梅縣東山中學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

梅縣東山中學體育館、體育場項目位于梅州市下市狀元橋東山中學校內二山頭（東南角），內容包括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。受業主的委托，由梅州市測繪與地理信息中心承擔東山中學體育館、體育場變形監測的任務。

2 方案制定

2.1 建筑變形原因分析

建筑物的變形原因復雜，可以概況為外部原因與內部因素。外部原因主要是自然因素引起，例如建筑周邊土壤情況、地質條件、水文地質、溫度變化、風及其周邊建筑物等。內部因素主要是建筑物自身結構、動荷載、受力等因素。建筑物變形不是單獨存在，而是一個系統性的，是互相聯系的。建筑變形按其類型來分，可分為靜態變形和動態變形兩種類型。靜態變形一般是指變形幅度或者大小，只表示在某一時間區域范圍內的值，與時間段密切相關，屬于時間段關聯的函數；動態變形一般是指在外部因素影響下瞬間產生的變化值，屬于時間點關聯的函數，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

根據建筑物變形的外部原因與內部因素，并按照周圍環境，確定觀測方法與觀測精度，可采用經緯儀導線測量、水準測量、傳感器、光電測距儀導線、三角測量、物理直接量取方法。根據設計資料，本工程變形測量確定等級為三級，監測的內容包括體育館主體建筑沉降、水平位移監測，體育場主體建筑沉降、水平位移監測。

2.3 建筑變形測量方案制定

本項目變形測量內容包括水平位移監測和沉降監測。設備選擇上使用自動化觀測徠卡TS15A全站儀和天寶DN01數字水準儀監測。

變形觀測網是由水準基點和觀測點組成。根據場地特征及其建筑物監測要求，現場布置13個待觀測水平監測點，分別沿整個體育館房頂邊緣均勻布設的A1、A2、A3、A4、A5、A6和體育場觀眾席房頂均勻布設的B1~B7沉降監測點為18個，分別沿整個體育館房頂邊緣均勻布設的A1~A11和體育場觀眾席房頂均勻布設的TP01、TP02、TP03、TP04、TP05、TP06、TP07；其中把 BMO1、BMO2、BMO3、BMO4基準點設置鋼筋混凝土強制對中觀測墩，精度高，穩定性強，且分布在監測觀測點四周，且相互通視，能完全滿足此次變形監測測量的要求。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。為了減小監測對象受環境的影響，首期觀測三次，取效果最好的次作為首期觀測的數據。

3 項目實施

3.1 監測點的布設及監測網的控制

3.1.1 水平位移基準點與監測點的布設。基準點是檢驗和直接測定監測點的依據，要求其點位在距離施工區100m以外，在整個監測過程中保持相對穩定且確保不被破壞，采用深埋鋼筋并澆灌混凝土固化的方法埋設。為了便于校核，以驗證基準點的穩定性，根據現場的實際情況布設四個觀測墩基準點，編號BMO1、BM02、BMO3及BM04。基準點埋設好后，應監測三次，分析其穩定后方可使用。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測點，疏密適當。在體育館房頂邊緣布設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，使之體育館結構牢固地聯結成一個整體。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邊緣，使之與監測對象結構牢固地聯結成一個整體，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，根據基準點方案布設圖，此次觀測基準點BM02 BMO1 BMO3、BM04為待求點，根據GPS E級網觀測方案，本次基準點監測采用同步差分觀測測量。此次測量采用中海達靜態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的經緯度。

根據設計方案，監測點采用Leica TS15A全站儀（1.0秒精度）觀測，等眾多現代化強大功能每次架站自動觀測6個測回。監測點均勻分布在體育館和體育場房頂，受通視條件的影響，不是每個監測點都能完全看完所有的監測點，故此次觀測是在監測點BM01架站觀測監測點A2、A3、A4，在監測點BMO2架站觀測監測點A1，在監測點BMO3架站觀測監測點A5、A6，在監測點BM04架站觀測監測點TP01、TP02、TP03、TP04、TP05、TP06、TPO7。按照《建筑變形測量規程》中三級變形觀測的技術要求施測，觀測前首先對基準點進行邊長、角度檢測校核，驗證其點位穩定后，方可對水平位移觀測點進行觀測。本次監測利用Leica TS15A全站儀高效的馬達驅動、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，儀器里已經設置好觀測次序和測回數，觀測監測點的支導線觀測和監測點的監測觀測時同時進行。數據處理是采用儀器自帶的處理軟件和武測科傻數據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。為確保監測成果的可靠性，基準點類型為淺埋式水準點，體育場和體育場監測項目共布設4個基準點，采用1956黃海高程系統，設置編號分別為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。每次監測時進行聯測，各點相對穩定。

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

體育場和體育館沉降觀測點均采用預制不銹鋼標志，一端加工成光滑圓頭作為觀測立尺點。按照設計要求，采用鉆孔法植入監測平面布置圖中標出相應位置，周圍澆灌水泥砂漿固定。根據沉降基準點方案布設圖，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，根據基準點觀測方案，本次基準點沉降監測采用三等水準測量，采用單閉合環形式進行觀測。

根據設計方案，監測點采用天寶DINIO3數字水準儀，以兩個獨立的閉合環來觀測所有監測點。體育館處閉合環的觀測線路是BMO1-A1··A11- BMO1，體育場處閉合環的觀測線路是BMO4-B1···B7-BMO4。其中：A1···A11是均勻分布于體育館沉降監測點，B1···B7是分布于體育場的沉降監測點。按照《建筑變形測量規程》中三級變形觀測的技術要求施測。觀測時讀數取至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。沉降監測采用閉合線路，按測站進行平差[3]。

3.2 預測模型與計算方法

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

3.2.1 預測模型。預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（效應量）和外因（原因）之間的相關性，來建立荷載-變形之間關系的數學模型。其數學模型是：

ει為無法觀測的且滿足一定條件的擾動項。

在此基礎上，根據最小二乘法構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上，利用matlab軟件對多時相沉降變形監測數據進行回歸分析。

4 結果分析

4.1 沉降成果分析

按照設計及《建筑變形觀測規范》要求，在建筑物上布設監測點，并定期觀測這些監測點的高程，從而獲得各個監測點沉降量（mm），從沉降監測數據結果來看，累計沉降值最大值A7點為1.61mm累計沉降值最大值A7點為0.73mm，沉降速度最大值是0.0044 mm/d，根據《建筑變形測量規程》要求，由于沉降速度處于-0.01~-0.04 m/d，同時，測量規范中規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，完全滿足規范的要求，可以認定東山中學體育館沉降已經基本處于穩定期。

4.2 水平監測成果分析

東山中學體育館水平位移監測點共布設6個，編號為 A1-A6，其監測結果如下：

表1 水平監測成果

按照設計及《建筑變形觀測規范》要求，在體育館頂端上布設均勻監測點A1~A6，并采用梅州坐標系統，一共對這些監測點進行了十二次的觀測，從而獲得各個監測點在X方向位移量（m），從十二次位移量表中結果來看，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AS點為-4.2mm，移動速度最大值是0.0085mm/d。根據《建筑變形測量規程》要求，由于移動速度處于0.01~0.09mm/d，體育館的在X方向未發生了整體的移動。

5 結束語

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。監測成果表明，東山中學體育館、體育場整體沉降基本均勻，觀測點平均累計形變量小于規范規定體型簡單的高層建筑基礎平均形變量允許變形值。根據監測方案要求，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。由監測數據可認為，現在東山中學體育館、體育場已進入穩定階段，可停止觀測。