARMA，这种组合建模的方法，可分性好且具有以下显著优点:将非平稳相关时序转化为独立的平衡时序;具有同时进行平滑、滤波和推估的作用;模型参数聚集了系统输出的特征和状态;这种组合模型是基于输出的等价系统的理想动态模型。 把变形体视为一个动态系统，将一组观测值作为系统的输出，可以用卡尔曼滤波模型来描述系统的状态。动态系统由状态方程和观测方程描述， 以监测点的位置、速率和加速率参数为状态向量，可构造一个典型的运动模型。状态方程中要加进系统的动态噪声。卡尔曼滤 波的优点是勿需保留用过的观测值序列，按照一套递推算法，把参数估计和预报有机地结合起来。除观测值的随机模型外，动态噪声向量的协方差阵估计和初始周期状态向量及其协方差阵的确定值得注意。采用自适应卡尔曼滤波可较好地解决动态噪声协方差的实时估计问题。卡尔曼滤波特别适合滑坡监测数据的动态处理;也可用于静态点场、似静态点场在周期的观测中显著性变化点的检验识别。 对于具有周期性变化的变形观测时间序列，通过Fourier变换，可将时域内的信息转变到频域内分析，例如大坝的水平位移、桥梁的垂直位移都具有明显的周期性。在某一观测时刻的观测值数字信号可表示为许多个不同频率的谐波分量之和，通过计算各谐波频率的振幅，最大振幅以及所对应的主频率等，可揭示变形的周期变化规律。若将变形体视为动态系统，变形视为输出，各种影响因子视为输入，并假设系统是线性的，输入输出信号是平稳的，则通过频谱分析中的相干函数、频响函数和响应谱函数估计，可以分析输入输出信号之间的相干性，输入对系统的贡献(即影响变形的主要因素及其频谱特性)。 3.2 实例分析 1、工程简介 该工程是对某25层的高层建筑物所进行的变形观测。观测时在已有建筑物上埋设了墙水准点和三个基准点及十二个沉降点。其中两个基准点同时观测,另一基准点作为检查点。采用测站定权的方式,每测站的观测高 差的精度均相同,进行了8期变形观测。每期所观测的基准点高程值都一样,基准点很稳定。 2、数据处理方法 由于在上述工程中,各期观测的基准点高程均没有较大变化,故可采用经典平差方法进行数据处理。本文采用北京威软图数据开发有限公司的TOPADJ测量平差软件进行经典平差的全部计算。为进行数据处理方法的比较,将上述工程的变形观测数据按自由网平差方法进行数据处理。在进行自由网平差计算时,充分利excel2000的数值计算功能,全部计算均在excel2000中进行。 3、结果分析 将2中按两种不同的平差方法进行数据处理的结果进行分析、比较,可以得出以下几点结论: 结论1 按两种平差方法所计算的各观测点的总沉降量之差为一常数。 按两种平差方法计算的该工程中各观测点的总沉降量如表1所示,从表1可知:该工程按两种平差方法计算的各观测点的总沉降量之差约为11.5mm。 表1 第一个工程中各观测点的总沉降量 为了更直观地说明用两种平差方法所计算出的各观测点的总沉降量之间的关系,可将表1的数据绘制成曲线图(见图1)。 图1 第一个工程中各观测点的总沉降量曲线图 从图1中明显看出,按两种平差方法计算出的各观测点的总沉降量曲线总是平行的,这也正好说明了用两种平差方法计算出的结果总是相差一 个常数。 结论2 按两种平差方法计算出的各点总沉降量之差恰好是经典平差中各点总沉降量的平均值。由该工程所绘制的曲线图可知:虽然按两种平差方法计算出来的各观测点的总沉降量曲线总是平行的,但两平行线间的间距是有差别的,即不同工程中按两种平差方法所计算的各观测点的总沉降量之间的差值是不一样的。例如,在该工程中其差值为11.5mm(见图1)。进一步计算可知:在这个工程中,按两种平差方法计算的总沉降量之差正好等于按经典平差 方法计算的各点沉降量的平均数,即: 11.5=(13.18+16.98+17.32+19.17+19.00+7.55+4.79+4.61+6.97+8.13+11.04+9.1 5)/12 结论3 在基准点稳定的情况下,用两种平差方法计算的高差平差值是相同的。 表2是该工程中第五、六两期沉降观测按两种平差方法所计算的部分观测点的高差平差值,由此表可知:在基准点稳定的情况下,无论采用何种平差方法,所计算的各观测点的高差平差值都相同。 表2 两种平差方法比较表 通过上述讨论可知,在进行变形观测数据处理时,笼统地说用何种平差方法最好是不合适的,问题的关键在于平差方法中所定义的参考系是否与实际变形情况相符合。当网中的基准点比较稳定时(如本文中的工程),按经典平差方法进行数据处理可以得到满意的成果。当网中所有基准点均有微小的随机变动时,自由网平差方法将是最有效的数据处理方法。 3.3 变 形观测成果的整理与分析 欲使变形观测真正反映和使用过程的变形情况，确保安全施工和充分发挥工程效益的作用，除了取得现场观测的第一手资料外，还必须对观测资料进行整理与分析，并编制变形分析报告。 一是观测资料的整理，编制各种数据表格和绘制变形曲线，便于直观反映，具体内容有:校核各项原始记录，检查每次变形观测值计算是否有误;对各种变形值按时间逐点编写观测数据表;计算绝对沉降值、平均沉降值、平均沉降速度、倾斜度、垂直位移、水平位移等;绘制观测点变形过程曲线和建筑物变形分布图。 二是利用变形分布图，结合观测过程中的各种因素对观测结果进行分析，总结出建筑物变形过程、变形规律、变形幅度、变形原因，并找出变形值与引起变形的内在因素和规律。 第四章 高层建筑变形观测未来发展趋势 4.1 应用地面摄影测量方法进行变形观测 用地面摄影测量方法测定工程建筑物、高层建筑物、滑坡体等的变形就是在这些变形体周围选择稳定的工作点，在这些工作点上安置摄影机对变形体进行摄影;然后通过对相片进行内业测量和数据处理得到变形体上观测目标点的二维或三维坐标值。近几年由中南大学教授研究开发了数字化近景摄影测量系统，该系统将像片(数字影像)量测、三维左边计算、计算结果的绘图输出一体化，整个内业过程都在计算机上完成，操作十分方便。该系统软件包括有位移分析程序，因此能方便地从多期重复观测结果得出位移值。数字化近景摄影测量系统使摄影测量的内、外业工作大大 简化，多操作人员的要求大大降低，完全避免了昂贵的传统摄影测量一起设备，因而也扩大了摄影测量技术在变形观测领域的实用性和应用范围。 摄影测量方法与其他变形观测方法相比具有一下优点: a) 像片信息丰富，可在同一时刻获得变形体上大批目标点的三维变形信息; b) 可用于监测不同形式的变形，如缓慢的或快速的、静态的或动态的变形;观测时 测量人员不需接触被摄变形体，因此，适合监测观测人员难于到达、不能直接测 量的变形体 c) 能将观测得到的全部资料存贮在计算机内，可随时恢复它的空间模型，也便于对 观测成果的查核、比较、和分析。 4.2 应用全球定位系统(GPS)进行变形观测 该方法主要适用于建筑物的水平位移监测和动态位移监测。他是采用载波相位双差数学模型测量原理，观测时将一台GPS接收机天线安置在离待测建筑物不远的所谓基准站上，基准点应设在稳固、没有移动变形的地方;另一台GPS接收机的天线安置在待测的变形体(如高层建筑物的楼顶)上，称为流动站。基准站和流动站同步观测，保证都要至少可以同时接收到4颗以上卫星信号。外业数据信息采集完后，用GPS数据处理软件进行数据处理和计算， 最后获得建筑物沿某一方向的水平位移值和位移时间过程曲线。这种 方法适用于大坝变形监测、桥梁的振动研究、超高层建筑物在强风作用下产生的振动研究和监测。其主要优点是:能进行实时动态变形监测获取变形过程;实现了实时的连续的、自动的数据采集、纪录与存贮，自动化程度高;外业工作量小，劳动强度低，工作效率高。 4.3 总结 展望21世纪,变形观测这门随着社会进步而产生的学科会在社会生活中产生越来越重要的作用。测量机器人将作为多传感器集成系统在人工智能方面得到进一步发展，其应用范围将进一步扩大，影像、图形和数据处理方面的能力进一步增强;在变形观测数据处理和大型工程建设中，将发展基于知识的信息系统，并进一步与大地测量、地球物理、工程与水文地质以及土木建筑等学科相结合，解决工程建设中以及运行期间的安全监测、灾害防治和环境保护的各种问题。 主要参考文献 [1] 朱庆.高层建筑物变形观测初探.河南测绘.2005年,第二期. [2] 苏景兰.建筑物变形观测技术探讨.山西建筑.2004年12月,第30卷,第23期. [3] 曾绍炳 唐升峰.建筑物的变形观测. 西部探矿工程.2005年11期. [4] 樊日广. 建筑物变形观测的过程控制与安全措施. 科技情报开发与经济.2005 年6期. [5] 陆立 郭忠志 张凌云. 建筑物变形观测数据处理中的若干问题.北 京建筑工程 学院学 报.2004年第3期. [6] 秦岩宾.高层建筑物沉降监测中的若干问题.四川建筑.2004年4期. [7] 沈云霞.变形测量的特点及变形观测点的布设.煤炭技术.2003年10期. [8] 张宏伟 康世英.变形观测数据处理平差模型设计.桂林工学院学报.2004年第1 期. [9] 陈正阳 曹传芬 郑军.工程建筑物变形观测精度和观测方法.中外建筑.2003年6 期. [10] 李青岳 陈永其.工程测量学[M].测绘出版社.2004年版. [11] 李陶 邹峥嵘.变形观测高精度微型控制网的设计与施测.东北测绘.2000年2期. [12] 丰秀福.浅析建筑物的变形观测.山西建筑.2004年4期. [13] 杨仕凡. 高层(大型)建筑物施工的沉降观测. 嘉应学院学报.2005年3期. 附 录 变形测量的等级划分及精度要求 2、当水平位移变形测量用坐标向量表示时，向量中误差为表中响应等级点位中误差的1/2。 3、垂直位移的测量，可视需要按变形点的高程中误差或相邻变形点高差中误差确定测量 等级。 注:H为建筑物、构架物的高度(mm)