超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑傾斜性監(jiān)測分析

朱 贊，甘 淑

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

鋼結(jié)構(gòu)建筑尤其是超高層鋼結(jié)構(gòu)為主體的建筑物安裝和施工是一個極其復(fù)雜且精密的過程。在其施工過程中由于重力載荷、溫度載荷、風(fēng)載荷以及基礎(chǔ)形變[1]等因素的影響，往往會出現(xiàn)建筑物的結(jié)構(gòu)變形和整體傾斜變形。首先，結(jié)構(gòu)變形會使得構(gòu)件的實(shí)際位置偏離設(shè)計(jì)的安裝坐標(biāo)，對后續(xù)的施工安裝工作造成極大影響。其次，在超高層鋼結(jié)構(gòu)尤其是塔式超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工中，建筑物的傾斜變形量過大不僅會造成工程質(zhì)量問題，甚至造成重大安全事故。因此，如何有效地對其進(jìn)行傾斜變形監(jiān)測并控制其傾斜量成為此類工程中的一大難點(diǎn)。

高層建筑物的傾斜變形主要由結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)力大小與風(fēng)向、溫度變化、地基沉降等因素的影響而產(chǎn)生[2]。一般而言，伴隨著施工過程的進(jìn)行，點(diǎn)位的位移隨時間大致呈線性變化[3]，且越到高層則建筑的累計(jì)變形量和變形速率的變化越大。CCTV新臺址主樓是目前國內(nèi)最大的單體鋼結(jié)構(gòu)建筑[4]，由于建筑造型獨(dú)特，該工程的變形監(jiān)測工作在同類建筑中具有一定的代表性。刁建鵬等[4-5]采用最小二乘擬合構(gòu)建施工進(jìn)度與建筑累計(jì)變形量之間的關(guān)系模型準(zhǔn)確反映了塔樓的變形規(guī)律，且通過對建筑的日變形規(guī)律與氣溫變化規(guī)律進(jìn)行對比分析，揭示氣溫變化對建筑結(jié)構(gòu)變形的影響，最終為懸臂的安裝決策提供技術(shù)支持。此外，文獻(xiàn)[5]著重對該建筑施工過程中的建筑高度與傾斜變形量二者之間的關(guān)系進(jìn)行分析，得出傾斜變形量與建筑高度和時間呈線性關(guān)系的結(jié)論，為施工過程中變形量的預(yù)測提供依據(jù)。文獻(xiàn)[6]將最小二乘回歸模型運(yùn)用到混凝土重力壩變形監(jiān)測中，并在對變形量的預(yù)測過程中取得良好的效果。文獻(xiàn)[7]將時間序列分析應(yīng)用于地鐵變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析中，為施工過程提供更為準(zhǔn)確的技術(shù)參考。本文以工程實(shí)踐中所進(jìn)行的某超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑實(shí)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過趨勢分析法構(gòu)建傾斜變形量與時間、變形速率與高度的回歸分析模型，相對準(zhǔn)確地掌握建筑物的傾斜變形規(guī)律。通過對溫度變化與建筑變形速率進(jìn)行對比分析，以此探討二者之間存在的關(guān)系，從而為施工和構(gòu)件安裝提供參考依據(jù)。

1 監(jiān)測方案布設(shè)實(shí)施

某建筑縱剖面及其監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)如圖1所示。待監(jiān)測建筑物高度為162.5 m，地面部分34層，地下部分2層，其中-2至4層外部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部主干架與4至34層連成一體，為主體鋼結(jié)構(gòu)。監(jiān)測網(wǎng)采用安裝獨(dú)立坐標(biāo)系，由G1，G2兩個基準(zhǔn)點(diǎn)組成，兩點(diǎn)均在施工區(qū)以外的穩(wěn)定區(qū)域。基準(zhǔn)點(diǎn)每周與原安裝坐標(biāo)系基準(zhǔn)網(wǎng)聯(lián)測一次，并對其進(jìn)行穩(wěn)定性分析。建筑物監(jiān)測點(diǎn)位的布設(shè)自建筑第6層開始至第32層，每隔4層布設(shè)一組監(jiān)測點(diǎn)，其中第12層增設(shè)一組點(diǎn)位。每組3個監(jiān)測點(diǎn)，分別位于建筑的每層房角位置，分別命名為A，B，C系列，監(jiān)測點(diǎn)位命名規(guī)則為建筑層數(shù)+系列號。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)示意圖

觀測采用Leica TM30精密監(jiān)測機(jī)器人進(jìn)行。每周一至周六觀測時段選擇為下午16：00—18：00，以保證將溫度、光照等因素對觀測成果的影響降到最低。觀測頻率為每隔15 min自動觀測一次，并取多次觀測平均值作為觀測成果。此外，為監(jiān)測建筑物的日變形規(guī)律，每周日進(jìn)行一輪連續(xù)觀測，觀測時間為當(dāng)天早6：00至次日早8：00，共計(jì)26 h，觀測間隔為15 min。數(shù)據(jù)預(yù)處理采用儀器自帶處理軟件進(jìn)行。

2 累計(jì)變形量與時間關(guān)系分析

對某監(jiān)測點(diǎn)位連續(xù)觀測一段時間，并通過回歸分析模型(3)對點(diǎn)位的累計(jì)變形量(Δi)與累計(jì)觀測時間(t)這一對變量進(jìn)行線性回歸分析構(gòu)建其一元線性回歸方程。這里以監(jiān)測點(diǎn)位F24C為例，選取一個累計(jì)觀測時間為142 d的樣本，其中剔除風(fēng)力超過2級、陰雨天氣、氣溫>30 ℃且<17 ℃的天氣所觀測的數(shù)據(jù)，剩余樣本數(shù)共計(jì)46個。對該樣本構(gòu)建回歸分析模型如圖2所示。

(1)

圖2 F24C點(diǎn)變形量與時間回歸分析圖

如圖2所示，F(xiàn)24C點(diǎn)X，Y，Z的累計(jì)變形量Δi與累計(jì)觀測時間t之間的回歸直線方程為

Δx=0.34t+6.84，

Δy=-0.29t-4.31，

Δz=-0.29t+5.08.

(2)

分別對累計(jì)觀測時間與X，Y，Z坐標(biāo)的累計(jì)變形量3組數(shù)據(jù)的回歸模型進(jìn)行r檢驗(yàn)，取顯著水平α=0.01。查表可得r0.01(n-2)=0.290 4，通過計(jì)算可得|rΔx|=0.928 9，|rΔy|=0.953 9，|rΔz|=0.946 8，即|rΔx|>r0.01(n-2)，|rΔy|>r0.01(n-2)，|rΔz|>r0.01(n-2)，因此可認(rèn)為3組數(shù)據(jù)線性關(guān)系均顯著[8]。

(3)

通過對A，B，C系列所有監(jiān)測點(diǎn)分別做累計(jì)變形量與累計(jì)時間的回歸分析模型，并進(jìn)行比較后，可發(fā)現(xiàn)該建筑物在X方向上的變形為正，而在Y和Z方向上的變形為負(fù)。聯(lián)系監(jiān)測坐標(biāo)系的北方向?yàn)檎狈较颍傻贸龃O(jiān)測建筑物總體呈現(xiàn)出平面上在X方向上朝北偏移，在Y方向上整體朝西偏移，在Z方向上發(fā)生沉降。

3 變形速率與高度的關(guān)系分析

根據(jù)該建筑外形為近似標(biāo)準(zhǔn)四棱柱的特點(diǎn)，且A,B,C3個系列的監(jiān)測點(diǎn)分別位于建筑四角的3根柱子上。則可通過對A,B,C3個系列的監(jiān)測點(diǎn)變形速率與高度進(jìn)行回歸分析，從而構(gòu)建這兩個變量的回歸直線方程，并由此可分析出該建筑物傾斜變形規(guī)律。這里以C系列點(diǎn)位的8組監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，變形速率v與所處高度h的回歸分析如圖3所示。

圖3 C系列變形速率與高度回歸分析圖

C系列監(jiān)測點(diǎn)X,Y,Z方向變形速率v與點(diǎn)位高度h回歸直線方程為

vx=0.002 8h+0.001 8,

vy=0.002 3h+0.017 3,

vz=0.002 2h+0.030 1.

(4)

4 傾斜性分析與溫度影響討論

4.1 傾斜性分析

通過以上對該建筑各監(jiān)測點(diǎn)位累計(jì)變形量Δi與累計(jì)觀測時間t的回歸分析，以及對3個系列點(diǎn)位變形速率v與監(jiān)測點(diǎn)高度h之間的回歸分析，構(gòu)建得出數(shù)學(xué)模型如式(2)與式(4)。最后，統(tǒng)計(jì)整理得出的A，B，C系列監(jiān)測點(diǎn)位的變形速率變化率狀況如表1所示。

通過對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，就平面位移變形而言，B系列點(diǎn)位變形速率及震蕩幅度最大，可判定為不穩(wěn)定，C系列點(diǎn)位變形速率及震蕩幅度較小，可判定為穩(wěn)定。就沉降變形而言，C系列點(diǎn)位變形速率較大，可判定為不穩(wěn)定，同理，A系列點(diǎn)位可判定為穩(wěn)定。

表1 變形速率變化率統(tǒng)計(jì)表 mm

此外，根據(jù)3個系列點(diǎn)位各自施工階段的最后一期監(jiān)測數(shù)據(jù)與首期觀測數(shù)據(jù)的對比可以分別計(jì)算出其累計(jì)變形量，由于建筑主體橫截面為標(biāo)準(zhǔn)矩形結(jié)構(gòu)，理論上建筑物變形后橫截面仍然遵循平行四邊形原理。因此，可由位于建筑3個角落的A，B，C3個系列的監(jiān)測點(diǎn)位位移量擬合出第4個建筑角點(diǎn)的位移量。將位移后的實(shí)際位置與設(shè)計(jì)位置進(jìn)行對比，如圖4所示。

圖4 中心軸線水平位移情況示意圖

另外，考慮到由于該建筑的主輪廓線為矩形，可將建筑物橫截面的幾何中心點(diǎn)視為建筑中心軸線位置，通過對建筑設(shè)計(jì)中心軸線位置與監(jiān)測結(jié)果中的中心軸線位置進(jìn)行對比可計(jì)算出中心軸線的平面累計(jì)偏移方向?yàn)槲髌?2°12′43″，偏移量為89.3 mm，通過式(5)可計(jì)算該建筑實(shí)際中心軸線與設(shè)計(jì)中心軸線的偏移角度α。

(5)

圖5 中心軸線偏移角度示意圖

4.2 溫度影響分析

在鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工中，溫度載荷是導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的重要因素之一。相對準(zhǔn)確地掌握溫度變化與建筑物變形之間的規(guī)律是整體控制建筑物傾斜性的重要方法。[10]本文通過分別選取位于建筑物16層的3個點(diǎn)位(F16A、F16B和F16C)在2014年3月16日早上6：00至次日早上8：00的連續(xù)26 h觀測數(shù)據(jù)作為樣本，并同時監(jiān)測該日的氣溫變化。當(dāng)日不同時段溫度變化情況如圖6所示，同時刻3個監(jiān)測點(diǎn)的X,Y，Z3個方向的變形量平均數(shù)變化趨勢如圖7所示。

圖6 施工區(qū)域日氣溫變化情況

圖7 16層3個點(diǎn)位日平均變形趨勢圖

如圖6所示，根據(jù)對單日氣溫變化趨勢的分析可將單日氣溫變化分為3個階段：勻速上升階段、快速上升階段和緩慢下降階段。同理，如圖7(a，b)所示，通過對所選樣本數(shù)據(jù)單日變化趨勢進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)建筑物的變形量在一天中不同時段的變形量呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即在X，Y方向上，當(dāng)日早上約8：00至中午約11：30，建筑變形速率較大；中午11：30至次日早上約6：00，建筑物的變形呈緩慢恢復(fù)趨勢；次日早上6：00至8：00，建筑物變形呈勻速恢復(fù)趨勢。根據(jù)對以上特點(diǎn)的分析，可將鋼結(jié)構(gòu)建筑的單日平面位移變形分為3個階段：快速變形階段、緩慢恢復(fù)階段和勻速速恢復(fù)階段。如圖7(c)所示，建筑Z方向上的變形在局部時間內(nèi)出現(xiàn)較大波動，以下午約16：00為分界線，早上和中午波動較大，晚上和凌晨波動較小。結(jié)合施工現(xiàn)場情況分析，這主要是由于白天施工過程中產(chǎn)生的撞擊和壓力所引起的局部時間段內(nèi)建筑物的較大震蕩。此外，就整體而言，該建筑物在Z方向上的變形速率均勻，可知溫度對該建筑的垂直方向變形影響較小。為探究溫度與變形量的關(guān)系，這里分別對單日氣溫變化和平面的單日變形量的3個階段所處時間段進(jìn)行對比如表2所示。

如表2所示，對建筑物在X和Y方向上單日變形的3個階段起始時間和結(jié)束時間進(jìn)行對比可發(fā)現(xiàn)在當(dāng)日上午氣溫的快速上升時段，建筑物的水平方向變形也處于快速變形階段；同樣，當(dāng)日下午、晚上至次日凌晨，氣溫在緩慢下降階段，建筑物水平方向的變形處于緩慢恢復(fù)階段；次日早晨氣溫緩慢上升，建筑物水平方向變形處于快速恢復(fù)階段。通過以上分析可知該鋼結(jié)構(gòu)建筑物水平方向變形速率隨著氣溫變化速率的增大而增大，二者之間具有緊密聯(lián)系性。

5 結(jié)束語

本文通過對某超高層主體鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行連續(xù)觀測，并對不同高度監(jiān)測點(diǎn)的位移和沉降量進(jìn)行分析，構(gòu)建累計(jì)變形量Δ與累計(jì)觀測時間t、變形速率v與監(jiān)測點(diǎn)高度h兩對變量之間的函數(shù)關(guān)系。通過統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法判定其具有顯著的線性關(guān)系。引入變形速率變化率(v/h)的概念，通過對不同方位的3組監(jiān)測點(diǎn)的變形速率變化率的比較分析可得出B系列監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)的建筑方位在水平方向上較不穩(wěn)定，而A系列對應(yīng)方位的沉降速率較不穩(wěn)定。之后，通過對各監(jiān)測點(diǎn)的變形量擬合計(jì)算出建筑中心軸線的偏移量以及偏移方位和角度。還通過對監(jiān)測點(diǎn)位的日坐標(biāo)位移變化與當(dāng)日氣溫變化進(jìn)行對比分析，揭示建筑物的變形速率與氣溫變化速率之間有一定的關(guān)聯(lián)性和周期變化性，即溫度變化速率越大則鋼結(jié)構(gòu)建筑的變形速率越大。其中，以早晨7：30至中午11：30左右變化最為顯著，結(jié)合圖7(c)分析的結(jié)果：當(dāng)日早晨6：00—16：00前建筑物整體震蕩幅度較大，16：00之后至次日早晨6：00震蕩幅度較小。因此，為避免因變形速率較大而造成各桿件連接部位的損傷，重要構(gòu)件的安裝時間不宜選擇在下午16：00之前。而應(yīng)選擇在當(dāng)日傍晚至次日凌晨之間，該時間段建筑的整體變形速率較低，對新安裝的構(gòu)件有足夠的預(yù)應(yīng)力緩沖時間。此外，由于不同季節(jié)的日氣溫變化呈現(xiàn)不同規(guī)律，則超高層鋼建筑重要構(gòu)件的安裝時間可根據(jù)氣溫的日變化規(guī)律進(jìn)行決策。

表2 單日氣溫變化與平面變形量變化時間段對比