高层建筑变形监测

变形监测及数据处理课程

---专题作业

作业名称：高层建筑变形监测分析

专业班级：测绘2班

姓名：吴建全

学号：---------

组号：2班6组

组员情况：组长（贾某某）、组员（吴建全，

贺某某，何某某，陈某）

摘要

高层建筑变形监测是通过对建筑物外型进行变形方面的监测，对建筑物外形状态进行判定，一旦出出现安全范围外的变形事故，及时分析高层建筑变形原因，实施纠偏措施，从而有效保障人民生命财产安全。因此，本文分析了高层建筑变形监测的基本特点与高层建筑变形监测的实施过程，从而力图实现一定的学术研究意义与现实实践意义。

[1]

通过该高层建筑的变形监测的研究，目的是保障建筑物的施工与使用安全，体现出高层建筑在建设和使用过程中变形监测的重要性，为建筑物安全施工提供了必要的评估数据。

关键词:高层建筑物,变形监测，数据处理，沉降分析

目录

1、高层建筑变形监测的目的和特点 (4)

2、变形监测测的内容 (5)

3、基坑回弹观测 (6)

4、建筑物的沉降监测方法 (7)

5、建筑物的位移监测 (8)

6、高层建筑变形监测实施过程 (9)

7、数据处理 (10)

6、高层建筑物变形监的一些原因 (11)

9、结束语 (11)

引言

建筑物变形是指建筑物在施工建设与运营管理过程中由于地下水结构、气候温度变

化、建筑物材料折损、建筑物荷载变化等作用下建筑物发生垂直升降、水平位移等一系列外形变化状态的统称。而建筑物变形监测分析是指借助相应测量仪器和技术标准、规范，对建筑物外形进行及时的监测与分析。

高层建筑由于其建筑规模和经济规模都比较大，因此高层建筑施工和运营过程中变形监测都尤为重要。一方面，对高层建筑实施不定期的监测有助于及时发现高层建筑存在的问题，分析问题的原因，提出解决问题的对策，从而保障人民生命财产安全；另一方面，高层建筑变形监测数据、技术标准、解决对策等对行业内其他建筑物变形监测有重要的学术借鉴意义。

1、高层建筑变形监测的目的和特点

1.1 变形监测的目的

通过对变形体动态监测，获得精确观测数据，对监测数据综合分析，对各种工程建筑物在施工或使用过程中的异常变形做出预报，提供施工和管理方法，以便及时采取措施，保证工程质量和建筑物安全。同时对采用新结构、新材料、新工艺性能做出客观评价。

1.2 变形监测的特点

高层建筑变形监测重要目的在于对高层建筑的安全进行监测，而这又分为外部监测和内部监测两个部分。内部监测主要是借助专业化的技术设备对高层建筑内部应力、建筑物内部温度变化、建筑物动力特性等方面进行不定期监测。外部监测主要是通过观察、测量数据等对高层建筑沉降、位移、倾斜及裂缝等方面进行观测。在高层建筑安全监测中，外部监测和内部监测相辅相成，应同时进行，协同分析。第一，测量精度高，由于高层建筑外形数据“牵一发而动全身”，高层建筑外形数据微小的变化就会对建筑整体的稳定性及安全性构成极大的威胁，同时不利于外形变化原因的分析与对策的研究，因此，相较于其他建筑变形监测，高层建筑变形监测要求极高的精确度，从而保障监测有效性。[2]一般位置精度为1mm；第二，需要重复观测，测量时间跨度大，观测时间和重复周期取决于观测目的、变形量量大小和速度。第三，需要严密的数据处理，数据量大，变形量小，变形原因复杂。第四，要求变形资料提供快和准确。

2、变形监测测的内容

根据变形的性质，建筑物变形可分为静态变形和动态变形两类。静态变形是时间的

函数，观测结果只表示在某一期间内的变形。静态监测的内容有内部应力、应变监测、动力特性监测和加速度监测。动态变形是指在外力作用下产生的变形，它是以外力为函数表示的，对于时间的变化，其观测结果表示在某一时刻的瞬时变形。[3]

动态监测内容有沉降监测、位移监测、倾斜监测、裂缝监测和挠度监测。

沉降观测

1施工对邻近建(构)筑物影响的观测

打桩和采用井点降低水位等，均会使邻近建(构)筑物产生不均匀的沉降、裂缝和位移等变形。为此，应在打桩、井点降水影响范围以外设基准点，对距基坑一定范围的建(构)筑物上设置沉降观测点，并进行沉降观测。并针对其变形情况，采取安全防护措施。

2施工塔吊基座的沉降观测

高层建筑施工使用的塔吊，吨位和臂长均较大。随着施工的进展，塔吊可能会因塔基下沉、倾斜而发生事故。因此，要根据情况及时对塔基四角进行沉降观测，检查塔基下沉和倾斜状况，以确保塔吊运转安全。

3地基回弹观测

一般基坑越深，挖土后基坑底面的原土向上回弹的越多，建筑物施工后其下沉也越大。为了测定地基的回弹值，基坑开挖前，在拟建高层建筑的纵、横主轴线上，用钻**直径100mm的钻孔至基础底面以下300～500mm处，在钻孔套管内压设特制的测量标志，测定其标高。当套管提出后，测量标志即留在原处。待基坑挖至底面时，测出其标高，然后，在浇筑混凝土基础前，再测一次标高，从而得到各点的地基回弹值。地基回弹值是研究地基土体结构和高层建筑物地基下沉的重要资料。

4地基分层和邻近地面的沉降观测

这项观测是了解地基下不同深度、不同土层受力的变形情况与受压层的深度，以及了解建筑物沉降对邻近地面由近及远的不同影响。这项观测的目的和方法基本与地基回弹观测相同。

5建筑物自身的沉降观测

这是高层建筑沉降观测的主要内容。当浇筑基础垫层时，就在垫层上设计指定的位置埋设好临时观测点。一般每施工一层观测一次，直至竣工。工程竣工后的第一年内要测四次，第二年测二次，第三年后每年一次，直至下沉稳定为止。一般砂土地基测二年，粘性土地基测五年，软土地基测十年。

位移观测

1护坡桩的位移观测

无论是钢板护坡桩还是混凝土护坡桩，在基坑开挖后，由于受侧压力的影响，桩身均会向基坑方向产生位移。为监测其位移情况，一般要在护坡桩基坑一侧500mm左右设置平行控制线，用经纬仪视准线法，定期进行观测，以确保护坡桩的安全。

2日照对高层建筑物上部位移变形的观测

这项观测对施工中如何正确控制高层建(构)筑物的竖向偏差具有重要作用。观测随建(构)筑物施工高度的增加，一般每30m左右实测一次。实测时应选在日照有明显变化的晴天天气进行，从清晨起每一小时观测一次，至次日清晨，以测得其位移变化数值与方向，并记录向阳面与背阳面的温度。竖向位置以使用天顶法为宜。

3建筑物本身的位移观测

由于地质或原因，当建筑物在平面位置上发生位移时，应根据位移的可能情况，在其纵向和横向上分别设置观测点和控制线，用经纬仪视准线或小角度法进行观测。

倾斜观测

1建(构)筑物竖向倾斜观测

一般要在进行倾斜监测的建(构)筑物上设置上、下二点或上、中、下多点观测标志，各标志应在同一竖直面内。用经纬仪正倒镜法，由上而下投测各观测点的位置，然后根据高差计算倾斜量。或以某一固定方向为后视，用测回法观测各点的水平角及高差，再进行倾斜量的计算。

2建(构)筑物不均匀下沉对竖向倾斜影响的观测

这是高层建筑中最常见的倾斜变形观测，利用沉降观测的数据和观测点的间距，即可计算由于不均匀下沉对倾斜的影响。

3、基坑回弹观测

3.1 回弹观测点的布设

回弹观测点的布设和数量，一般沿基坑的纵横轴线布设，还可根据建筑物分布及地层情况进行布设，要求布设点能够反映基坑回弹的纵横断面。

3.2 回弹标的埋设

回弹标埋设时使用钻机至设计基坑底板下20cm-30cm（深度应精确计算）。下套管的深度应回弹标上半部分（1/3处）在套管内。用清水洗静孔底的沉积物，然后投入适量的混凝土，用钻杆将回弹标送下埋入混凝土中轻压，使其与周围土固结，待观测完回弹标后，取出套管，做好标记，即完成回弹标的埋设工作。

3.3 开挖前测标

采用水准仪、铟钢水准尺结合钢尺，悬吊重锤，与标顶接触的办法来传递高程，测定时一定要现场验算观测数据，检查无误后，取出测锤，先回填0.5m白灰（灰桩），再拔出套管，掩护好井口后撤离。最后用经纬仪实测回弹标孔位、水准点位、基坑位置、形状，绘制成图，以便开挖后寻找。

3.4 挖后测标

基坑开挖距设计标高1.0m～0.5m左右时，用经纬仪放出回弹标的位置，记录数据，测定温度，对钢尺进行尺长改正，对记录数据进行修正。

3.5 回弹量计算，绘制回弹曲线图

计算回弹量，根据回弹点的分布和回弹量，绘制纵横回弹面的曲线图。

回弹量计算公式为：δ=H2-H1（1）

其中：H1为开挖前回弹点的高程；H2为开挖后回弹点的高程

4 、建筑物的沉降监测方法

4.1 沉降基准点的设置

沉降观测的基准，应埋设在建筑物变形影响范围之外，距开挖边线50m之外，按二、三等水准点规格埋石，个数不少于3个。

4.2 沉降观测点的设置

观测点设立在变形体上，首先深基坑支护结构观测点埋设在锁口架上，一般20m埋设一个，在支护的阳角处和距基坑很近的原建筑物应加密观测点。然后，在建筑物四角沿外墙间隔10～15米处布设，在柱上每隔2～3根柱设一个点，对于圆形建筑物需要在基础轴线对称部位设点。人工地基和天然地基接壤处，裂缝、伸缩缝处，不同高度建筑交接处，新旧建筑物交接处等建筑物分界处也需要设点。

4.3 沉降的观测

当观测点埋设完毕后，在建筑物主体开工前进行第一次观测，使用精密水准仪进行测量。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。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。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。

4.4 沉降的结果整理

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，沉降量的计算如下公式（2）和（3）所示，把计算结果填到沉降观测记录表中，为更好反应每个沉降观测点随时间和荷载的增加，观测点的沉降量的变化，并进一步估计沉降发展的趋势以及沉降过程是否渐趋稳定或者已经稳定，还需要绘制沉降曲线。

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）

累积沉降量=本次沉降量+上次累积沉降量（3）

5、建筑物的位移监测

5.1 建筑主体的倾斜

5.1.1 测定基础沉降差法

建筑物基础上选设沉降观测点A和B，使用精密水准测量法定期观测A，B两点沉降差Δh，然后测量A，B两点的距离为L，基础倾斜度为Δh/L。

5.1.2 激光垂准仪法

在建筑物顶部与底部间有竖向通道，建筑物顶部适当位置安置接收靶，垂线下的地面或地板上埋设点位安置激光垂准仪，使激光垂准仪的铅垂激光束投射到顶部接收靶，然后接收靶上直接读取或用直尺，量出顶部两位移量Δu和Δv，计算倾斜度与倾斜方向角。

5.2 裂缝观测

5.2.1 裂缝观测内容

裂缝观测主要测定建筑物上的裂缝分布位置，裂缝走向、长度、宽度及其变化程度。观测数量视需要而定，对主要的或变化大的裂缝应进行观测，观测周期视裂缝变化速度而定。

5.2.2 裂缝观测方法

首先对裂缝进行编号，每条裂缝至少应布设两组观测标志，一组在裂缝最宽处，另

一组在裂缝末端。如果裂缝较少时，使用比例尺、小钢尺或游标卡尺等工具对裂缝进行测量，通过丈量标志间的距离求得裂缝变位值，或用方格网板定期读取“坐标差”计算裂缝变化值。如果是面积裂缝较大不便于人工测量的裂缝，一般用近景摄影测量方法，每次观测应绘出裂缝的位置、形态和尺寸。

5.2.3 裂缝观测结果

裂缝观测结束后，绘制裂缝分布位置图和裂缝观测成果表，编写观测成果分析说明书。

6、高层建筑变形监测实施过程

6.1.高层建筑变形监测方案设计

高层建筑变形监测方案设计具体内容包括以下方面：

（1）国家建筑安全管理实施规范

（2）建筑行业内要求建筑变形监测需要统计的数据信息

（3）其他建筑变形监测经验

（4）高层建筑本身所处的地质条件、水文环境、气候条件

通过以上技术标准及行业规范的统计与分析，高层建筑变形监测主要对建筑物垂直沉降、水平位移、裂缝大小、倾斜程度等方面数据进行统计分析。

6.2.高层建筑变形监测方案实施

（1）确定监测精度与监测方法

高层建筑变形监测精度的确定主要依据以下几个方面：高层建筑在不同时间周期上的平均变化量；行业技术规范内固定变化量；高层建筑技术规范中最小变形值；建筑地质环境、水文环境允许值。而高层建筑监测方法主要根据行业内其他建筑变形监测的经验结合本建筑周围环境制定特色化的监测方案。

（2）制定变形监测周期

变形监测周期的确定主要取决于高层建筑的变形值大小、变形速度以及高层建筑变形监测目的。制定变形监测周期的基本依据在于高层建筑的建筑目的、变形速度、变形监测精度要求和高层建筑外部环境特点。一般高层建筑变形监测周期可以利用公式：来进行计算。公式中hM表示设置的不同监测点的高程差；V表示高层建筑的沉降速度；K 表示不同监测点之间的沉降量与误差之间的比例。根据公式计算，一般高层建筑运营阶段第一年变形监测需要每季度进行监测，而第二年基本可以每半年进行一次变形监测，其他时间可以每年进行一次监测。在高层建筑变形监测中要随时统计分析第一手的数据资料，从而有效保障监测精度。

（3）严格要求监测人员及技术设备

高层建筑变形监测人员需要具备专业的测量理论知识和实践经验，从而对监测结果有效分析，对监测问题制定相应的解决方案。而专业化的技术设备必须满足高层建筑变形监测精度的要求。

（4）科学布置变形监测点

高层建筑变形监测点的设置直接关系到是否能够对高层建筑设计变形量、变形速

度、变形频率的高精度有直接的关系，因此高层建筑变形监测变形监测点的布置尤为重要。例如高层建筑沉降监测点的布置中需要在建筑本身至少设置三个不受建筑施工影响的水准点，同时在每次的变形监测之前都需要对水准点进行检验，测试水准点的稳定性。

（5）有效记录分析监测结果

高层建筑变形监测结果的分析记录一定要利用科学的表格进行统计、确保数据统计结果的及时性、准确性。而对于统计结果的分析需要利用专业化的分析方法和模型。

7 、数据处理

7.1静态监测数据处理法

在高层建筑的变形监测中,静态监测会发会一定的监测作用,它是通过选取基准点分期监测高层建筑,并以每一期的监测数据作为一次相定位,通过两期之间监测点的位置变化来测定变形量。静态监测数据处理的一般流程是:用静态相对定位方式得到各期的基线向量,通过进行网平差,并对观测量进行评价和分析,并获得监测点的坐标,再根据监测点的两期坐标差采用统计检验方法确定该坐标差是否存在变形量。该方法的监测网一般由基准和监测点构成。基准点用于保证变形监测的变形分析在同一基准下进行。采用这种数据处理方式时,需要解决两个问题,一是保证选取的高层建筑的基准点的稳定,或采用有效方法使变形信息不受基准点变化的影响;二是要采取有效的方法正确剔除观测值中存在误差的数据。

7.2单历元解算法

随着科学技术的不断进步,变形监测也不断追求动态定位,高层建筑的监测同样如此,对于动态定位,一般采用整周模糊度的在航求解方法。为了从根本上解决该方法中周跳的探测与修复的问题,变形监测的工作者提出了单历元解算模糊度的方法。该方法的基本思想是:通过确定GPS点的误差较小的近似坐标,选择PODP值最小、几何图形最优的4颗卫星为基本卫星星座,并利用载波建立3个双差方程,用近似坐标解算3个方程模糊度的实数解,并进一步讲实数解变为最接近该数字的整数,然后再根据计算的坐标,通过模糊运算得出高层建筑的变形规律。该方法适合于大型的高层建筑的变形监测。

7.3频谱分析法

对高层建筑的变形数据分析既可以在时间域进行,同样也可以通过频率域进行。高层建筑变形监测的频谱分析法是将时间域内的数据序列通过傅立叶(Fourier)级数转换到频率域内进行分析,这种转换有利于进一步确定时间序列的准确周期,同时还可以判断出隐蔽性和复杂性的周期数据。频谱分析法是高层建筑变形监测的一种常用方法,尤其是在高层建筑物的结构振动监测方面应用甚广。然而,在实际应用中对高层建筑变形监测采用频谱分析法具有一定的难度,频谱分析法对数据序列时间的等间隔要求十分严格,而一旦数据序列时间的等间隔没有达到要求,那么非等间隔的时间序列就会对数据进行插补和平滑处理,这就必然会带入人为因素对数据分析产生影响,从而在变形监测

的数据分析中产生较大的误差。因此,采用该发放对高层建筑进行变形监测数据分析要严格按照要求选取等间隔的数据序列时间坐标。

7.4小波变换法

小波变换法是一种最新的时频局部化分析方法,他可以克服传统的经典傅立叶分析不能描述信号时频特征的缺陷。利用小波变换多分辨率的特性对高层建筑进行变形监测分析,可以实现高层建筑动态监测数据的滤波、变形特征信息的提取以及不同变形频率的分离,从而有效的求解变形的非线性系统问题。小波分析需要大子样容量的时间序列数据,随着现代技术的发展,这项要求变得简单起来,我们可通过GPS、TPS等集成的自动化监测系统中获得长序列数据。小波分析为高层建筑的高精度变形监测提供了支持,可实现其它方法无法解决的难题,特别是对非平稳信号消噪有着其它方法不可比拟的优点。因此,小波分析法在高层建筑的数据处理与分析方面必将发挥越来越大的作用。

8、高层建筑物变形的一些原因

（1）自然条件和自然条件的变化,包括建筑物地基的工程地质、水文地质、土壤的物理性质、大气温度变化、日光照射等。

（2）与建筑物本身相联系的原因,即建筑物本身的荷重、建筑物结构形式及动荷载(如风力、震动)等。

（3）勘测、设计、施工及运营管理工作做得不合理所造成的建筑结构变形,设计和施工中的权限和瑕疵,运营中的超载,使用中的保养、维护不及时、不到位等。[4]

9 、结束语

高层建筑变形监测是建筑运营阶段的一项重要工程，对高层建筑本身的安全性及稳定性有重要的意义，而高层建筑变形监测不仅需要专业化的理论知识基础，同时需要先进的变形监测经验指导，多方面资源的组织与协调才能保障高层建筑变形监测的有效性。高层建筑物倾斜观测的方法多种多样，在实际工作中应以科学、合理、经济、适用为原则灵活选用，对同一建筑物可选用多种方法施测。对同一建筑物的不同时期、不同阶段可采用不同的方法，或对不同的建筑物采用同一方法进行倾斜观测。但无论采用何种观测方法，均应按建筑物的倾斜观测周期定期施测。