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试论建筑工程中变形测量几点体会

2012-03-23程晓阳叶成法

城市建设理论研究 2012年4期
关键词:监测网精度建筑物

程晓阳 叶成法

摘要:随着我国经济的发展,建设业迅猛发展,大型建筑物越来越多,为了能够确切反映建筑物、构筑物及其场地的实际变形程度或变形趋势,验证设计方案的科学性,分析形变原因,预防事故发生, 保证建筑物在施工及运营期间的安全,对建筑物必须进行变形测量。本文就变形测量的方法及测量数据处理等相关问题作一简单阐述,以供同行参考;

关键词:工程测量 变形测量监测网

Abstract: with the development of our national economy, construction industry rapid development, and large building more and more, in order to be able to reflect exact buildings, fixtures and the actual deformation degree or distortion trend, verify the scientific nature of the design scheme, analyzes deformation reasons, to prevent the accidents and ensure a building in the construction and operation period safety, the building must be for deformation measurement. This paper deformation measurement method and the measurement data handling problems related to a simple paper, for peer reference;

Keywords: engineering measurement deformation measurement monitoring network

中图分类号:[P258]文献标识码:A 文章编号:

1 建筑物的变形测量应在工程施工开始前要统筹安排

按测定沉降或位移的要求, 选定变形测量点,这些测量点宜分为基准点、工作基点和变形观测点。布设时应根据工程情况布设不少于3 个稳固可靠的点作为基准点,工作基点应选择在比较稳定的位置,变形观测点应设在变形体上能反映变形特征的位置;可从工作基点或邻近的基准点对其进行观测。测量前应埋设相应的标石标志,建立相应等级精度的平面网和高程网。按建筑物的设计和荷载程度,对新建的大型和重要建筑物应确定观测周期,且从其施工开始进行系统的观测,直至变形达到规定的稳定程度为止。对各周期的观测成果应及时处理,并应选取与实际变形情况接近或一致的参考系进行平差计算和精度评定。对重要的监测成果应进行变形分析,并对变形趋势作出预报。变形趋势预报是变形测量的重要环节。通过大量的变形观测后,获得对建筑物的变形规律的理性认识,确定未来的变形趋势,这是确保建筑物安全运营的可靠保证。近几年来变形监测分析与预报实践不断增多,理论日益完善,使得预报工作成为可能和必要的。变形测量可进行变形的空问与时间特征分析,可以建立变形物理解释的统计模型和变形物理解释的确定性模型和混合模型。

2 变形测量要建立水平位移监测网和垂直位移监测网

水平位移监测网可采用三角网、导线网、边角网、三边网等形式建立。设计水平位移的监测网宜采用独立坐标系统进行一次布网。按工程的需求進行精度预估,选择合适的方案以满足工程精度要求; 垂直位移的监测网可布设成闭合环、结点或附合水准路线等方法。水准基准点应埋设在变形区以外的基岩或原状土层上,当受条件限制时,在变形区内也可埋设深层金属管水准基准点。水平位移监测网和垂直位移监测网观测时应使每期观测的设备和人员保持固定,对测量仪器和附属设备按规范进行检验,满足规范各项限差后方可使用。测量周期应按该工程设计需求确定。对于变形监测网采用GPS 定位技术和电磁波测距,网的几何图形概念与传统的测角网有很大的区别。除特别的精密控制网可考虑用专门编写的解析法优化设计程序作网的优化设计外,其他的网都可用模拟法进行设计。模拟法优化设计的软件功能和进行优化设计的步骤主要是:根据设计资料和地图资料在图上选点布网,获取网点近似坐标(最好将资料作数字化扫描并在微机上进行)。模拟观测方案,根据仪器确定观测值精度,可进一步模拟观测值。计算网的各种质量指标如精度、可靠性、灵敏度。精度应包括点位精度、相邻点位精度、任意两点间的相对精度、最弱点和最弱边精度、边长和方位角精度。进一步可计算坐标未知数的协方差阵或部分点坐标的协方差阵, 协方差阵的主成份计算,特征值计算,点位误差椭圆、置信椭圆的计算等。可靠性包括每个观测值的多余观测分量(内部可靠性)和某一观测值的粗差界限值对平差坐标的影响(外部可靠性)。灵敏度包括灵敏度椭圆、在给定变形向量下的灵敏度指标以及观测值的灵敏度影响系数。将计算出的各质量指标与设计要求的指标比较, 使之既满足设计要求,又不致于有太大的富余。通过改变观测值的精度或改变观测方案(增加或减少观测值)或局部改变网形(增加或减少网点)等方法重新作上述设计计算,直到获取一个较好的结果。用模拟法可获得一个相对较优且切实可行的方案, 可进一步用模拟观测值作网的平差计算, 同时可模拟观测值粗差并计算对结果的影响。这种方法称为数学扭曲法或蒙特卡洛法。对于一个精度、可靠性以及灵敏度要求极高的监测网或精密控制网, 作上述优化设计和精细计算是十分必要的。

上面简叙了变形测量的水平位移和垂直位移监测。根据建筑物的种类、建筑物的重要程度和建筑物的设计要求还要进行裂缝测量、挠度测量、日照变形观测、风振测量和建筑场地滑坡测量等。这些变形测量和数据分析涉及多学科知识,随着大型工程的不断建设,我们广大测绘者还需深入学习科学知识以满足社会发展需要。

3 变形观测结束后应及时进行数据分析处理

观测数据的分析处理通常有下列几种方法:

变形的几何分析与物理解释。传统的方法将变形观测数据处理分为变形的几何分析和物理解释。几何分析在于描述变形的空间及时间特性,主要包括模型初步鉴别、模型参数估计和模拟统计检验及最佳模型选取3 个步骤。变形监测网的参考网、相对网在周期观测下,参考点的稳定性检验和目标点和位移值计算是建立变形模型的基础。变形模型既可根据变形体的物理力学性质和地质信息选取,也可根据点场的位移矢量和变形过程曲线选取。此外,前述的时间序列分析,灰色理论建模、卡尔曼滤波以及时间序列频域法分析中的主频率和振幅计算等也可看作变形的几何分析。

变形的物理解释在于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。根据需要和条件可采用回归分析法和确定函数模型法。回归分析法是以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、外因之问的相关性,建立荷载一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);而确定函数模型法是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一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,可采用联合使用涵数方法与回归方法的涵数一回归分析方法。回归分析法以实测资料为基础,观测资料愈丰富、质量愈高,其结果愈可靠,且具有“后验”性质,它与变形的几何分析具有密切的关系,是测量工作者最熟悉和乐于采用的方法。

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。

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。

4 几点体会

对建筑物的变形测量是一项长期、艰巨而细致的基础性工作,必须引起有关方面的高度重视。对于变形测量者来说,在进行建筑物变形测量时,要做好如下几项工作。

(1)合理确定观测精度。要根据地质条件、地基处理方式、建筑物结构特点和设计施工方案,编制出科学、经济和高效的技术设计方案和观测细则。根据设计建筑物的各项容许值,来科学估计出观测精度。

(2)建筑物结构封项时,建筑物顶面的水平位移要采用合理的方法进行实测确定。

(3)加强对观测成果进行安全性分析。这里边的关键是弄清设计和施工的意图,明确各项限差;根据有关规范确定出报警极限值; 对观测成果进行正确的分析,得出科学的结论,及时地指导施工和制定出安全防范措施。

(4)重视变形预报。在施工期间, 通过大量的基础性的变形测量工作之后,要能够正确预报出可能发生的沉降量。当有可能发生沉降异常时, 要及时通报有关方面,做好应对措施。在施工完成之后(结构封顶),要能够预报出滞后沉降量,制定出运营期间的长期变形观测方案,确保建筑物的安全运营,更好地保护人民生命和国家财产的安全。

参考文献

[1]中国建筑工业出版社编测量规范2000 年版北京:中国建筑工业出版社,2000.

[2]陈永奇、吴子安等,变形监测分析与预报[M ] 北京:测绘出版社.

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