超高層鋼結構建筑施工受日照影響的監測與研究

陳榕城

(廈門市工程檢測中心有限公司　福建廈門　361004)

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超高層鋼結構建筑施工受日照影響的監測與研究

陳榕城

(廈門市工程檢測中心有限公司福建廈門361004)

太陽光作用引起的溫差變化對于鋼結構，尤其是超高層結構建筑的施工有著重要影響。文章以廈門帝景苑項目為例，采用GPS靜態測量和全站儀對超高層鋼結構進行監控量測；并對測量數據進行處理分析，研究太陽光對超高層鋼結構施工的影響。

日照變形；GPS靜態測量；全站儀坐標法

0　引言

近年來，建筑行業紛紛采用增加樓層的辦法緩解建筑用地的資金緊張問題，尤其在大中城市，高層建筑日益增多。且隨著科技的迅猛發展，新興建筑材料的投入使用，建筑行業正在顛覆人們對傳統結構的認識，超高層鋼結構也得到了更廣泛的應用。隨著施工樓層的升高、控制網傳遞次數的增加，測量過程中各種難以消除的誤差，包括了人為元素、儀器本身性能與精度條件、環境等影響[1-2]。其中太陽光照射引起結構正反面的溫度差導致結構的彎曲變形也是重要的干擾因素[3-5]。本文利用GPS靜態測量和全站儀坐標法進行觀測分析，以便及時掌握和控制日照變形對本工程鋼結構安裝的垂直度、標高、定位軸線等測量精度影響。

1　工程概況

廈門帝景苑項目地塊位于廈門筼筜湖與大海連接的西堤東南，規劃建造5幢62層超高層住宅樓，本項目以1#樓為研究實例。1#樓為矩形鋼管混凝土柱框架-鋼板混凝土剪力墻結構，樓蓋采用型鋼梁和鋼筋混凝土現澆板組合樓板。地下結構4層，地上結構62層加一層屋頂層，主體結構標高范圍-21.060m～ 245.690m，加頂層構造層建筑最高位置標高251.100m。框架巨型鋼柱均為箱型截面，剪力墻內部設勁性鋼柱和抗剪鋼板，鋼柱截面最大尺寸為口2 500×2 500×80×80，鋼梁主要為熱軋H型鋼和焊接H型鋼，其最大規格尺寸為H2 000×1 000×40×60。1#樓整體三維示意圖詳見圖1。

2　日照變形測量方案

根據本項目主體結構特點、所處的周邊環境條件及設計要求，提出日照變形測量方案，采用GPS靜態測量和全站儀坐標法對比觀測晴天和陰天時太陽光對超高層鋼結構建筑在施工中的影響，并對測量數據進行處理分析，分析鋼構件安裝施工過程中受日照溫差影響造成的變形情況。

2.1測量內容

GPS靜態測量測點布置見圖2。

(1)GPS靜態測量

采用5臺trimble R4 GPS接受機以靜態測量模式同步觀測，其中3臺架設于地面控制點G1、G2、G3上，另兩臺設在目標層(高150m)鋼柱頂部控制點上，共測量R1、R2兩點，每點觀測時間為有太陽光的白天，采樣間隔為15s，衛星高度角限值為15°，頂部點無遮蔽物，多路徑效應不明顯。天氣晴朗，風很小，數據采集情況正常。

(2)全站儀坐標法

在GPS靜態測量測點R1、R2相同的鋼柱東側固定棱鏡，在目標層(高150m)鋼柱東側200m外的控制點上架設全站儀，以相對坐標法同步觀測R1、R2兩點的變形情況。

2.2數據處理

2.2.1日照變形的主要影響因素

(1)人為因素

因本文主要研究GPS靜態測量，GPS靜態測量時人為影響因素基本不作考慮，全站儀測量采用固定人員多次觀測取均值降低人為因素的影響。

(2)儀器因素

GPS進行測量的基本原理概括為利用GPS技術，通過衛星發射信號，經由地面接收機采集后計算分析得到接收機的精確位置。參照GPS定位原理，2D維度需要三顆衛星，而三維坐標則需要4顆衛星才能實現。通過傳輸信號的不斷更新，接收機解即可得到移動速度以及位置信息。且GPS靜態測量精度的主要影響因素是發射衛星信號的強度以及衛星的位置分布，滿足本次測量的精度要求。因本次測量采用的是徠卡TM50全站儀，測角精度：Hz.V 0.5″(0.15mgon)，最小顯示：0.1″(0.01mgon)，測距精度：0.6mm+1ppm。可進行水平、垂直角度以及水平、垂直距離的測量，能承受風雨以及惡劣環境，可與TPS和GNSS操作平臺進行擴展，使用靈活，反應靈敏度高，滿足本次測量的精度要求[6]。

(3)環境因素

由于太陽照射強度隨著建筑物所在地理位置、訪問、朝向以及所處地區氣候變化而改變，并且在建筑物的內外表面之間，還不斷以輻射、對流、傳導等方式與周圍空氣介質進行熱交換，因此建筑物在日照作用下溫度計算十分復雜，且建筑物自身震動及風力等因素的影響，測量時應選擇風力較小，且暫停塔吊施工等辦法，為簡化起見本文主要研究取為結構向陽面和背陽面的溫差影響[5]。

2.2.2測量數據處理與分析

隨著施工樓層的升高、控制網傳遞次數的增加,測量過程中日照變形偏差因素產生的累積誤差對測量精度的影響逐漸變大。為了及時掌握和控制上述偏差對本工程鋼結構安裝的垂直度、定位軸線等測量精度影響，在白天(9:00～18:00)整周期采用GPS靜態測量和全站儀坐標法進行觀測分析。

(1)GPS靜態測量

GPS靜態測量測得數據如表1(晴天)所示。

表1　晴天GPS靜態測量數據　m

GPS靜態測量測得數據如表2(陰天)所示。

表2　陰天GPS靜態測量數據　m

GPS靜態測量測得數據以9:00為基點各時段的變形情況如表3(晴天)所示。

表3　晴天GPS靜態測量數據(以9:00為基點)　m

GPS靜態測量測得數據以9:00為基點各時段的變形情況如表4(陰天)所示。

表4　陰天GPS靜態測量數據(以9:00為基點)　m

GPS靜態測量測得數據以9:00為基點各時段的變形情況如圖3～圖6所示。

(2)全站儀坐標法

全站儀坐標法測得數據以9:00為基點各時段的變形情況如表5所示。

表5　全站儀坐標法測量數據(以9:00為基點)　m

全站儀坐標法測得數據以9:00為基點各時段的變形情況如圖7～圖8所示。

2.3變形分析

分析表明，陰天測得數據偏差均在(-3mm～3mm)之間，偏差原因主要是系統誤差及塔吊施工等因素，GPS和全站儀兩種測量方法平面坐標吻合較好，最大偏差為4mm，偏差數據還存在系統性，所以晴天測得的數據是好的，可以用的。

通過白天(9:00～18:00)整周期的觀測，由于太陽光照射在鋼柱的一側，鋼柱將會向背光的一側發生附加的傾斜位移。尤其是廈門的10:00～11:00和15:00～16:00時，柱的兩側會產生較大溫差從而產生傾斜位移。

3　日照變形校正方案

為了控制日照變形造成的誤差，在施工的同時采取同步校正的方案。即在結構安裝的同時進行監測數據分析，得到日照溫差可能造成的變形值，對比設計數據反向求差值后施工，進行校正。這時鋼結構安裝測量可考慮對鋼柱進行預偏，預偏方向與太陽光照方向相反。示意圖如圖9。

綜合考慮日照溫差隨時間的不確定性及鋼柱垂直度允許偏差，在實際的測量作業過程中，取1/2⊿(⊿為鋼柱頂受日照溫差影響產生的位移值)為常數進行預偏，即在此情況下，向日照反方向預偏1/2⊿[4]。

并且，根據初步施工經驗重復得到一天內不同時段的大致預偏值：早上9點以前和下午4點以后預偏值較小，10:00～16:00 預偏值較大。盡可能選擇早晨和傍晚(早晨9點鐘之前、以及下午4點鐘之后)陽光較弱時間，以及塔吊停運轉時，進行測量平面控制網設置和垂直向上傳遞以及對重要鋼構件平面位置、標高及垂直度進行最終測量校正。陽光直射對鋼結構的施工、測量影響最大，應盡量避免，選擇項目所在地的環境溫差較小時進行施工作業，并采取同步校正安裝方法，可以減輕日照溫差的影響，提高施工質量。通過同步校正安裝方法，有效控制了日照偏差，滿足了施工精度要求[7]。

4　結論

日照引起的溫差對于鋼結構施工有著重要影響，不得忽視。本文以廈門帝景苑項目為例，采用GPS靜態測量和全站儀坐標法對超高層鋼結構進行監控量測，并對測量數據進行處理分析，得到以下結論：

(1)太陽光照射鋼柱一側，鋼柱將向背光的一側發生傾斜位移， 10:00～11:00和15:00～16:00發生傾斜位移最大。

(2)針對日照溫差的影響規律，為鋼結構提出可行性方案：陽光直射對鋼結構的施工、測量影響最大，應盡量避免，選擇項目所在地的環境溫差較小時進行施工作業，并采取同步校正安裝方法，以減輕日照溫差的影響，提高施工質量。

[1]龍馭球，包世華.結構力學[M].北京:高等教育出版社，2006.

[2]GB50017-2003 鋼結構設計規范[S].北京:中國計劃出版社，2003.

[3]賀志勇,呂中榮,陳偉歡，等.基于GPS的高聳結構動態特性監測[J].振動與沖擊，2009.28(4)：14～17.

[4]徐乃祥.日照對預制鋼筋混凝土柱垂直度的影響[J].建筑技術,1986.03:50-52.

[5]林錯錯,王元清,石永久,等.溫度作用對鋼結構設計與施工的影響分析[A].全國現代結構工程學術研討會，2010.948～956.

[6]賀志勇,趙龍,呂中榮,等.RTK-GPS在廣州新電視塔變形監測中的應用研究[J].工程勘察，2010.(4)：67～70.

[7]楊皓東,何焰江,張秉文.日照溫差對大跨度鋼結構柱安裝影響的探析[J].工程與建設，2012.26(5)：676～677.

Influence of solar light on the construction of super high rise steel structure by GPS and total station

CHENRongcheng

(Xiamen Engineering Test Center Co., LTD，Xiamen 361004)

The change of temperature difference caused by solar light has important influence on steel structure, especially in the construction of super high -rise building. This paper takes Xiamen Dijingyuan project as an example, both the GPS static measurement and the total station are used to conduct solar radiation deformation monitioring; And through the processing of data analysis, to study the effect of sunlight of high-rise steel structure construction.

Solar radiation deformation； GPS static measurement；Total station coordinate method

陳榕城(1983.02-)，男，工程師。

E-mail: 106990002@qq.com

2016-05-10

TU3

A

1004-6135(2016)07-0105-04