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RTK-GPS在廣州新電視塔變形監測中的應用研究

收錄時間:2011-01-29 22:46 來源:華南理工大學土木與交通學院  作者:賀志勇,趙龍,呂中榮,譚學民  閱讀:0次 評論:0我要評論

內容提示:本文以在建的廣州新電視塔(塔高610m)為研究背景,利用RTK-GPS測量技術和高精度全站儀對其施工進行了全程日照變形監測。分析表明,當一天內的環境溫度變化較大時,塔體的水平位移明顯增大;隨著電視塔高度的增加,塔體變形也相應增大;核心筒和鋼結構的位移變形趨勢基本一致等。觀測結果驗證了監測方案的合理性,對超高層建筑施工安全、施工驗收和相應規范的改進具有重要的參考指導作用。

延伸閱讀:RTK-GPS 廣州新電視塔 日照變形 監測

        高聳結構在強風、地震和溫度變化作用下,容易產生過大的變形,從而危及結構安全。日照變形是超高層結構常見的變形形式之一,是評價結構健康狀況的重要參數,在施工和運營階段均需進行變形監測。本文以在建的廣州新電視塔(塔高610m)為研究背景,利用RTK-GPS測量技術和高精度全站儀對其施工進行了全程日照變形監測。分析表明,當一天內的環境溫度變化較大時,塔體的水平位移明顯增大;隨著電視塔高度的增加,塔體變形也相應增大;核心筒和鋼結構的位移變形趨勢基本一致等。觀測結果驗證了監測方案的合理性,對超高層建筑施工安全、施工驗收和相應規范的改進具有重要的參考指導作用。(參考《建筑中文網

        近年來,我國土木建筑快速發展,設計和興建了大量的高層建筑、電視塔和大跨度橋梁等高聳結構物。例如廣州中信廣場高 391m,上海環球金融中心高 492m,廣州國際金融中心 (廣州西塔) 建筑高度 437. 5m,上海中心大廈設計高度 632m 等。在強風、地震和溫度變化作用下,高聳結構容易產生過大的變形,從而危及結構安全。超高層建筑在安全、環保、節能等方面均面臨很多問題。2007 年8 月 4 日,在建的上海環球金融中心 ( 高 423. 8m)發生火災事故,2009 年 2 月 9 日晚央視新大樓 (高234m) 發生大火等,再次引發了人們對超高層建筑公共安全的關注。對高聳結構進行實時監測和診斷,及時發現結構損傷,對可能出現的災害進行預測,被證明是有效的方法。日照變形是超高層結構常見的變形形式之一,是評價結構健康狀況的重要參數。對日照變形進行監測,其目的在于掌握超高層結構的幾何變化,研究日照變形與環境變化 (如風力和溫度) 的關系。目前,對于高聳結構日照變形規律的研究,大多為定性描述,在施工期間進行全程監測的研究比較少[1 ~4]。本文以在建的總高610m 的廣州新電視塔為背景,采用 RTK-GPS 技術和高精度全站儀對其日照變形進行監測,研究了廣州新電視塔在日照作用下的變形規律,觀測結果驗證了監測采用儀器精度、方法等的合理性,對超高層建筑施工安全、施工驗收和相應規范的改進具有參考指導作用。

        1 變形監測方案

        廣州新電視塔為廣州又一標志性建筑,主塔高454m,頂部天線桅桿 156m,總高度 610m,為目前世界之最。新電視塔的建筑結構是由一個向上旋轉的橢圓形鋼外殼變化生成,相對于塔的頂、底部,其腰部纖細。結構采用筒中筒結構,通過其外部的鋼斜柱、斜撐、環梁和內部的鋼筋混凝土筒充分展現了建筑所要表達的建筑造型。鋼結構外筒是結構主要的垂直承重及抗側力構件,包括三種類型的構件: 立柱,環梁和斜撐。外筒共有 24 根柱,由地下二層柱定位點沿直線至塔體頂部相應的柱定位點,全部采用鋼管混凝土組合柱。新電視塔具有結構超高、形體奇特和結構復雜的特點,進行建造過程的施工監控與運營期間的健康監測具有十分重要的意義,而日照變形監測正是監測內容的重要組成部分之一。為保證新電視塔在施工階段及竣工后結構的各種工作狀態滿足設計要求,評價其安全性能,并對其在施工期間和運營階段結構是否受到損傷,以及損傷的程度進行監測,需要建立一套完整的結構健康監測系統,進行實時在線監測。由于塔的施工主要是靠裝配在核心筒頂部的兩臺塔吊來進行的,過大的頂部側向變形會造成不利的施工荷載,也嚴重影響外筒鋼結構吊裝的精度。因此,為確保塔體的水平位移在規范要求的范圍內,同時指導施工,設計要求在電視塔施工過程中,進行全程日照變形監測。日照變形監測方案: ①在電視塔結構施工期間,采用徠卡 TCA1800 全站儀進行觀測。

        根據施工進度,監測頻率為 1 月 /次。首先在地面上設置一個強制對中的觀測墩,使得每次觀測的數據具有可比性,且減少日照對全站儀的測站點的溫度影響,并于離測站點約 300m 處選擇一個固定點作為后視點; 其次,在接近塔頂處設置變形監測點,監測點位置處固定一個圓棱鏡 (如圖 1 所示);每次監測均從早晨 6 時開始,每小時測量一次,直到太陽落山后變形回復到原始位置時結束觀測,同時用溫度計測量監測點層高處東南西北四個方向的砼表 面 溫 度。② 電 視 塔 主 體 結 構 封 頂 后,采 用RTK-GPS 技術進行觀測。核心筒封頂后,由于高度和施工影響,利用全站儀無法觀測到核心筒頂部的變形情況,采用 2 臺高采樣率徠卡雙頻 GX1230GG型 GPS 接收機進行觀測。監測點 (流動站) 布置在塔頂最高點,參考站布置在地面廣場強制對中控制點上。

       

        2 變形監測精度分析

        2. 1 RTK-GPS 動態定位精度分析[5]

        RTK 是以載波相位觀測量為根據的實時差分GPS 測量,它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的厘米級精度的三維定位結果。

        RTK 測量的誤差分為同測站有關的誤差和同距離有關的誤差。同測站有關的誤差包括天線相位中心變化、多路徑誤差、信號干擾和氣象因素影響等,其中多路徑誤差是 RTK 定位測量中最嚴重的誤差。多路徑誤差主要取決于 GPS 接收機天線周圍的環境,若天線周圍有高大建筑物或大面積水面時,將對電磁波有強反射作用。通常情況下,多徑誤差為 1 ~ 5cm。廣州新電視塔核心筒封頂后高達454m,GPS 觀測點設在核心筒最頂部強制對中點上,除施工塔吊外,周圍沒有其他影響因素,接收信號良好,可以忽略多路徑影響誤差。同距離有關的誤差包括軌道誤差、電離層誤差和對流層誤差。目前軌道誤差只有幾米,其殘余的相對誤差約為1ppm,在進行 GPS-RTK 觀測時,基準站與流動站距離小于 1km,其影響可忽略不計。電離層誤差同太陽黑子活動密切相關,一般情況下,其影響小于5ppm,對流層誤差同點間距離高差有關,一般影響在 3ppm 以內。

        廣州新電視塔監測采用徠卡雙頻 GX1230GG 型GPS 接收機進行觀測,其動態測量雙頻觀測精度可達到平面 5mm + 0. 5ppm × D,高程 10mm + 1ppm ×D。觀測時,參考站布置在地面廣場強制對中點上,觀測條件較好,四周無遮擋,可認為基本無多路徑效應影響,流動站布置在塔頂最高點。根據 2009年 12 月 3 ~ 4 日 GPS-RTK24 h 觀測結果,其 X 方向中誤差的平均值為 ± 8. 0mm,Y 方向中誤差的平均值為 ± 7. 3mm,表 明 GPS-RTK 的 觀 測 精 度 小 于1cm,滿足電視塔監測技術要求。

        2. 2 全站儀坐標測量精度分析[6]

        廣州新電視塔監測采用徠卡 TCA1800 型精密全站儀,其測角精度為 ± 1″,測距精度為 ± (1 + 1 ×10-6·S)mm,補償器精度為 ± 0. 3″,當取距離最大為 500m,豎直角最大為 20°,觀測一測回,代入測量學 公 式 計 算 得 出: MXY = ± 3. 71mm, 表 明TCA1800 的觀測精度小于 1cm,滿足電視塔監測技術要求。

        3 監測數據處理與分析

        3. 1 施工期間核心筒日照變形監測結果分析

        新電視塔施工期間,采用全站儀進行了全程日照變形監測,監測期為 2007 年 10 月至 2008 年 8月,每月進行 1 次日照變形觀測,具體觀測結果見表 1 (表 1 中大氣溫差為測量期間最高氣溫與最低氣溫之差,最低氣溫都是測量開始時刻的氣溫。相對水平位移為一天中觀測點的位置相對于測量開始時刻的位置)。由表 1 可知,隨著施工高度增加,其最大的相對水平位移也逐漸增大,且大氣溫差變化大的時候,其相對水平位移也增大。

       

        根據結構力學知識[7],懸臂梁的截面受均勻溫度變化時的側向位移用公式 (1) 表示:

       

        式 (1) 中,w 為側向位移,α 為材料線膨脹系數,ΔT 為梁兩側溫度差,L 為梁長度,H 為梁截面高度。雖然電視塔核心筒可以簡化為一根懸臂梁,但由于外筒的存在,極大地減少了電視塔的水平位移,另外核心筒截面溫度變化也不是線性的,所以不能直接應用式 (1) 計算電視塔的水平位移。盡管如此,式 (1) 表明像電視塔這樣一個近似懸臂結構的變形應該與溫差和高度的平方成正比。因此這里假設電視塔的最大水平位移可以用式 (2)來表示:

       

        式 (2) 中,Δt 為測量期間的大氣溫差,a、b、c、d 為系數。運用線性回歸理論可以得到四個系數,從而電視塔的最大水平位移近似為:

         (3)

        式 (3) 中各變量單位同表 1,線性相關系數高達 0. 95。將表 1 各變量代入式 (3),計算出電視塔的最大水平位移值,并與實測值比較,見圖 2(折線為式 (3) 計算值,* 、Δ 為監測單位和

原文網址:http://www.210688.tw/research/201101/14740.htm

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