塔楼、空中连廊施工过程中的变形监测方案

重庆来福士广场项目总承包工程（A标段）技术标第三十二节 塔楼、空中连廊施工过程中的变形监测方案1. 概述景观天桥长度约300米，宽度约30米、距离地面约250米。跨越并支撑于塔楼T2、T3S、T4S、T5的屋面，共设置26个隔震支座，其中T2、T5、T3S各6个支座，T4S设置8个支座。其主结构采用空间交叉的钢桁架结构，屋面采用单层网格结构。景观天桥桁架结构主要分为三层，从上至下依次是主层结构、机电夹层以及避难层。主体结构的主桁架为3组东西向连续桁架跨越4个塔楼，截面形式为箱型，主要截面尺寸为100010006565、8008004545、6006003535、5008003045、3006001835等。垂直于主桁架方向，每4.5米安装一梯形次桁架连接3组主桁架，截面形式为箱型、H型和圆管，主要截面尺寸为8008005050、6002502530、H6003502530、36016、55018等。 由于景观天桥的钢架约重6000多吨，可能会对支撑此连廊的四栋塔楼产生沉降变形及倾斜，以及前期四栋塔楼的沉降不均匀也会影响天桥的安装 ，因此前期我司将加大对四栋塔楼的监测并且在安装天桥的过程中也加强监测。同时，由于T4S、T5塔楼之间的距离最少也有38米，故它的跨度大，钢结构桁架将会产生不容忽视的挠度变形。因此，在安装过程中须及时监测其挠度的变化情况，分析钢结构的安全稳定性，以便及早发现问题，及时采取有效补救措施，避免事故的发生。2. 监测依据及内容2.1 监测的目的通过对塔楼和景观天桥的监测，保证空中连廊的安装定位不受影响。2.2 监测内容2.2.1T4S、T5塔楼的监测2.2.2景观天桥的监测3. T4S、T5塔楼监测3.1 内控法位移监测在T4S、T5各栋塔楼二层平面内设4个控制点，共安设4台垂线坐标仪，通过4点的平面内位移分析，监测楼层变形。 为了防止楼层的平动和扭转，我司还用全站仪对塔楼进行外控监测（外立面监测）T5控制点布置图T4S控制点布置图3.2 外立面设点监测主楼外围的观测点位置固定，以地面1F固定点为后视，分别观测塔楼的5F、15F、25F、30F、35F、40F、45F、屋面层各点的平面坐标。观测结果和采用垂线坐标仪（内控法）观测得到的数据比较应一致。3.3 位移变形监测3.3.1 垂线坐标仪测量法楼层之间的相对平面和竖向变形采用垂线坐标仪进行测试。其工作原理如下图：重锤使垂线垂直，当上部楼层产生相对于下部楼层的变形时，垂线下端与垂线不直接接触、固定不动的CCD图像传感器即可测量出垂线的平动变形值和竖向变形，比较方便的测量出楼层之间的相对变形值，计划在1F、6F、12F、18F、24F、30F、36F、42F、屋面层设观测点。各层相对变形的叠加可反应建筑物整体宏观变形。如下图所示：由上图可知，实际测出的是上下检测层的相对变形，即竖向相对变形值（dz2-dz1）、相对平动变形值（dx2-dx1）、（dy2-dy1）；上下监测层相对变形进行叠加后，即可综合反应出建筑物的整体宏观变形。采用激光垂准仪提供垂直基准线，如下图所示：3.3.2 GPS+全站仪进行垂直度监测法（1）仪器位置的确定(仪器的精确坐标)使用GPS静态观测模式来建立主塔楼顶层的控制测量。每栋塔楼系统由4台GPS天线或接收机固定安装在建筑构架的最高层。在每一个天线下面放置一个可倾斜的圆棱镜（或360度棱镜），另外一台全站仪（TPS）放置在顶层能够看到所有GPS点的位置上。GPS加上TPS组成了一套“测量系统”。GPS静态模式时需要接受和记录卫星信号一小时左右。与此同时全站仪测量到安置在接收机天线下面的棱镜的角度与距离（后方交会）。然后全站仪测量用来控制结构框架的施工点（设置在新的混凝土层上）。观测完毕后数据导入到计算机用来处理。使用徕卡测量办公室（LGO）软件来计算GPS天线位置。全站仪位置的计算根据最小二乘法进行计算。最后转换接收机天线的WGS84坐标，将全站仪的坐标设置成重庆市独立坐标系统，并基于此坐标系统设置所有参考控制点的坐标。这些步骤将产生测量仪器的坐标和参考控制点的工程坐标。基站控制点测站倾斜传感使用观测值（方向与距离）计算的坐标可以保证内部一致性，但是必须转换到由GPS天线组成的参考框架定义的坐标系内。（2）测量建筑物垂直度(中心线偏离垂轴多少)核心筒测量使用NIVEL200双轴精密倾斜仪来精确确定主塔楼在垂轴方向的偏差。倾斜仪绝对测量范围为0.2弧度。此角度测量值可以用来计算由于结构的倾斜产生的平面在x和y方向上的倾斜值。在倾斜仪最初安装的时候，它们需要根据基础的位置在垂直方向上根据测量控制点进行校正。随后可得到一系列在x和y方向的倾斜观测值，倾斜观测值将用于与其后的的观测值比较来反应主塔楼在垂轴上的角度偏差。倾斜传感器将通过RS-485串行接口电缆连接到位于测量办公室的运行徕卡GeoMos软件的专用计算机上。连续的、实时的测量每层结构倾斜值都将记录下来，倾斜值以x和y方向表示结构在垂轴方向的偏差。平稳数据的振幅最大值反映了结构的振动。竖轴曲线的平均位移反映了结构总体的位移。相应的GPS观测数据将会用于此目的。在不同高度的不同的倾斜仪数据需进行结构倾斜的非线性改正。电子倾斜仪与计算机连接示意图3.4 沉降监测3.4.1 沉降观测技术要求建筑变形测量的技术指标变形测量等级沉降观测位移观测适用范围观测点测站高差中误差（mm）观测点坐标高差中误差（mm）一级0.151.0高精度要求的大型建筑物和科研项目变形观测二级0.503.0中等精度要求的建筑物和科研项目变形观测；重要建筑物主体倾斜观测、场地滑坡观测三级1.510.0低精度要求的建筑物变形观测；一般建筑物主体倾斜观测、场地滑坡观测3.4.2 沉降观测设计 （1）沉降观测的方法和频率根据现场实际情况，在被观测建筑物外墙上选择坚固稳定的地方，根据设计的沉降观测点布置图埋设沉降观测点，与离建筑物5倍基坑深度远处便于观测且坚固稳定的点组成闭合水准路线，以确保观测结果的精确度。第一次观测应在观测点安设稳定后及时进行，并和假定的两个水准点构成闭合水准路线，每次测量均做往返测量。以后随结构升高将临时观测点上移并进行观测，直到0.000时，再按规定埋设永久性观测点。然后每施工一层，复测一次，结构封顶后每月观测一次，竣工后每季度观测一次；竣工一年后每半年一次，直至沉降稳定为止。(2)基准点的选择与布设要达到沉降观测点的沉降变化情况，必须要有一些固定（相对的固定）的点子作为基准，根据它们来进行测量，以求得所需要的变化值。基准点的选择与控制网的布设，应该全面的考虑、合理的解决作为变形观测依据的基准点的布设问题。在选定的位置用长约1米的钢筋深埋，并固定保护。为了检查水准基点本身的高程是否变动，可将其成组的埋设，通常每组三点，并形成一个等边三角形，如下图所示：在三角形的中心，与三点等距的地方设置固定测站，由此测站上可以经常观测三点间的高差，这样便可判断出水准基点的高程有无变化。(3)沉降观测点的布置根据规范要求，沉降观测点一般布置在建筑物的四角、大转角处及沿外墙每10-15m处或每隔2-3根柱基上。本建筑塔楼沉降观测点布置在相应的柱子上。“T5”、“T4S”塔楼核心筒观测点数为4个、外型钢-混凝土柱观测点数为4个进行布置，该塔楼施工到0.00m层时，将主楼的沉降观测点转移到首层柱子对应位置。如下图所示：T5 塔楼沉降观测点布置图T4S 塔楼沉降观测点布置图(4)沉降观测点的做法沉降观测点做法示意图(5)沉降观测点的观测在基础底板完成之后开始进行观测，以基坑壁引测的高程控制点为依据对各沉降观测点进行观测。第一次连续观测两次取平均值作为其实测高程，地下室施工过程中每完成一层观测一次，且不得超过一个月；在暂时停工期间20天观测一次：如遇特殊情况，则根据情况即使增加观测次数：若发现沉降有异常，根据情况每日进行观测。直至沉降稳定为止。沉降稳定标准：平均每天沉降量小于或等于0.01mm。4. 景观天桥的监测4.1 基准控制网布设空中连廊桁架挠度变形观测的主要基准点应尽可能布设于稳定、相互通视且便于观测之处。根据现场实际情况我司将4个基准点设在T4S屋面上，编号为JZ1-JZ4。但是,若T4S发生不均匀沉降,基准点相对于变形点的高差将发生变化。因此,在每次挠度变形观测前,先对基准点使用GPS全球定位系统进行精度复核,以便利用这些基准点准确测得各变形点挠度的变形值。基准点采用直径约1 cm ,长约5 cm 的不锈钢条且顶部刻有十字,埋设与我们混凝土中,以确保其稳固。基准点布置如下图：基准点布置图4.2 挠度观测点布设4.2.1 观测点的布置根据连廊的特点，在连廊主体桁架上布置21个控制点，即T2、T3S、T4S、T5每栋塔楼上各布三个点，T2T3S、T3ST4S、T4ST5塔楼之间各设置3个控制点。如图1所示：图1 观测点布置图4.2.2 观测点的制作变形观测点采用自制边长为14.1cm 的正方形钢板,沿对角线两边喷黑与白的油漆,使黑白分界线垂直地面焊接在桁架上,让每边的三角形顶点( a 、b、c) 在上下方向的垂直距离为10 cm(见图2) 。图2 变形观测点标志图4.3 测量方法 采用测量视线与水平视线间的高差的方法4.3.1 测量精度要求 根据建筑物变形测量规范中要求变形点单程高差观测中误差mh = 17 mm。4.3.2 基准控制网测量 每次挠度变形观测前,先对基准点进行GPS测量,再进行挠度变形观测点的观测。测量步骤如下： （1）A、B两点为地面固定的首级控制点，已知其三维坐标值。 （2）C点（四个基准点）为屋面的被测量点。 （3）为提高观测精度，每次使用三套GPS卫星定位仪，分别架设在A、B、C点。 （4）根据观测采集到的数据，用计算机解算出C点的三维坐标值。 （5）C点设计三维坐标与实测三维坐标值比较，得到C点定位偏差。 （6）根据GPS的测量偏差，对监测点高差进行改正。4.3.3 挠度变形观测的方法 首次观测时,在基准点上用全站仪的免棱镜功能测定每一变形观测点与基准点之间的高差和水平距离,经平差解算出各观测点的高程和相对于各基准点的水平距离,作为以后每次变形观测比较的依据,以后要定期进行检测。观测时进行两次连续观测,互差小于限差时取其平均值作为最后结果。图3 挠度变形观测方法示意图挠度变形观测时,在一基准点上安置全站仪,精确对中,严格整平,在另一基准点上安置带有对中杆的三脚架和反射棱镜,精确对中和整平。首先观测测站点(基准点) 到镜站点i (基准点) 的斜距Si 及竖直角i(见图3) ,可按(1) 式计算出镜站水平视线相对于镜站点地面标志的高差。 hi = Di tani + (1 - K) D2iP(2 R) + b (1) （1）式中i 为视线i 与水平线之间的竖直角, b 为反射镜高, K 为大气折光系数, R 为地球的平均曲率半径,Di 为测站、镜站两点间的水平距离, Di = Si cosi ,然后,在测站(基准点)上观测变形监测点j 的竖直角,测定其相对于水平视线的竖直角j (如图3 所示) 。由于其相对于测站点的水平距离Dj 已知,则可计算出变形点j 相对于测站点水平视线的高差为 hj = Dj tanj + (1 - K) D2jP(2 R) (2) （2） 式中j 为测站点到变形点j 的视线与水平线之间的竖直角,其他符号与(1) 式含 义相同。此时,变形点相对于镜站点的高差为hij = hj - hi =Dj tanj - Di tani +(1 - K) ( D2j - D2i )P(2 R) + b (3) 观测时,在每个测站分别观测每个变形标志(如j) 三角形三个顶点的竖直角,计算三角形标志三个顶点( a 、b、c) 相对于测站点水平视线的高差hja 、hjb 、hjc和这三个高差的两两之差(垂直距离之差) , 即hja - hjb和hjb - hjc ,计算出的目标标志3 个三角形顶点之间实际垂直距离与理论值之差,若 1 mm(理论值事先测定出来) ,取其平均值hj = (hja +hjb +hjc )/3 作为观测点相对于测站点水平视线的高差。为了保证监测精度,对每一个变形点都要在两个基准点上进行观测,以便进行检核,在两侧站上测得同一点的高程差互差 1.4 mm 时,取均值为最后结果。对于挠度变形观测来说,由于观测目标固定,反射镜镜高固定,测站固定,目标的挠度变形是上下垂直位移,所以测站至目标的水平距离是不变的。每次观测时水平距离的变化主要是仪器对中误差的影响。大气折光对观测点测量高差值的影响,在变形量比较时可以互相抵消。因此,在进行变形量比较的每次测量高差计算时, (3) 式的后两项可以不参加计算,即hij = hj - hi = Dj tanj - Di tani (4)而某次观测点j 的高程为hj = hi +hij (5)其挠度变形量为Hj (变形量) = hj (初次) - hj (本次) (6)4.4 精度分析变形点j 与镜站点i (基准点) 高差计算公式:hij = hj - hi =Sj sinj - Si sini + b +(1 - K) ( D2j - D2i )P(2 R)对其进行全微分得dhij = sinj + Sj cos2j (1 - K)PR d Sj + - sini - Si