钢结构建筑物变形监测方案设计

钢结构建筑物变形监测方案设计

周海涛，孙健利

(宁波冶金勘察设计研究股份有限公司，浙江 宁波 315041)

摘 要：介绍了变形监测对物体的安全维护与运作的重要作用，阐述了目的、意义及基础理论等，重点对钢结构建筑物变形监测方案设计思路、数据处理、观测周期的确定方法及变形监测网点的布设等进行论述。

关键词：钢结构；建筑物；变形监测

0 前 言

变形检测是为了得到物体的空间位置和时间之间的关系，从而对物体或者被监视对象进行测量。在变形分析中，可以把变形的物理解释和几何分析结合起来综合分析预报。一方面，几何分析可以分析物体形态的变化，包括大小、方向等变化；另一方面，物理解释可以用来分析变形的原因。另外，在变形检测中会运用到很多学科的知识，包括测绘、应用数学、水文、工程和控制论等。从工程的安全方面考虑，检测是工程的基础，分析是手段，预报则是目的。

1 目的及意义

对建筑物的施工建设和运营管理阶段进行安全监控、评价和预报，以便保证工程的安全，通过监测和工程有关的设备及地质构造的结构情况，及时发现问题，并对准确做出推断，采取相应措施来保证工程的安全性和稳定性。

2 关于钢结构建筑物的监测方案

2.1 内容概述

监测内容包括：确定测量方法、控制网布设、数据处理的监督、确定运行周期和测量精度指标。执行规范有：GB 50026-2007《工程测量规范》(以下简称《规范》)、JGJ 8-2016《建筑变形测量规程》(以下简称《规程》)、GB/T 12897-2006《国家一、二等水准测量规范》。

2.2 变形监测精度标准

为了达到变形监测的目的，在结合工程的实际情况，变形监测精度应符合《规范》的要求。变形测量的等级划分和要求如表1所示。

2.3 观测周期和观测时间的确定

为了确保工程建筑的顺利进行，在工程建筑的不同时期，监测的周期也应该有所变化。在初期，由于变形的可能性较大，因此，观测的周期时间应该缩短；随着建筑物的逐渐稳定，可以适当减少监测的次数；确定一个周期内的观测时间，意味着需要在规定的时间内完成一个周期的所有测量工作，以免观测周期内的变形被歪曲。

在施工期间，建筑物的观测需要结合进度及时调整。一般建筑和大型建筑要区别对待，前者一般需要在基础阶段完成后开始监测，后者需要在基础垫层或者基础底部完成后开始监测。监测的次数和时间间隔应根据实际情况而定。如果建筑物荷载增加均匀，在增加荷载的25%、50%、75%和100%时应至少各测一次，如基坑回填、柱子安装和屋架、墙体砌筑、安装设备等这些不同的施工阶段，可以按照上述阶段分别进行观测。在民用高层建筑中，可以每加高1～3层监测一次。如果出现暂时停工现象，应该在停工时和重新开工前各监测一次，在停工期间也应每隔1～2月监测一次。

在建筑物的使用阶段，监测次数应该由其沉降速度和地基土的类型来决定。除特殊情况，一般第1年观测3～4次，第2年观测2～3次，第3年后每年1次，直至数据稳定。在监测过程中，如果遇到长时间降雨或者地面荷载有较大变化，均需要增加观测次数。一旦建筑物出现大的裂缝或者沉降不均匀时，有必要1～3 d进行一次连续观测。

表1 变形测量等级划分 mm

变形测量等级垂直位移测量水平位移测量变形点的高程中误差相临变形点高差中误差变形点的点位中误差 使用范围一等±0．3±0．1±1．5变形特别敏感的高层建筑、工业建筑、高耸构筑物、重要古建筑精密工程设施等二等±0．5±0．3±3．0变形比较敏感的高层建筑、高耸构筑物、古建筑重要工程设施和重要建筑场地的滑坡监测等三等±1．0±0．5±6．0一般性的高层建筑、工业建筑、高耸构筑物滑坡监测等四等±2．0±1．0±12．0观测精度要求较低的建筑物、构筑物和滑坡监测等

2.4 监测网布设

1)布网和变形是紧密联系在一起的。比如在布设网点时，应该选择干扰小、地质条件好的地方布点，或者结合变形点的位置来确定网点的位置，网点是观测点的工作基点，一般布设稳定点要花费较大的一笔费用。

2)变形网多余观测条件并且复杂。工程控制网以构成简单的三角形、网边形或中点多变形为最好，不去追求图形如何构成，并以多余观测越多越好。变形网一般采用间接平差进行平差。

3)变形精度高为网边短，采用的普遍做法是强制归心。变形测量网的边长最多不超过1 km，变形监测网用于专有地震监测的，边长也多在1 km左右，通常观测要求是按照国家一、二等精度的要求进行的，或者采用最先进的仪器来测量，而高精度仪器主要集中在地震部门和水电部门，目前这些先进的仪器也主要用于变形监测。

4)在工程控制网中变形网可以没有已知数据，控制网必须具有一个已知的坐标、方向、一条边长，但是变形网是相对网，其可以按照自由网平差，不需要这些测量数据。虽然在工程控制网中可以假定已知点和方向，但是已知边是一定不能缺少的。

2.5 沉降点的布设

1)水准基点的布设。水准基点作为垂直位移观测的基准，其应该设在施工影响范围之外，另外，还要保证没有建筑物变形，距变形观测点20～100 m之间，保证牢固不变，并保存永久，地点安全且不受施工影响。可设在稳固的建筑物或基岩上，也可按一、二等水准点标规格埋设标石，一般不少于3个是为了对水准基点校核。

2)布设沉降监测点。布设在变形体上，并有代表性的、能正确反映其变形的特征点。在确定监测点的数量和位置时，应该结合地质结构、支护结构形式、基坑周边环境和建(构)筑物荷载等情况。在高层建筑物中，应该沿其周围每隔10～20 m设置一点。观测点应埋设稳固、不受破坏且能长期保存。点的高度和朝向要便于垂直立尺观测。观测点的埋设形式应根据建(构)筑物结构、形式而设置，一般有以下几种形式，角钢埋设观测点，设备基础观测点，永久性观测点。

除了沉降观测点数量、位置、形式的确定外，其标志选用也是一个重要内容，观测点的标志可以采用有色金属，一般用角钢ΦL30×5，圆钢Φ20～25 mm制成，不仅可以起到装饰建筑物的作用，而且不会影响建筑物外表的美观。另外，为了方便以后测量，观测标志应该在建筑物施工的同时安装在建筑物基础，一般选择在墙上或者地下室等适当的位置，并且需要与墙面和地面保持适当的距离，标志埋入墙内的尺寸应大于外露部分的3倍。

3)观测方法。布点监测分为水准基点、工作基点和沉降观测点，在监测中需要采用“分级观测”的方式，从水准基点到工作基点，再到沉降观测点。对于施工场地不大的建筑物，则可以不分级测量，但需要设置3个水准点，并选择水准基点时要其中最稳定的一个点。要求为：

(1)在作业中应该遵循以下原则：在外业观测时，要前后视距相等，在成像清晰时再进行；前后观测时，应该使用同一把水准尺；为了避免出现异常情况，应该经常对水准仪器及标尺进行定期检查，及时检验校正。

(2)观测中应该做到水准点固定、水准路线一样、观测方法要相同、观测的仪器也要一致、观测的人员也要一样。

(3)在首次观测时，要认真测量并仔细记下测量值，这是计算沉降的初始值，还要连续测量两次，并最终取平均值，以便确保观测结果的可靠性和正确性。

(4)每测段中往测和返测的测站数均应为偶数，否则就应及时改正。如果从往测转向返测，则标尺也需要互换位置，并应重新设置仪器。在同一测站观测时，不得两次调焦，转动仪器的倾斜螺旋和测微鼓时，其最终旋转方向是旋进。

(5)每次观测都需要采用往返闭合法或环形闭合法，并在现场进行检查，并且闭合差也应该符合误差要求，不得超出规定的范围。

(6)观测的结果在误差范围内，闭合差便可以按测站数进行分配，计算高程。

3 观测结果与结果判定

沉降观测应绘制下列图表：①沉降观测成果表；②沉降观测点为分布图；③工程平面图及基准点分布图；④建筑物沉降曲线分析图；⑤沉降数据分析报告。

在判定沉降是否进入稳定阶段时，需要根据时间也沉降量的关系来确定。如果为重点观测和科研观测工程，若在最后三个周期中观测到的每周期沉降量不超过2倍测量中的误差，则可以认为已经进入了稳定阶段。在一般观测工程，若最后100 d的沉降速率小于0.01～0.04 mm/d，可认为已进入稳定阶段，具体取值应根据各地区的实际情况决定。

4 水平位移变形监测

1)精度技术指标。是监测控制基准网和工作基点的主演工具，在《规范》中，基准网应该符合二等的技术要求，工作基点应符合三等的技术要求，其精度应符合表2的规定。变形观测点参照国家四等平面控制测量要求观测。

表2 监测网的技术指标

等级相邻点间点位中误差/mm平均边长/mm测角中误差/(＂)最弱边相对中误差作业要求一等1．5<><1500．71．0≤1><><1501．01．8≤1><><2001．82．5≤1><4002．5≤1>

2)变形监测平面控制网布设。变形检测平面控制网应该为独立控制网，在测量控制网的分级布网和逐级控制中，等级高的控制点是次级控制网的起始数据，而高级网的测量误差则形成次级网的起始数据误差。水平位移监测网的精度应能满足变形点观测精度的要求。

由于监测的目的和监测体的形状的不同，使变形监测网可布设成多样的形状，另外，和环境条件和地形条件也有关系。采用地面测量技术布设由三角形构成的边角网或三边网、导线或导线网。用空间测量技术建立GPS监测网以及GPS网与地面测量网构成混合网日益广泛应用。

3)水平位移监测常用方法有：大地测量法、基准线法、GPS测量法、测角交会法等，本文主要介绍全站仪空间交会法。原理是：将全站仪架设在已知点上，输入摆站点坐标和后视点坐标，照准后视点定向，仪器自动将测站与后视的方位角设置在该方向上，让后瞄准待测目标，全站仪会很快测量出水平角、垂直角、距离，并利用这些数据计算出待测点的三维坐标。

4)仪器的选择。所用测量仪器为：精密水准仪加测微器与铟瓦钢尺配合组成精密水准仪，即DSZ2精密+FS1平板测微器+铟瓦水准尺+TC2003全站仪。

5 变形定性分析

1)在对沉降观测法监测高层建筑物变形进行分析之前，要对建筑物变形产生的原因进行探究，只有这样，才能根据原因采取监测的措施。高层建筑物发生变形的原因主要有两方面，一方面是外界条件及自然变化的原因，比如地基的地下地质、水文和土壤的物理性质等；另一方面是由于建筑物本身结构造成的。另外，可能由于管理运营方面做得不合理而引起建筑物的变形。针对以上各种变形产生的原因，沉降观测法可以根据变形产生的原因而做出正确、有效的监测。高层建筑沉降观测是根据水准基点定期测出变形体上沉降监测点的高程变化值。建筑物的沉降观测可以采用液体静力水准和几何水准测量方法。对于单个构件，可采用机械倾斜仪器或测微水准仪等测量。

2)根据建筑物实际情况，依照《规范》和《规程》，和高层建筑物出现不均匀沉降等情况引发的裂隙、倾斜等编写观测方案。由建筑物沉降和裂缝等特征可见，根据建筑物实地情况布设水准基点，再给建筑物四周布设具有沉降代表意义的观测点，把变形沉降观测网与水准基点连成闭合水准路线网。采用精密几何水准测量观测变形点的高程，视水准基点为不沉降、不动点，计算观测点的高程，每一次观测的高程与上一次观测的高程之差为本次沉降量，第一次观测的高程与此次观测的高程，为同一点该时段的高差累积沉降量。

3)用沉降量和累计沉降量与观测时间的关系绘图表示，依据沉降关系计算出：沉降速度、倾斜度、建筑物不均匀情况带来的安全系数和沉降曲线公式等。

6 结束语

主要介绍了建筑物变形监测方案设计，它是变形监测中非常重要的一项工作，影响到观测的成本、成果的精度和可靠性。监测方案随变形体而异，不可能有统一的模式，在方案制定时，要对变形体作详细调查和了解，根据形变类型、目的、要求以及测区条件进行监测方案设计。本文重点介绍了建筑物沉降观测和水平位移观测的理论和方法，包括变形监测精度分析、变形监测网的布设、观测周期和观测时间的确定以及测量方法的选择等。

[ID:004038]

参考文献：

[1] 黄声享，尹晖.变形监测数据处理[M].武汉:武汉大学出版社，2003.

[2] 高淑照.灰色系统理论及在混凝土桥梁施工挠度变形监测中的应用[D].成都：西南交通大学，2002.

[3] 高绍伟.高层建筑物沉降观测与预测[J].北京工业职业技术学院学报，2010，9(2)：11-16，22.

收稿日期：2017-02-16；

修回日期：2017-02-27

作者简介：周海涛(1985-)，男，黑龙江绥化人，本科，工程师，主要从事测绘工程相关工作。

中图分类号：TU196.1

文献标志码：B

文章编号：1672-4011(2017)05-0197-03

DOI：10.3969/j.issn.1672-4011.2017.05.0100