基于GNSS-RTK的在建超高層風載動態變形監測

熊春寶，何浩博，牛彥波，葉作安

(1.天津大學 建筑工程學院，天津 300072； 2.天津市陸海測繪有限公司，天津 300191)

基于GNSS-RTK的在建超高層風載動態變形監測

熊春寶1，何浩博1，牛彥波1，葉作安2

(1.天津大學 建筑工程學院，天津 300072； 2.天津市陸海測繪有限公司，天津 300191)

首先以海星達H32全能型GNSS-RTK接收機為試驗儀器，進行不同星系組合的RTK定位精度試驗研究。然后以在建的天津高銀117大廈為監測對象，采用GPS+GLONASS+BDS三星系組合對其進行現場強風作用下的RTK動態變形監測。利用巴特沃斯濾波對實測數據進行去噪處理，得到各測點的位移曲線。分析結果表明：GPS單星系定位的平面坐標精度相對較差，雙星系組合定位的平面坐標精度與三星系組合定位的平面坐標精度基本相當，但 GPS+GLONASS+BDS三星系組合定位的穩定性和可靠性最強；由于施工階段大廈結構的剛度和整體性與竣工后存在差異，故在強風作用下其按一定施工步距滯后的低矮外框的振動位移幅度大于其高聳內筒結構的振動位移幅度；大廈外框和內筒均存在橫風向振動位移，且橫風向振動位移與順風向振動位移的大小相近；監測環境對監測結果有著一定的影響， 66層各點的監測值誤差要大于95層各點的監測值誤差。

GNSS-RTK；在建超高層；風載振動；變形監測

超高層建筑相對其它低層建筑，結構通常是柔性的且具有低阻尼特性，風荷載是影響超高層建筑變形和穩定的重要因素。在上世紀60年代，Davenport教授建立了基于振動理論的高層建筑風振響應理論，開啟了人們對高層建筑與風荷載的研究[1-2]。

隨著GPS技術的不斷成熟和發展，GPS技術廣泛應用于工程的變形監測和施工安全監測中[3-6]。近年來，GPS技術也開始用于高層建筑風載動態變形監測中，監測高層建筑結構在強風下的振動位移特性[7-11]。然而，以往監測對象大部分為已經建成的超高層建筑，對正處于建造期的超高層建筑(非完整結構)進行風載動態變形監測研究的還比較少。處于建造期的超高層結構，其剛度和整體性與竣工后結構的剛度和整體性有較大差異，其風振特性有待深入研究。

本文以在建的天津高銀117大廈為監測對象，利用GNSS-RTK技術，在其正在施工的外框66層和內筒95層分別布置監測點，進行強風下的動態變形監測試驗，利用巴特沃斯濾波器對監測數據進行濾波處理[12-13]，得到各測點的位移曲線，通過比對分析各測點的位移曲線，揭示施工過程中大廈外框和內筒的一些動態變形特性。

1 GNSS-RTK星系組合定位試驗

1.1 試驗方案

本試驗采用中海達公司制造的海星達H32接收機，其RTK的定位精度，平面：±(10+1×10-6D) mm，高程：±(20+1×10-6D) mm。此儀器可同時或選擇性接收GPS、GLONASS、BDS三個星系系統的衛星信號。

為了驗證該型號儀器的性能指標，將8臺該型號儀器同時架設在一個視野開闊的空場地(如圖1所示)，其中一臺作為基準站，其它7臺作為流動站。在做星系組合定位試驗時，由于海星達H32接收機不能關掉GPS信號，故星系組合試驗方案：①采用一星系(GPS)連續采集30 min(只接收GPS信號)；②采用二星系(同時接收GPS和GLONASS信號)連續采集30 min(下面簡稱為G+G)；③采用二星系(同時接收GPS和BDS信號)連續采集30 min(下面簡稱為G+B)；④采用三星系(同時接收GPS、GLONASS和BDS信號)連續采集30 min(下面簡稱為G+G+B)。各流動站RTK的數據采樣頻率均設為1 Hz，最后選擇一臺具有普遍代表性的流動站的數據進行分析。

圖1 GNSS-RTK星系組合試驗現場

1.2 試驗結果及數據分析

1.2.1 星系組合試驗的實測參數統計

GNSS-RTK星系組合30 min采集定位數據試驗時的中誤差、PDOP值和衛星數的統計值(從最小值到最大值的變化范圍)列于表1中。

表1 星系組合的實測參數統計值

從表1可以看出，從一星系到二星系再到三星系，星系組合的衛星數隨著星系數的增多明顯增多，PDOP值也隨之減小，高程中誤差mH也有所減小，但對于平面坐標中誤差(mX和mY)：GPS單星系定位的平面坐標中誤差相對較大，即定位精度最低，而雙星系組合定位(G+G和G+B)的平面坐標精度與三星系組合定位(G+G+B)的平面坐標精度都基本相當。

1.2.2 星系組合定位的實時坐標誤差

本次星系組合定位的試驗中，基準站和各流動站都是靜止、固定不動的，即各流動站上的接收機所測坐標值應為不變的固定值，如果有變化，則變化值即為坐標的隨機(偶然)實時誤差。圖2～圖5分別列出了各星系組合定位的實時坐標誤差。

圖2 一星系(GPS)定位的實時坐標誤差

圖3 二星系(G+G)組合定位的實時坐標誤差

圖4 二星系(G+B)組合定位的實時坐標誤差

圖5 三星系(G+G+B)組合定位的實時坐標誤差

從圖2～圖5可以看出：

1)與實時平面坐標(X,Y)的誤差相比，各星系組合的實時高程H誤差(圖2～圖5中的Z向振動曲線)最不穩定，其波動范圍(振幅)也最大，但是三星系(G+G+B)組合的實時高程誤差比一星系或二星系組合的實時高程誤差相對要穩定，其波動范圍(振幅)小；

2)對于各星系組合的實時平面坐標(X,Y)的誤差，Y坐標的實時誤差(圖2～圖5中的Y向振動曲線)比X坐標的實時誤差(圖2～圖5中的X向振動曲線)穩定，其波動范圍(振幅)小；

3)總體來看，三星系(G+G+B)組合的實時坐標誤差(圖5)比其它星系組合的實時坐標誤差(圖2～圖4)都小，且穩定。

2 在建超高層風載動態變形監測

2.1 工程概況

監測對象是在建的天津高銀117大廈，其地上117層，地下3層，建筑高度597 m，其結構形式為巨型框架支撐-鋼筋混凝土核心筒。塔樓首層建筑平面尺寸約65 m×65 m(幕墻邊)，以0.88°漸變至頂層時平面尺寸約45 m×45 m。中央混凝土核心筒平面尺寸約37 m×37 m，主要用作高速電梯、設備用房和服務用房。主塔樓核心筒內采用內含鋼板(鋼骨)的型鋼混凝土剪力墻結構。巨型柱位于建筑物平面四角并貫通至結構頂部，其平面輪廓結合建筑及結構構造連接要求，呈六邊菱形，底部截面約為45 m2，地震設防烈度為七度。大廈建成后將成為天津乃至我國北方的標志性建筑(如圖6所示)。

圖6 在建的天津高銀117大廈

2.2 測點布設

如圖7所示，距大廈約500 m的附近地面上設置基準控制點，在大廈外筒頂層(已施工至66層，本層建筑標高為333.08 m)的四角(西北、東北、東南和西南)各布設一個監測點，編號分別為1，2，3，4；在大廈核心內筒頂層(現階段已施工至95層，其混凝土澆筑標高為478 m)的樓頂模架(鋼平臺)的四角(西北、東北、東南和西南)各布設一個監測點，編號分別為5，6，7，8。期間的風速風向監測采用EL15-1型風速傳感器及EL15-2型風向傳感器。

圖7 地面基準站、大廈監測點及風速風向儀布設

2.3 監測數據誤差分析

本次監測是采用海星達H32接收機的三星系組合(G+G+B)在外框66層和內筒95層同時進行30 min。為了比較外框66層和內筒95層的監測環境對監測結果的影響，選取外框的第4號測點和內筒第8號測點，在同一時間段(1 000 s)內的進行監測，并記錄監測結果。對于這1 000 s的監測數據，按每間隔100 s選取一個，分別列入表2和表3。另外，外框66層的第1，2，3號測點的監測環境與第4號測點類似，內筒95層的第5,6,7號測點的監測環境與第8號測點類似，不再贅述。

對比表2和表3中的數據，可以看出，表3中的第8號測點的衛星數遠多于表2中的第4號測點的衛星數，其PDOP值、x方向的中誤差和y方向的中誤差也都要比第4號測點的小。由于大廈外框66層的第4號測點受上部鋼結構遮擋，與天空中可通視的衛星數受到限制，而大廈內筒95層的第8號測點視野開闊，與天空中可通視的衛星數大大增加，表2和表3中坐標誤差的大小比對(表2中的x誤差明顯大于表3中的x誤差)，反映了監測環境對監測結果的影響。

表2 第4號測點的監測數據

表3 第8號測點的監測數據

2.4 各監測點的位移曲線

獲取GNSS-RTK監測的數據后，同時根據風速風向儀獲取監測時段內的風速和風向。選取風向角基本為0°(北風)且最大風速為6級風(13.1 m/s)時的監測時間為1 000 s的數據，并利用Matlab軟件模擬巴特沃斯濾波器的Butter函數和Buttord函數，對監測數據進行去噪濾波處理，得到各測點的位移曲線(如圖8所示)。

2.5 外框66層與內筒95層位移比較

從圖8可以看出，大廈外框66層的各測點無論x方向的位移，還是y方向的位移，都要普遍大于大廈內筒95層各測點的位移；外框66層x方向的最大位移是第4號測點的0.060 m，y方向的最大位移是第2號測點的0.058 m；內筒95層x方向的最大位移是第7號測點的0.025 m，y方向的最大位移是第7號測點的0.040 m。一般情況下，隨著建筑物高度的增加，對風載作用越為敏感，建筑物的動態變形也會越大。但對于正處于施工期的天津高銀117大廈來說，其結構目前實際的剛度和整體性與最終竣工后的設計值有差異，且內筒與外框采用不等高同步攀升工法，即核心筒與外框、樓板的施工存在一定的工期差，核心筒結構領先外框許多層，因此外框與內筒的整體性不強，致使外框66層各測點的位移要大于內筒95層各測點的位移。

另外，圖8中顯示的只是大廈在1 000 s內的振動位移，由于短時間內風速變化不大，圖中的位移只是相對振動位移(且含有部分測量誤差)，并非絕對位移，其絕對位移應該是與風速為零時的監測值(基準位置)相比較而得的位移量。

(a) 外框66層各測點x方向位移曲線

(b) 外框66層各測點y方向位移曲線

(c) 內筒95層各測點x方向位移曲線

(d) 內筒95層各測點y方向位移曲線

2.6 大廈橫風向的振動位移分析

圖8的位移曲線選取的時間段內其風向角基本為0°，即風向與x軸方向基本重合，這樣各測點在y方向的位移即為橫風向的振動位移。從圖8(b)、(d)可以看出，各測點均存在橫風向的振動位移，并且橫風向的振幅大小與各自對應的順風向(x方向)的振幅大小相差不大。

超高層建筑在風荷載作用下，不僅會在順風向產生風振響應，而且也會出現由于漩渦脫落的橫風向振動[14]。隨著建筑高度的增加，風振響應越來越大，橫風向振動響應經常大于順風向振動響應，成為結構設計的控制因素[15]。對于超高層建筑結構橫向風振動位移響應，已有學者通過數值模擬或風洞試驗做過大量的研究[16-17]。本文采用GNSS-RTK實測的方法，驗證在建的大廈橫風向動態振動位移響應的存在及其大小，對于施工期間控制大廈核心筒的穩定，防止因橫風向振動過大而引起大廈結構損傷具有重要的參考意義。

3 結 論

本文首先對GNSS-RTK各星系組合定位的精度和穩定性進行試驗，然后以在建的天津高銀117大廈為監測對象，利用GNSS-RTK的三星系組合對其外框66層和內筒95層上布置的監測點進行了強風下的動態變形監測，試驗和監測的結果表明：

1)各星系組合的衛星數隨著星系數明顯增多，PDOP值隨之減小，坐標中誤差也有所減小。各星系組合中，GPS單星系定位的平面坐標精度相對較差，雙星系組合定位的平面坐標精度與三星系組合定位的平面坐標精度基本相當，但三星系GPS+GLONASS+BDS組合的穩定性和可靠性最強。另外，對于各星系組合的測點坐標隨機(偶然)實時誤差，Y坐標的實時誤差比X坐標的實時誤差要穩定一些，其波動范圍(振幅)也要小一些，各星系組合的實時高程H的誤差最不穩定，其波動范圍(振幅)也最大。

2)一般情況下，建筑物隨著高度的增加，其風載作用越敏感，動態變形也會越大。但對于正處于施工期的天津高銀117大廈，其結構目前實際的剛度和整體性與最終竣工后的設計值有差異，且內筒與外框采用不等高同步攀升工法，外框與內筒的整體性不強，因此，在強風作用下，大廈外框66層(標高333.08 m)的振動位移要大于內筒95層(標高478 m)的振動位移。

3)大廈在風荷載作用下，不僅存在順風向振動響應，而且也存在橫風向的振動響應。本文采用GNSS-RTK實測的方法，驗證大廈橫風向動態振動響應的存在及其大小，對于施工期間控制大廈的穩定和安全，防止因橫風向的振動過大而引起大廈結構損傷具有重要的參考意義。

4)監測環境對監測結果具有一定的影響。由于大廈外框66層上的各測點受上部鋼結構遮擋，而大廈內筒95層上的各測點視野開闊，因此，66層上各測點與天空中可通視的衛星數比95層的少得多，致使外框66層各測點振動曲線中所含測量誤差比內筒95層的相對大一些(尤其是x方向的誤差)。

5)本文中所測的只是大廈在短時間內的振動位移，由于在短時間內風速變化不大，其位移只是相對振動位移，如果需要監測大廈的風載絕對位移量，則必須延長監測時段，直至捕測到風速為零時，大廈在無風狀態下的基準位置，其絕對位移應該是與風速為零時的基準位置監測值相比較而得的位移量。

[1] DAVENPORTA G. The application of statistical concepts to the wind loading of structures[J]. Proceedings-Institution of Civil Engineers, 1961, 19: 449-472.

[2] DAVENPORT A G. Gust loading factors[J]. Journal of the structural Division-ASCE, 1967, 93: 11-34.

[3] 陳豪, 朱大明, 楊金玲. GPS應用于高空施工機械安全監控初探[J]. 測繪工程, 2008, 17(2): 44-48.

[4] 陳豪, 余記遠, 楊金玲, 等. GPS精確定位技術在小灣水電站工程變形測量中的應用[J]. 測繪工程, 2015, 24(4): 46-52.

[5] 張拯,張獻州, 劉龍，等. 高精度GPS監測小范圍區域沉降的分析[J]. 測繪工程, 2015, 24(8): 46-52.

[6] 陳洪良. 全站儀和GNSS-RTK聯合在數字測圖中的應用[J].測繪與空間地理信息，2016,39(3):217-219.

[7] HRISTOPULOS D T, MERTIKAS S P, ARHONTAKIS I, et al. Using GPS for monitoring tall-building response to wind loading: filtering of abrupt changes and low-frequency noise, variography and spectral analysis of displacements[J]. GPS Solut, 2007, 11: 85-95.

[8] 李宏男, 伊廷華, 伊曉東，等. 基于RTK GPS技術的超高層結構風振觀測[J]. 工程力學, 2007, 24(8): 121-126.

[9] 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.

[10] 李宏男, 伊廷華, 王國新. GPS在結構健康監測中的研究與應用進展[J]. 自然災害學報, 2004, 13(6): 122-130.

[11] 匡翠林, 張晉升, 曾凡河，等. GPS監測高層建筑在臺風荷載下的動態響應特征[J]. 大地測量與地球動力學, 2012, 32(6): 139-143.

[12] 李鐘慎. 基于MATLAB設計巴特沃斯低通濾波器[J]. 信息技術, 2003, 27(3): 49-52.

[13] 欒穎. MATLAB R2013a 工具箱手冊大全[M]. 北京: 清華大學出版社, 2014: 349-357.

[14] 黃本才. 結構抗風分析原理及應用[M]. 上海: 同濟大學出版社, 2000: 64-79.

[15] 梁樞果, 吳海洋, 陳政清，等. 矩形超高層建筑渦激共振模型與響應研究[J]. 振動工程學報, 2011, 24(3): 240-245.

[16] 嚴亞林, 唐意, 金新陽. 超高層建筑橫風向風振響應計算的響應譜法[J]. 土木工程學報, 2015, 48(增1): 82-87.

[17] 全涌, 曹會蘭, 顧明. 高層建筑橫風向風研究綜述[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 2010, 38(6): 810-818.

[責任編輯：李銘娜]

The dynamic deformation monitoring of super high-rise building wind load by GNSS-RTK

XIONG Chunbao1, HE Haobo1, NIU Yanbo1, YE Zuo’an2

(1.School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072,China; 2. Tianjin Surveying and Hydrography Co. Ltd., Tianjin 300191,China)

Haixingda H32 receivers of GNSS-RTK is used to make the RTK, positioning experiments of different combined systems. Taking Tianjin Gaoyin 117 building under construction as an object measured, this paper monitors its dynamic deformation of strong wind by RTK technology of GPS+GLONASS+BDS combination. The measured data are processed by Butterworth filter, and the vibration curves of some points on the building are obtained. The analysis results show that: the horizontal positioning accuracy of GPS is the lowest, two combined systems and three combined systems are almost the same, and the stability of GPS+GLONASS+BDS combination is the best. The stiffness and integrity of the building under construction are different from those on its completion, so the vibration amplitude of the low outer frame on 66th floor which is delayed to a certain construction step lag is bigger than that of the high inner tube structure on 95th floor. Outer frame and inner tube both have transverse-wind vibration, whose amplitude is approximate to that of downwind vibration. The monitored results are influenced by the environment near the building, which the errors of data measured on 66th floor are bigger than those on 95th floor.

GNSS-RTK； super high-rise building under construction； vibration due to wind load； deformation monitoring

引用著錄：熊春寶，何浩博，牛彥波，等.基于GNSS-RTK的在建超高層風載動態變形監測[J].測繪工程，2017，26(5)：34-39.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.05.008

2016-04-14

熊春寶(1964-)，男，教授，博士生導師.

何浩博(1992-)，男，碩士研究生.

P228.4

A

1006-7949(2017)05-0034-06