超高层建筑在强风、地震和温度变化作用下, 容易产生过大变形, 从而危及结构安全。因此, JGJ302—2013《建筑工程施工过程结构分析与监测技术规范》中明确指出:“大于200m的超高层建筑在建设过程中和建设完成后需进行安全监测, 掌握其动态特征, 对可能出现的灾害做出预测, 最大限度地减少危险的发生, 保障人民的生命、财产和安全”。高精度的测量定位技术是工程顺利建造和良好运营的保障。

常规变形监测方法主要采用全站仪、精密水准仪、激光铅直仪等设备, 但对于超高层建筑而言, 常规监测方法都存在不同方面的弊端。卫星定位技术具有定位速度快、全天候实时监测、自动化程度高、不要求通视、同时测定三维位移等优点, 在常规变形监测方法无法满足要求的情况下, 利用卫星定位技术对建筑物进行变形监测已成为可能, 目前越来越多的桥梁变形监测采用了GNSS卫星定位技术。但对于特大超高层建筑, 由于施工过程中周围安装有大型施工设备, 对卫星信号造成严重遮挡, 采集的GNSS数据质量差, 难以满足变形监测要求。因此到目前为止利用北斗GNSS技术对超高层建筑物施工、运营过程中的高精度变形监测案例还不常见。

深圳平安金融中心项目采用山东某公司自主研发的HC-5北斗兼容GNSS高精度接收机进行了施工过程中的变形监测。通过监测楼顶的三维坐标变化, 找出变形规律, 以便正确指导施工;同时在施工期间获取的监测数据可为此建筑运营期的健康诊断提供参考依据, 具有一定的实用价值。

深圳平安金融中心工程地处深圳市福田中心区, 周边建筑物密集, 分布有高档商场、住宅及办公区, 人流密集。塔楼屋顶高度为597m, 地上118层。塔楼中心为“钢骨-劲性混凝土”核心筒, 外框由8根巨型钢骨混凝土柱、7道巨型斜撑和7道环带桁架构成, 内外筒间通过4道伸臂桁架相连。

由于该项目监测周期较长, 采用北斗兼容GNSS技术应考虑总体框架设计, 在地面开阔地建立永久控制点。根据现场勘查及相关部门协调, 最终选定地面2个基准点, 分别位于深圳红树林公园内和项目部办公楼顶, 标号为HSL01, XMB02 (见图2) 。两基准站的周边环境较好, 无明显的干扰源。

为全方位监测大楼振动情况, 并对结果进行检核, 共选定8个楼顶监测点, 标号3~10, 分别设在筒顶柱节点, 在其上焊接天线连接杆, 位置关系如图1所示。监测点由于被设置在施工建筑物顶层面上, 位于其侧上方的塔式起重机和外围的安全网架对信号接收有一定影响, 是主要干扰源。基准点与监测点的位置关系如图2所示。

在基准点及监测点分别安置三系统信号接收机HC-5, 同时开机连续观测24h, 并利用内存模块和外部存储设备同时存储数据, 采样率设为10Hz。观测过程中及时记录地面和楼顶的气象参数 (气压、气温、湿度、风向、风速) 和各点天线高度。本次试验共测5次。测试环境如表1所示。

选择同时段北京、武汉、中国台湾、拉萨等IGS站的观测数据与HSL01, XMB02观测数据进行联合解算, 获得两基准站WGS框架下的地心坐标, 并将其投影到500m平面上, 作为已知起始坐标。

考虑到楼顶的复杂情况, 各监测点接收的卫星信号会受到不同程度的影响, 因此将每个监测点分别与HSL01, XMB02基准站构成同步环, 即共有8个同步三角形。对每个三角形进行x, y, z 3个方向坐标增量闭合差检验, 结果如表2所示。

由表2可知, x, y, z方向坐标增量闭合差最大值为3.8mm, 最小值为0.2mm, 均能满足1/ (100万) 相对误差要求。

深圳平安金融中心大楼设计高程555.676m (相对于±0.000m平面) , 共118层。±0.000m相当于绝对高程7.120m。为检核卫星导航定位技术的高程精度, 利用基线解算及平差所得各监测点的大地高程, 计算相对高程。

计算可知, 卫星定位技术所求高程低于设计高程, 且由于8个点天线柱是在楼顶框架上焊接连接杆, 临时焊接柱也不完全垂直, 故8个点高程有差别。考虑到大楼建设期间的地基沉降及层间压缩, 根据相关资料 (底板沉降和健康监测数据等) 取为4cm, 实际高程为:555.676-0.040=555.636m。卫星定位技术计算高程与实际高程比较, 结果如表3所示。

由表3可知, 卫星定位技术所求高程的最大误差出现在3号点, 为9.4mm;最小误差出现在4号点, 为0.2mm, 综合可得高程精度为6.6mm。计算8个监测点的高程平均值为555.637m, 与实际高程相符。

对4号点按时段绘制变形曲线如图3所示。x方向最大变形1.5cm, y方向最大变形2cm, z方向最大变形1.5cm。昼夜温差8℃, 高度变化1.5cm。

对观测数据做动态解算, 获得各监测点的单历元三维坐标。以3号点为例, 截取其中1.5h的解算数据, 利用CAD绘制平面点位, 结果如图4所示。由图4可知, 大楼楼顶摆动幅度x方向为±1.5cm, y方向为±3.5cm。由记录可知风速为3m/s。

根据x, y, z值, 利用MATLAB分别绘制各方向的时程曲线, 结果如图5所示。由图5可直观获取大楼楼顶3个方向的瞬时变化情况。综合可得, 大楼楼顶南北方向摆动幅度为±0.015m, 东西方向摆动幅度为±0.035m, 高程方向摆动幅度为±0.025m。考虑到温度、风荷载、施工影响等因素, 与实验室模拟计算值相符。

北斗兼容GNSS动态监测结果是一种环境激励下的随机振动信号, 可以通过傅里叶变换对其进行频谱分析, 获取大楼的主频等结构特性。

以3号点为例, 截取其中1.5h的解算数据, 计算3个方向 (南北方向、东西方向和高程方向) 的频谱特征, 分析结果如图6所示。

由图6可知, 南北方向、东西方向和高程方向在0~0.3Hz频段内幅值比较集中, 因此低频部分是大楼频率的主要分布区。根据高层建筑结构的固有频率公式, 其基本自振周期通常在 (0.05~0.1) N间变化, N为建筑物地平面以上的总层数, 自振周期单位为s。深圳平安金融中心, 共计118层, 则其自振周期为5.9~11.8s, 即自振频率为0.08~0.17Hz。由于北斗兼容GNSS技术测定的结果是监测点的位移, 其振动是一种复合状态, 因此, 要获取大楼自振信号, 需根据频谱分析结果, 利用小波多尺度分析理论来实现。

经过大量试验和对比, 确定选用db4小波函数进行7层小波分解。根据分析所得的自振频率区间, 重构该频段的小波分解系数, 获取大楼振动信息并做频谱分析, 计算的大楼结构振动主频在南北方向、东西方向和高程方向分别为0.171 1, 0.194 4Hz和0.189 2Hz, 与理论结果一致。

由于受到噪声污染, 由时程曲线图无法直接辨识信号发展趋势, 而在小波多尺度分解中, 最大尺度小波变换的低频系数往往表征着信号的发展趋势。因此, 利用小波分析方法可以较高精度实现高大建筑物的振动趋势判断。

根据上述试验结果, 确定选用db4小波函数做7层小波分解, 利用第7层的低频系数进行信号重构, 以获取大楼的整体变形趋势。以3号点为例, 截取其中1.5h的解算数据, 在南北方向、东西方向和高程方向的信号重构结果如图7所示。

由图7可知, 第7层低频系数重构得到的信号比原信号要光滑, 很多毛刺或突变都消失了, 表明小波分析能够较好地去除噪声;同时也说明低频系数重构的效果信号在时间分辨率上较低, 效果较好。由此可知, 利用小波变换可以从受强噪声污染的监测数据中分析得到其变形的整体趋势, 有利于对超高层建筑物的变形预测。

采用卫星定位技术测出大楼高程、基振频率、振幅结果如表4所示。

本文依托深圳平安金融中心项目, 选择合理的监测方案和数据处理方法, 效果良好。综合上述分析, 可知北斗兼容GNSS技术的高程精度为6.6 mm;风速3 m/s时, 大楼x方向摆动±1.5 cm, y方向摆动±3.5cm;白天和夜间温差8℃时, 大楼高度变化1.5cm;大楼结构振动主频在南北方向、东西方向和高程方向分别为0.171 1, 0.194 4Hz和0.189 2 Hz, 可满足超高层建筑施工变形监测的要求, 为建筑物后期的运营安全监测提供基础资料和技术积累。