鋼結(jié)構(gòu)建筑物變形監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)建筑物變形監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

周海濤，孫健利

(寧波冶金勘察設(shè)計(jì)研究股份有限公司，浙江 寧波 315041)

摘 要：介紹了變形監(jiān)測(cè)對(duì)物體的安全維護(hù)與運(yùn)作的重要作用，闡述了目的、意義及基礎(chǔ)理論等，重點(diǎn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑物變形監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)思路、數(shù)據(jù)處理、觀測(cè)周期的確定方法及變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的布設(shè)等進(jìn)行論述。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；建筑物；變形監(jiān)測(cè)

0 前 言

變形檢測(cè)是為了得到物體的空間位置和時(shí)間之間的關(guān)系，從而對(duì)物體或者被監(jiān)視對(duì)象進(jìn)行測(cè)量。在變形分析中，可以把變形的物理解釋和幾何分析結(jié)合起來綜合分析預(yù)報(bào)。一方面，幾何分析可以分析物體形態(tài)的變化，包括大小、方向等變化；另一方面，物理解釋可以用來分析變形的原因。另外，在變形檢測(cè)中會(huì)運(yùn)用到很多學(xué)科的知識(shí)，包括測(cè)繪、應(yīng)用數(shù)學(xué)、水文、工程和控制論等。從工程的安全方面考慮，檢測(cè)是工程的基礎(chǔ)，分析是手段，預(yù)報(bào)則是目的。

1 目的及意義

對(duì)建筑物的施工建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理階段進(jìn)行安全監(jiān)控、評(píng)價(jià)和預(yù)報(bào)，以便保證工程的安全，通過監(jiān)測(cè)和工程有關(guān)的設(shè)備及地質(zhì)構(gòu)造的結(jié)構(gòu)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并對(duì)準(zhǔn)確做出推斷，采取相應(yīng)措施來保證工程的安全性和穩(wěn)定性。

2 關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)建筑物的監(jiān)測(cè)方案

2.1 內(nèi)容概述

監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：確定測(cè)量方法、控制網(wǎng)布設(shè)、數(shù)據(jù)處理的監(jiān)督、確定運(yùn)行周期和測(cè)量精度指標(biāo)。執(zhí)行規(guī)范有：GB 50026-2007《工程測(cè)量規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)、JGJ 8-2016《建筑變形測(cè)量規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)、GB/T 12897-2006《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》。

2.2 變形監(jiān)測(cè)精度標(biāo)準(zhǔn)

為了達(dá)到變形監(jiān)測(cè)的目的，在結(jié)合工程的實(shí)際情況，變形監(jiān)測(cè)精度應(yīng)符合《規(guī)范》的要求。變形測(cè)量的等級(jí)劃分和要求如表1所示。

2.3 觀測(cè)周期和觀測(cè)時(shí)間的確定

為了確保工程建筑的順利進(jìn)行，在工程建筑的不同時(shí)期，監(jiān)測(cè)的周期也應(yīng)該有所變化。在初期，由于變形的可能性較大，因此，觀測(cè)的周期時(shí)間應(yīng)該縮短；隨著建筑物的逐漸穩(wěn)定，可以適當(dāng)減少監(jiān)測(cè)的次數(shù)；確定一個(gè)周期內(nèi)的觀測(cè)時(shí)間，意味著需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)周期的所有測(cè)量工作，以免觀測(cè)周期內(nèi)的變形被歪曲。

在施工期間，建筑物的觀測(cè)需要結(jié)合進(jìn)度及時(shí)調(diào)整。一般建筑和大型建筑要區(qū)別對(duì)待，前者一般需要在基礎(chǔ)階段完成后開始監(jiān)測(cè)，后者需要在基礎(chǔ)墊層或者基礎(chǔ)底部完成后開始監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)的次數(shù)和時(shí)間間隔應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。如果建筑物荷載增加均勻，在增加荷載的25%、50%、75%和100%時(shí)應(yīng)至少各測(cè)一次，如基坑回填、柱子安裝和屋架、墻體砌筑、安裝設(shè)備等這些不同的施工階段，可以按照上述階段分別進(jìn)行觀測(cè)。在民用高層建筑中，可以每加高1～3層監(jiān)測(cè)一次。如果出現(xiàn)暫時(shí)停工現(xiàn)象，應(yīng)該在停工時(shí)和重新開工前各監(jiān)測(cè)一次，在停工期間也應(yīng)每隔1～2月監(jiān)測(cè)一次。

在建筑物的使用階段，監(jiān)測(cè)次數(shù)應(yīng)該由其沉降速度和地基土的類型來決定。除特殊情況，一般第1年觀測(cè)3～4次，第2年觀測(cè)2～3次，第3年后每年1次，直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定。在監(jiān)測(cè)過程中，如果遇到長(zhǎng)時(shí)間降雨或者地面荷載有較大變化，均需要增加觀測(cè)次數(shù)。一旦建筑物出現(xiàn)大的裂縫或者沉降不均勻時(shí)，有必要1～3 d進(jìn)行一次連續(xù)觀測(cè)。

表1 變形測(cè)量等級(jí)劃分 mm

變形測(cè)量等級(jí)垂直位移測(cè)量水平位移測(cè)量變形點(diǎn)的高程中誤差相臨變形點(diǎn)高差中誤差變形點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差 使用范圍一等±0．3±0．1±1．5變形特別敏感的高層建筑、工業(yè)建筑、高聳構(gòu)筑物、重要古建筑精密工程設(shè)施等二等±0．5±0．3±3．0變形比較敏感的高層建筑、高聳構(gòu)筑物、古建筑重要工程設(shè)施和重要建筑場(chǎng)地的滑坡監(jiān)測(cè)等三等±1．0±0．5±6．0一般性的高層建筑、工業(yè)建筑、高聳構(gòu)筑物滑坡監(jiān)測(cè)等四等±2．0±1．0±12．0觀測(cè)精度要求較低的建筑物、構(gòu)筑物和滑坡監(jiān)測(cè)等

2.4 監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)

1)布網(wǎng)和變形是緊密聯(lián)系在一起的。比如在布設(shè)網(wǎng)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該選擇干擾小、地質(zhì)條件好的地方布點(diǎn)，或者結(jié)合變形點(diǎn)的位置來確定網(wǎng)點(diǎn)的位置，網(wǎng)點(diǎn)是觀測(cè)點(diǎn)的工作基點(diǎn)，一般布設(shè)穩(wěn)定點(diǎn)要花費(fèi)較大的一筆費(fèi)用。

2)變形網(wǎng)多余觀測(cè)條件并且復(fù)雜。工程控制網(wǎng)以構(gòu)成簡(jiǎn)單的三角形、網(wǎng)邊形或中點(diǎn)多變形為最好，不去追求圖形如何構(gòu)成，并以多余觀測(cè)越多越好。變形網(wǎng)一般采用間接平差進(jìn)行平差。

3)變形精度高為網(wǎng)邊短，采用的普遍做法是強(qiáng)制歸心。變形測(cè)量網(wǎng)的邊長(zhǎng)最多不超過1 km，變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)用于專有地震監(jiān)測(cè)的，邊長(zhǎng)也多在1 km左右，通常觀測(cè)要求是按照國(guó)家一、二等精度的要求進(jìn)行的，或者采用最先進(jìn)的儀器來測(cè)量，而高精度儀器主要集中在地震部門和水電部門，目前這些先進(jìn)的儀器也主要用于變形監(jiān)測(cè)。

4)在工程控制網(wǎng)中變形網(wǎng)可以沒有已知數(shù)據(jù)，控制網(wǎng)必須具有一個(gè)已知的坐標(biāo)、方向、一條邊長(zhǎng)，但是變形網(wǎng)是相對(duì)網(wǎng)，其可以按照自由網(wǎng)平差，不需要這些測(cè)量數(shù)據(jù)。雖然在工程控制網(wǎng)中可以假定已知點(diǎn)和方向，但是已知邊是一定不能缺少的。

2.5 沉降點(diǎn)的布設(shè)

1)水準(zhǔn)基點(diǎn)的布設(shè)。水準(zhǔn)基點(diǎn)作為垂直位移觀測(cè)的基準(zhǔn)，其應(yīng)該設(shè)在施工影響范圍之外，另外，還要保證沒有建筑物變形，距變形觀測(cè)點(diǎn)20～100 m之間，保證牢固不變，并保存永久，地點(diǎn)安全且不受施工影響。可設(shè)在穩(wěn)固的建筑物或基巖上，也可按一、二等水準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)規(guī)格埋設(shè)標(biāo)石，一般不少于3個(gè)是為了對(duì)水準(zhǔn)基點(diǎn)校核。

2)布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。布設(shè)在變形體上，并有代表性的、能正確反映其變形的特征點(diǎn)。在確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和位置時(shí)，應(yīng)該結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式、基坑周邊環(huán)境和建(構(gòu))筑物荷載等情況。在高層建筑物中，應(yīng)該沿其周圍每隔10～20 m設(shè)置一點(diǎn)。觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)穩(wěn)固、不受破壞且能長(zhǎng)期保存。點(diǎn)的高度和朝向要便于垂直立尺觀測(cè)。觀測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)形式應(yīng)根據(jù)建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)、形式而設(shè)置，一般有以下幾種形式，角鋼埋設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，設(shè)備基礎(chǔ)觀測(cè)點(diǎn)，永久性觀測(cè)點(diǎn)。

除了沉降觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量、位置、形式的確定外，其標(biāo)志選用也是一個(gè)重要內(nèi)容，觀測(cè)點(diǎn)的標(biāo)志可以采用有色金屬，一般用角鋼ΦL30×5，圓鋼Φ20～25 mm制成，不僅可以起到裝飾建筑物的作用，而且不會(huì)影響建筑物外表的美觀。另外，為了方便以后測(cè)量，觀測(cè)標(biāo)志應(yīng)該在建筑物施工的同時(shí)安裝在建筑物基礎(chǔ)，一般選擇在墻上或者地下室等適當(dāng)?shù)奈恢茫⑶倚枰c墻面和地面保持適當(dāng)?shù)木嚯x，標(biāo)志埋入墻內(nèi)的尺寸應(yīng)大于外露部分的3倍。

3)觀測(cè)方法。布點(diǎn)監(jiān)測(cè)分為水準(zhǔn)基點(diǎn)、工作基點(diǎn)和沉降觀測(cè)點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)中需要采用“分級(jí)觀測(cè)”的方式，從水準(zhǔn)基點(diǎn)到工作基點(diǎn)，再到沉降觀測(cè)點(diǎn)。對(duì)于施工場(chǎng)地不大的建筑物，則可以不分級(jí)測(cè)量，但需要設(shè)置3個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，并選擇水準(zhǔn)基點(diǎn)時(shí)要其中最穩(wěn)定的一個(gè)點(diǎn)。要求為：

(1)在作業(yè)中應(yīng)該遵循以下原則：在外業(yè)觀測(cè)時(shí)，要前后視距相等，在成像清晰時(shí)再進(jìn)行；前后觀測(cè)時(shí)，應(yīng)該使用同一把水準(zhǔn)尺；為了避免出現(xiàn)異常情況，應(yīng)該經(jīng)常對(duì)水準(zhǔn)儀器及標(biāo)尺進(jìn)行定期檢查，及時(shí)檢驗(yàn)校正。

(2)觀測(cè)中應(yīng)該做到水準(zhǔn)點(diǎn)固定、水準(zhǔn)路線一樣、觀測(cè)方法要相同、觀測(cè)的儀器也要一致、觀測(cè)的人員也要一樣。

(3)在首次觀測(cè)時(shí)，要認(rèn)真測(cè)量并仔細(xì)記下測(cè)量值，這是計(jì)算沉降的初始值，還要連續(xù)測(cè)量?jī)纱危⒆罱K取平均值，以便確保觀測(cè)結(jié)果的可靠性和正確性。

(4)每測(cè)段中往測(cè)和返測(cè)的測(cè)站數(shù)均應(yīng)為偶數(shù)，否則就應(yīng)及時(shí)改正。如果從往測(cè)轉(zhuǎn)向返測(cè)，則標(biāo)尺也需要互換位置，并應(yīng)重新設(shè)置儀器。在同一測(cè)站觀測(cè)時(shí)，不得兩次調(diào)焦，轉(zhuǎn)動(dòng)儀器的傾斜螺旋和測(cè)微鼓時(shí)，其最終旋轉(zhuǎn)方向是旋進(jìn)。

(5)每次觀測(cè)都需要采用往返閉合法或環(huán)形閉合法，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查，并且閉合差也應(yīng)該符合誤差要求，不得超出規(guī)定的范圍。

(6)觀測(cè)的結(jié)果在誤差范圍內(nèi)，閉合差便可以按測(cè)站數(shù)進(jìn)行分配，計(jì)算高程。

3 觀測(cè)結(jié)果與結(jié)果判定

沉降觀測(cè)應(yīng)繪制下列圖表：①沉降觀測(cè)成果表；②沉降觀測(cè)點(diǎn)為分布圖；③工程平面圖及基準(zhǔn)點(diǎn)分布圖；④建筑物沉降曲線分析圖；⑤沉降數(shù)據(jù)分析報(bào)告。

在判定沉降是否進(jìn)入穩(wěn)定階段時(shí)，需要根據(jù)時(shí)間也沉降量的關(guān)系來確定。如果為重點(diǎn)觀測(cè)和科研觀測(cè)工程，若在最后三個(gè)周期中觀測(cè)到的每周期沉降量不超過2倍測(cè)量中的誤差，則可以認(rèn)為已經(jīng)進(jìn)入了穩(wěn)定階段。在一般觀測(cè)工程，若最后100 d的沉降速率小于0.01～0.04 mm/d，可認(rèn)為已進(jìn)入穩(wěn)定階段，具體取值應(yīng)根據(jù)各地區(qū)的實(shí)際情況決定。

4 水平位移變形監(jiān)測(cè)

1)精度技術(shù)指標(biāo)。是監(jiān)測(cè)控制基準(zhǔn)網(wǎng)和工作基點(diǎn)的主演工具，在《規(guī)范》中，基準(zhǔn)網(wǎng)應(yīng)該符合二等的技術(shù)要求，工作基點(diǎn)應(yīng)符合三等的技術(shù)要求，其精度應(yīng)符合表2的規(guī)定。變形觀測(cè)點(diǎn)參照國(guó)家四等平面控制測(cè)量要求觀測(cè)。

表2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的技術(shù)指標(biāo)

等級(jí)相鄰點(diǎn)間點(diǎn)位中誤差/mm平均邊長(zhǎng)/mm測(cè)角中誤差/(＂)最弱邊相對(duì)中誤差作業(yè)要求一等1．5<><1500．71．0≤1><><1501．01．8≤1><><2001．82．5≤1><4002．5≤1>

2)變形監(jiān)測(cè)平面控制網(wǎng)布設(shè)。變形檢測(cè)平面控制網(wǎng)應(yīng)該為獨(dú)立控制網(wǎng)，在測(cè)量控制網(wǎng)的分級(jí)布網(wǎng)和逐級(jí)控制中，等級(jí)高的控制點(diǎn)是次級(jí)控制網(wǎng)的起始數(shù)據(jù)，而高級(jí)網(wǎng)的測(cè)量誤差則形成次級(jí)網(wǎng)的起始數(shù)據(jù)誤差。水平位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)的精度應(yīng)能滿足變形點(diǎn)觀測(cè)精度的要求。

由于監(jiān)測(cè)的目的和監(jiān)測(cè)體的形狀的不同，使變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)可布設(shè)成多樣的形狀，另外，和環(huán)境條件和地形條件也有關(guān)系。采用地面測(cè)量技術(shù)布設(shè)由三角形構(gòu)成的邊角網(wǎng)或三邊網(wǎng)、導(dǎo)線或?qū)Ь€網(wǎng)。用空間測(cè)量技術(shù)建立GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)以及GPS網(wǎng)與地面測(cè)量網(wǎng)構(gòu)成混合網(wǎng)日益廣泛應(yīng)用。

3)水平位移監(jiān)測(cè)常用方法有：大地測(cè)量法、基準(zhǔn)線法、GPS測(cè)量法、測(cè)角交會(huì)法等，本文主要介紹全站儀空間交會(huì)法。原理是：將全站儀架設(shè)在已知點(diǎn)上，輸入擺站點(diǎn)坐標(biāo)和后視點(diǎn)坐標(biāo)，照準(zhǔn)后視點(diǎn)定向，儀器自動(dòng)將測(cè)站與后視的方位角設(shè)置在該方向上，讓后瞄準(zhǔn)待測(cè)目標(biāo)，全站儀會(huì)很快測(cè)量出水平角、垂直角、距離，并利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算出待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

4)儀器的選擇。所用測(cè)量?jī)x器為：精密水準(zhǔn)儀加測(cè)微器與銦瓦鋼尺配合組成精密水準(zhǔn)儀，即DSZ2精密+FS1平板測(cè)微器+銦瓦水準(zhǔn)尺+TC2003全站儀。

5 變形定性分析

1)在對(duì)沉降觀測(cè)法監(jiān)測(cè)高層建筑物變形進(jìn)行分析之前，要對(duì)建筑物變形產(chǎn)生的原因進(jìn)行探究，只有這樣，才能根據(jù)原因采取監(jiān)測(cè)的措施。高層建筑物發(fā)生變形的原因主要有兩方面，一方面是外界條件及自然變化的原因，比如地基的地下地質(zhì)、水文和土壤的物理性質(zhì)等；另一方面是由于建筑物本身結(jié)構(gòu)造成的。另外，可能由于管理運(yùn)營(yíng)方面做得不合理而引起建筑物的變形。針對(duì)以上各種變形產(chǎn)生的原因，沉降觀測(cè)法可以根據(jù)變形產(chǎn)生的原因而做出正確、有效的監(jiān)測(cè)。高層建筑沉降觀測(cè)是根據(jù)水準(zhǔn)基點(diǎn)定期測(cè)出變形體上沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程變化值。建筑物的沉降觀測(cè)可以采用液體靜力水準(zhǔn)和幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法。對(duì)于單個(gè)構(gòu)件，可采用機(jī)械傾斜儀器或測(cè)微水準(zhǔn)儀等測(cè)量。

2)根據(jù)建筑物實(shí)際情況，依照《規(guī)范》和《規(guī)程》，和高層建筑物出現(xiàn)不均勻沉降等情況引發(fā)的裂隙、傾斜等編寫觀測(cè)方案。由建筑物沉降和裂縫等特征可見，根據(jù)建筑物實(shí)地情況布設(shè)水準(zhǔn)基點(diǎn)，再給建筑物四周布設(shè)具有沉降代表意義的觀測(cè)點(diǎn)，把變形沉降觀測(cè)網(wǎng)與水準(zhǔn)基點(diǎn)連成閉合水準(zhǔn)路線網(wǎng)。采用精密幾何水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)變形點(diǎn)的高程，視水準(zhǔn)基點(diǎn)為不沉降、不動(dòng)點(diǎn)，計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)的高程，每一次觀測(cè)的高程與上一次觀測(cè)的高程之差為本次沉降量，第一次觀測(cè)的高程與此次觀測(cè)的高程，為同一點(diǎn)該時(shí)段的高差累積沉降量。

3)用沉降量和累計(jì)沉降量與觀測(cè)時(shí)間的關(guān)系繪圖表示，依據(jù)沉降關(guān)系計(jì)算出：沉降速度、傾斜度、建筑物不均勻情況帶來的安全系數(shù)和沉降曲線公式等。

6 結(jié)束語

主要介紹了建筑物變形監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)，它是變形監(jiān)測(cè)中非常重要的一項(xiàng)工作，影響到觀測(cè)的成本、成果的精度和可靠性。監(jiān)測(cè)方案隨變形體而異，不可能有統(tǒng)一的模式，在方案制定時(shí)，要對(duì)變形體作詳細(xì)調(diào)查和了解，根據(jù)形變類型、目的、要求以及測(cè)區(qū)條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)介紹了建筑物沉降觀測(cè)和水平位移觀測(cè)的理論和方法，包括變形監(jiān)測(cè)精度分析、變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)、觀測(cè)周期和觀測(cè)時(shí)間的確定以及測(cè)量方法的選擇等。

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收稿日期：2017-02-16；

修回日期：2017-02-27

作者簡(jiǎn)介：周海濤(1985-)，男，黑龍江綏化人，本科，工程師，主要從事測(cè)繪工程相關(guān)工作。

中圖分類號(hào)：TU196.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1672-4011(2017)05-0197-03

DOI：10.3969/j.issn.1672-4011.2017.05.0100