超高層鋼結構建筑傾斜性監測分析

朱 贊，甘 淑

(昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

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

高層建筑物的傾斜變形主要由結構自重、風力大小與風向、溫度變化、地基沉降等因素的影響而產生[2]。一般而言，伴隨著施工過程的進行，點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變形量和變形速率的變化越大。CCTV新臺址主樓是目前國內最大的單體鋼結構建筑[4]，由于建筑造型獨特，該工程的變形監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建施工進度與建筑累計變形量之間的關系模型準確反映了塔樓的變形規律，且通過對建筑的日變形規律與氣溫變化規律進行對比分析，揭示氣溫變化對建筑結構變形的影響，最終為懸臂的安裝決策提供技術支持。此外，文獻[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系進行分析，得出傾斜變形量與建筑高度和時間呈線性關系的結論，為施工過程中變形量的預測提供依據。文獻[6]將最小二乘回歸模型運用到混凝土重力壩變形監測中，并在對變形量的預測過程中取得良好的效果。文獻[7]將時間序列分析應用于地鐵變形監測的數據分析中，為施工過程提供更為準確的技術參考。本文以工程實踐中所進行的某超高層鋼結構建筑實測數據為依據，通過趨勢分析法構建傾斜變形量與時間、變形速率與高度的回歸分析模型，相對準確地掌握建筑物的傾斜變形規律。通過對溫度變化與建筑變形速率進行對比分析，以此探討二者之間存在的關系，從而為施工和構件安裝提供參考依據。

1 監測方案布設實施

某建筑縱剖面及其監測點布設如圖1所示。待監測建筑物高度為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構，內部主干架與4至34層連成一體，為主體鋼結構。監測網采用安裝獨立坐標系，由G1，G2兩個基準點組成，兩點均在施工區以外的穩定區域。基準點每周與原安裝坐標系基準網聯測一次，并對其進行穩定性分析。建筑物監測點位的布設自建筑第6層開始至第32層，每隔4層布設一組監測點，其中第12層增設一組點位。每組3個監測點，分別位于建筑的每層房角位置，分別命名為A，B，C系列，監測點位命名規則為建筑層數+系列號。

圖1 監測點布設示意圖

觀測采用Leica TM30精密監測機器人進行。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，為監測建筑物的日變形規律，每周日進行一輪連續觀測，觀測時間為當天早6：00至次日早8：00，共計26 h，觀測間隔為15 min。數據預處理采用儀器自帶處理軟件進行。

2 累計變形量與時間關系分析

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

(1)

圖2 F24C點變形量與時間回歸分析圖

如圖2所示，F24C點X，Y，Z的累計變形量Δi與累計觀測時間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)

分別對累計觀測時間與X，Y，Z坐標的累計變形量3組數據的回歸模型進行r檢驗，取顯著水平α=0.01。查表可得r0.01(n-2)=0.290 4，通過計算可得|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)，因此可認為3組數據線性關系均顯著[8]。

(3)

通過對A，B，C系列所有監測點分別做累計變形量與累計時間的回歸分析模型，并進行比較后，可發現該建筑物在X方向上的變形為正，而在Y和Z方向上的變形為負。聯系監測坐標系的北方向為正北方向，可得出待監測建筑物總體呈現出平面上在X方向上朝北偏移，在Y方向上整體朝西偏移，在Z方向上發生沉降。

3 變形速率與高度的關系分析

根據該建筑外形為近似標準四棱柱的特點，且A,B,C3個系列的監測點分別位于建筑四角的3根柱子上。則可通過對A,B,C3個系列的監測點變形速率與高度進行回歸分析，從而構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律。這里以C系列點位的8組監測數據為例，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系列監測點X,Y,Z方向變形速率v與點位高度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測點位累計變形量Δi與累計觀測時間t的回歸分析，以及對3個系列點位變形速率v與監測點高度h之間的回歸分析，構建得出數學模型如式(2)與式(4)。最后，統計整理得出的A，B，C系列監測點位的變形速率變化率狀況如表1所示。

通過對表1中的數據進行分析可知，就平面位移變形而言，B系列點位變形速率及震蕩幅度最大，可判定為不穩定，C系列點位變形速率及震蕩幅度較小，可判定為穩定。就沉降變形而言，C系列點位變形速率較大，可判定為不穩定，同理，A系列點位可判定為穩定。

表1 變形速率變化率統計表 mm

此外，根據3個系列點位各自施工階段的最后一期監測數據與首期觀測數據的對比可以分別計算出其累計變形量，由于建筑主體橫截面為標準矩形結構，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個系列的監測點位位移量擬合出第4個建筑角點的位移量。將位移后的實際位置與設計位置進行對比，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視為建筑中心軸線位置，通過對建筑設計中心軸線位置與監測結果中的中心軸線位置進行對比可計算出中心軸線的平面累計偏移方向為西偏北32°12′43″，偏移量為89.3 mm，通過式(5)可計算該建筑實際中心軸線與設計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

在鋼結構建筑的施工中，溫度載荷是導致主體結構產生變形的重要因素之一。相對準確地掌握溫度變化與建筑物變形之間的規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26 h觀測數據作為樣本，并同時監測該日的氣溫變化。當日不同時段溫度變化情況如圖6所示，同時刻3個監測點的X,Y，Z3個方向的變形量平均數變化趨勢如圖7所示。

圖6 施工區域日氣溫變化情況

圖7 16層3個點位日平均變形趨勢圖

如圖6所示，根據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，通過對所選樣本數據單日變化趨勢進行分析，可發現建筑物的變形量在一天中不同時段的變形量呈現出一定的規律性，即在X，Y方向上，當日早上約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趨勢；次日早上6：00至8：00，建筑物變形呈勻速恢復趨勢。根據對以上特點的分析，可將鋼結構建筑的單日平面位移變形分為3個階段：快速變形階段、緩慢恢復階段和勻速速恢復階段。如圖7(c)所示，建筑Z方向上的變形在局部時間內出現較大波動，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。結合施工現場情況分析，這主要是由于白天施工過程中產生的撞擊和壓力所引起的局部時間段內建筑物的較大震蕩。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束時間進行對比可發現在當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階段。通過以上分析可知該鋼結構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系性。

5 結束語

本文通過對某超高層主體鋼結構建筑進行連續觀測，并對不同高度監測點的位移和沉降量進行分析，構建累計變形量Δ與累計觀測時間t、變形速率v與監測點高度h兩對變量之間的函數關系。通過統計檢驗方法判定其具有顯著的線性關系。引入變形速率變化率(v/h)的概念，通過對不同方位的3組監測點的變形速率變化率的比較分析可得出B系列監測點對應的建筑方位在水平方向上較不穩定，而A系列對應方位的沉降速率較不穩定。之后，通過對各監測點的變形量擬合計算出建筑中心軸線的偏移量以及偏移方位和角度。還通過對監測點位的日坐標位移變化與當日氣溫變化進行對比分析，揭示建筑物的變形速率與氣溫變化速率之間有一定的關聯性和周期變化性，即溫度變化速率越大則鋼結構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，結合圖7(c)分析的結果：當日早晨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，重要構件的安裝時間不宜選擇在下午16：00之前。而應選擇在當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，對新安裝的構件有足夠的預應力緩沖時間。此外，由于不同季節的日氣溫變化呈現不同規律，則超高層鋼建筑重要構件的安裝時間可根據氣溫的日變化規律進行決策。

表2 單日氣溫變化與平面變形量變化時間段對比