梅縣東山中學(xué)體育館工程建筑物的變形觀測

張志勇

梅州市測繪與地理信息中心 廣東 梅州 514071

1 項目簡介

梅縣東山中學(xué)體育館、體育場項目位于梅州市下市狀元橋東山中學(xué)校內(nèi)二山頭（東南角），內(nèi)容包括1座2層體育館及3條4×50m道路。項目總占地面積3500m2，綠化面積約500m2，建筑面積8070m2，建成后可容納2500人。受業(yè)主的委托，由梅州市測繪與地理信息中心承擔(dān)東山中學(xué)體育館、體育場變形監(jiān)測的任務(wù)。

2 方案制定

2.1 建筑變形原因分析

建筑物的變形原因復(fù)雜，可以概況為外部原因與內(nèi)部因素。外部原因主要是自然因素引起，例如建筑周邊土壤情況、地質(zhì)條件、水文地質(zhì)、溫度變化、風(fēng)及其周邊建筑物等。內(nèi)部因素主要是建筑物自身結(jié)構(gòu)、動荷載、受力等因素。建筑物變形不是單獨存在，而是一個系統(tǒng)性的，是互相聯(lián)系的。建筑變形按其類型來分，可分為靜態(tài)變形和動態(tài)變形兩種類型。靜態(tài)變形一般是指變形幅度或者大小，只表示在某一時間區(qū)域范圍內(nèi)的值，與時間段密切相關(guān)，屬于時間段關(guān)聯(lián)的函數(shù)；動態(tài)變形一般是指在外部因素影響下瞬間產(chǎn)生的變化值，屬于時間點關(guān)聯(lián)的函數(shù)，表示建筑物在某個時刻的瞬時變形特征[1]。

2.2 建筑變形測量方法

根據(jù)建筑物變形的外部原因與內(nèi)部因素，并按照周圍環(huán)境，確定觀測方法與觀測精度，可采用經(jīng)緯儀導(dǎo)線測量、水準測量、傳感器、光電測距儀導(dǎo)線、三角測量、物理直接量取方法。根據(jù)設(shè)計資料，本工程變形測量確定等級為三級，監(jiān)測的內(nèi)容包括體育館主體建筑沉降、水平位移監(jiān)測，體育場主體建筑沉降、水平位移監(jiān)測。

2.3 建筑變形測量方案制定

本項目變形測量內(nèi)容包括水平位移監(jiān)測和沉降監(jiān)測。設(shè)備選擇上使用自動化觀測徠卡TS15A全站儀和天寶DN01數(shù)字水準儀監(jiān)測。

變形觀測網(wǎng)是由水準基點和觀測點組成。根據(jù)場地特征及其建筑物監(jiān)測要求，現(xiàn)場布置13個待觀測水平監(jiān)測點，分別沿整個體育館房頂邊緣均勻布設(shè)的A1、A2、A3、A4、A5、A6和體育場觀眾席房頂均勻布設(shè)的B1~B7沉降監(jiān)測點為18個，分別沿整個體育館房頂邊緣均勻布設(shè)的A1~A11和體育場觀眾席房頂均勻布設(shè)的TP01、TP02、TP03、TP04、TP05、TP06、TP07；其中把 BMO1、BMO2、BMO3、BMO4基準點設(shè)置鋼筋混凝土強制對中觀測墩，精度高，穩(wěn)定性強，且分布在監(jiān)測觀測點四周，且相互通視，能完全滿足此次變形監(jiān)測測量的要求。觀測周期為一年即12個月，從2013年10月至2014年9月，無特殊情況平均每月一次完成了12次的觀測。為了減小監(jiān)測對象受環(huán)境的影響，首期觀測三次，取效果最好的次作為首期觀測的數(shù)據(jù)。

3 項目實施

3.1 監(jiān)測點的布設(shè)及監(jiān)測網(wǎng)的控制

3.1.1 水平位移基準點與監(jiān)測點的布設(shè)。基準點是檢驗和直接測定監(jiān)測點的依據(jù)，要求其點位在距離施工區(qū)100m以外，在整個監(jiān)測過程中保持相對穩(wěn)定且確保不被破壞，采用深埋鋼筋并澆灌混凝土固化的方法埋設(shè)。為了便于校核，以驗證基準點的穩(wěn)定性，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況布設(shè)四個觀測墩基準點，編號BMO1、BM02、BMO3及BM04。基準點埋設(shè)好后，應(yīng)監(jiān)測三次，分析其穩(wěn)定后方可使用。BMO1、BMO2、BMO3及BMO4，作為水平位移測量基準點，另外，選取體育館北方向遠處的一個固定目標（塔尖）TO作為定向及檢查。

通常在體育館、體育場的邊角處及中心位置均布置監(jiān)測點，疏密適當(dāng)。在體育館房頂邊緣布設(shè)6個水平位移觀測點，編號為A1~A6，采用觀測棱鏡并用螺絲固定，使之體育館結(jié)構(gòu)牢固地聯(lián)結(jié)成一個整體。在體育場觀眾席房頂7個水平位移觀測點，編號為TPO1~TPO7，采用反射片并用強力膠水將反射片固定在房頂側(cè)邊緣，使之與監(jiān)測對象結(jié)構(gòu)牢固地聯(lián)結(jié)成一個整體，觀測小棱鏡和反射片的位移代表建筑物的形變位移。因此次使用的坐標系是1986年梅州市坐標系，根據(jù)基準點方案布設(shè)圖，此次觀測基準點BM02 BMO1 BMO3、BM04為待求點，根據(jù)GPS E級網(wǎng)觀測方案，本次基準點監(jiān)測采用同步差分觀測測量。此次測量采用中海達靜態(tài)GPS一套，每個時段為1.5h，采樣間隔為30S，高度角為15°，自動記錄同時記錄每個歷元的WGS84的經(jīng)緯度。

根據(jù)設(shè)計方案，監(jiān)測點采用Leica TS15A全站儀（1.0秒精度）觀測，等眾多現(xiàn)代化強大功能每次架站自動觀測6個測回。監(jiān)測點均勻分布在體育館和體育場房頂，受通視條件的影響，不是每個監(jiān)測點都能完全看完所有的監(jiān)測點，故此次觀測是在監(jiān)測點BM01架站觀測監(jiān)測點A2、A3、A4，在監(jiān)測點BMO2架站觀測監(jiān)測點A1，在監(jiān)測點BMO3架站觀測監(jiān)測點A5、A6，在監(jiān)測點BM04架站觀測監(jiān)測點TP01、TP02、TP03、TP04、TP05、TP06、TPO7。按照《建筑變形測量規(guī)程》中三級變形觀測的技術(shù)要求施測，觀測前首先對基準點進行邊長、角度檢測校核，驗證其點位穩(wěn)定后，方可對水平位移觀測點進行觀測。本次監(jiān)測利用Leica TS15A全站儀高效的馬達驅(qū)動、ATR自動目標照準、超級搜索、自動記錄等功能，采用自動化觀測，在開始觀測的時，儀器里已經(jīng)設(shè)置好觀測次序和測回數(shù)，觀測監(jiān)測點的支導(dǎo)線觀測和監(jiān)測點的監(jiān)測觀測時同時進行。數(shù)據(jù)處理是采用儀器自帶的處理軟件和武測科傻數(shù)據(jù)處理軟件一起平差處理[2]。

3.1.2 沉降基準點與觀測點的布設(shè)。為確保監(jiān)測成果的可靠性，基準點類型為淺埋式水準點，體育場和體育場監(jiān)測項目共布設(shè)4個基準點，采用1956黃海高程系統(tǒng)，設(shè)置編號分別為BMO1、BMO2、BMO3BM04基準點，沉降觀測起始點為I97，已知高程為85.1900m。采用預(yù)制不銹鋼標志，一端加工成中間刻有圓點的光滑圓頭，作為觀測立尺點：在地面挖坑50cm×50cm×50cm，放入不銹鋼標志在現(xiàn)場澆灌水泥砂漿而成，標志突出地面1cm，并對基準點加以保護，旁立警示牌，以防施工中被破壞。每次監(jiān)測時進行聯(lián)測，各點相對穩(wěn)定。

體育場建筑物基地沉降，共布設(shè)7個沉降監(jiān)測點，編號為B1~B7：體育館建筑物基地沉降共布設(shè)11個沉降監(jiān)測點，編號為A1~A11。

體育場和體育館沉降觀測點均采用預(yù)制不銹鋼標志，一端加工成光滑圓頭作為觀測立尺點。按照設(shè)計要求，采用鉆孔法植入監(jiān)測平面布置圖中標出相應(yīng)位置，周圍澆灌水泥砂漿固定。根據(jù)沉降基準點方案布設(shè)圖，此次沉降觀測起始點為I97，已知高程為85.1900，觀測基準點BMO1、BMO2、BMO3、BMO為待求點，根據(jù)基準點觀測方案，本次基準點沉降監(jiān)測采用三等水準測量，采用單閉合環(huán)形式進行觀測。

根據(jù)設(shè)計方案，監(jiān)測點采用天寶DINIO3數(shù)字水準儀，以兩個獨立的閉合環(huán)來觀測所有監(jiān)測點。體育館處閉合環(huán)的觀測線路是BMO1-A1··A11- BMO1，體育場處閉合環(huán)的觀測線路是BMO4-B1···B7-BMO4。其中：A1···A11是均勻分布于體育館沉降監(jiān)測點，B1···B7是分布于體育場的沉降監(jiān)測點。按照《建筑變形測量規(guī)程》中三級變形觀測的技術(shù)要求施測。觀測時讀數(shù)取至0.1mm。每次觀測前對基準點進行檢查，合格后才進行沉降觀測。沉降監(jiān)測采用閉合線路，按測站進行平差[3]。

3.2 預(yù)測模型與計算方法

經(jīng)過前面十二期體育場和體育館觀測的累計沉降量的數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件對前面十二期數(shù)據(jù)進行分析，采用多元線性回歸模型擬合出多元回歸函數(shù)，最終得到下期的預(yù)測沉降量值。

3.2.1 預(yù)測模型。預(yù)測模型采用多元線性回歸分析法。該方法通過分析所觀測的變形（效應(yīng)量）和外因（原因）之間的相關(guān)性，來建立荷載-變形之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。其數(shù)學(xué)模型是：

ει為無法觀測的且滿足一定條件的擾動項。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)最小二乘法構(gòu)建多元線性回歸的模型。本文不在展開。

3.2.2 計算方法。計算方法上基于多元回歸分析模型基礎(chǔ)上，利用matlab軟件對多時相沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析。

4 結(jié)果分析

4.1 沉降成果分析

按照設(shè)計及《建筑變形觀測規(guī)范》要求，在建筑物上布設(shè)監(jiān)測點，并定期觀測這些監(jiān)測點的高程，從而獲得各個監(jiān)測點沉降量（mm），從沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果來看，累計沉降值最大值A(chǔ)7點為1.61mm累計沉降值最大值A(chǔ)7點為0.73mm，沉降速度最大值是0.0044 mm/d，根據(jù)《建筑變形測量規(guī)程》要求，由于沉降速度處于-0.01~-0.04 m/d，同時，測量規(guī)范中規(guī)定的沉降測量限差通常取的是高程中誤差3倍，也就是1.5mm，完全滿足規(guī)范的要求，可以認定東山中學(xué)體育館沉降已經(jīng)基本處于穩(wěn)定期。

4.2 水平監(jiān)測成果分析

東山中學(xué)體育館水平位移監(jiān)測點共布設(shè)6個，編號為 A1-A6，其監(jiān)測結(jié)果如下：

表1 水平監(jiān)測成果

按照設(shè)計及《建筑變形觀測規(guī)范》要求，在體育館頂端上布設(shè)均勻監(jiān)測點A1~A6，并采用梅州坐標系統(tǒng)，一共對這些監(jiān)測點進行了十二次的觀測，從而獲得各個監(jiān)測點在X方向位移量（m），從十二次位移量表中結(jié)果來看，位移量最大為A5點的8.3累計位移量的最大值為A1點為3.1mm，最小值A(chǔ)S點為-4.2mm，移動速度最大值是0.0085mm/d。根據(jù)《建筑變形測量規(guī)程》要求，由于移動速度處于0.01~0.09mm/d，體育館的在X方向未發(fā)生了整體的移動。

5 結(jié)束語

初始階段，體育館、體育場各沉降點的累計沉降量略有增加；建筑物穩(wěn)定后，沉降速率減小，累計沉降量增幅隨之放緩，隨著時間推移，沉降速率逐漸減緩直至穩(wěn)定。體育館、體育場累計沉降最大值為1.61mm、-0.67mm，沉降最小值為0.73、-1.87mm。體育館、體育場累計位移量X方向最大值分別為3.1mm、5.5m，沉降最小值為-4.2、-3.4mm，Y方向最大值分別為2.9mm、8.6mm，沉降最小值為-3.0-12.3mm。監(jiān)測成果表明，東山中學(xué)體育館、體育場整體沉降基本均勻，觀測點平均累計形變量小于規(guī)范規(guī)定體型簡單的高層建筑基礎(chǔ)平均形變量允許變形值。根據(jù)監(jiān)測方案要求，如果建筑物沉降滿足每天沉降量小于0.04mm時則可停止觀測。由監(jiān)測數(shù)據(jù)可認為，現(xiàn)在東山中學(xué)體育館、體育場已進入穩(wěn)定階段，可停止觀測。