6 结构变形分析及监测

1、6结构变形分析及监测超高层建筑施工过程中，由于结构自重、风荷载、日照温差、混凝土徐变和基础不均匀沉降等 因素影响，均可能导致主体结构在竣工时刻的结构位形超过设计位形的容差要求。为了控制结构竣 工时建筑物各参数符合设计要求，对工程结构全过程的数字模拟变形分析及施工预调值的实施，包 括对主体结构的沉降及位移监测，是本工程结构施工控制的重要内容之一。变形分析监测工作主要内容：模拟分析深化设计、变形预调现场实施、监测一数据对比一 数据修正调整总结提炼、形成最终成果。6. 1内外筒结构施工变形模拟分析本工程核心筒和巨柱框筒，均有较大的水平抗侧刚度，水平方向的变形对施工影响较小。但核 心筒为劲型混凝土结构

2、，受其收缩徐变的影响，内外筒之间将形成不均匀变形差。因此，内外筒竖 向变形差值，将是本工程关注重点。包括：核心筒竖向变形，外框筒竖向变形，内外筒的竖向变形 差和施工预调值。以上内容均需按照施工进度和步骤，进行结构变形模拟分析。6. 1. 1建立模型以截面等效、抗弯刚度等效、密度等效、龄期调整有效模量理论为基础，根据工程结构特点和 施工工艺，建立钢结构模型、主塔楼混凝土结构模型、徐变模型(欧洲混凝土协会、国际预应力混 凝土协会提出的徐变预测模型)，对施工过程进行全过程模拟，确定最终模型。对结构施工全过程模拟通过ANSYS中的生死单元来实现，具体模拟步骤为：基于设计态一次性建立结构整体有限元模型。

3、一次性杀死模型所有单元，使结构处于施工前的初始“零”状态。根据实际进度，依次激活相应阶段的单元，定义相应的等效弹性模量，根据等效弹性模量 的定义组合结构相应的折算面积和惯性矩，定义结构的密度保证结构自重不发生变化，施加相应的 施工荷载，实现施工全过程的跟踪模拟。6. 1. 2结构施工期性态分析采用有限元软件编写程序，考虑施工各阶段特点、进度和时间效应，对施工全过程跟踪模拟， 计算施工全过程中考虑混凝土徐变效应、施工荷载、施工找平、施工工序的结构变形状况以及各阶 段结构应力水平，给出外框架和核心筒各自在施工各阶段的各层位移、层间压缩量及两者内外变形 与应力状况；同时考虑内外筒不均匀沉降的变形计算

4、，比较得到内外筒不均匀沉降对结构变形和应 力计算的影响；过程中拟与设计院紧密沟通联系，分析对比模拟和监测数据，从而分析得出相关规 律，为施工预调值实施，保证大楼最终变形符合设计要求，同时也为工程变形监测提供理论依据。6.2巨柱压缩和吊杆支撑梁竖向变形的设计估算配合外侧幕墙支撑体系为吊杆加曲梁的形式，吊杆着力楼层为设备、避难层，为保证幕墙安装完成的符合性，根据设计要求，拟对吊杆伸长、巨柱压缩变形以及吊杆吊点处梁端竖向相对变形进行补 偿。6. 2. 1施工前设计估算的配合为了便于计算巨柱的缩短量和吊杆支撑梁端竖向相对变形及吊杆伸长量，在结构开始施工之前, 总承包将根据施工进度安排及时向设计单位提供

5、以下信息，以便对施工预调值作出调整。结构施工过程结构施工完毕后每层巨柱、楼面混凝土类型、强度等级、浇筑日期每层每种构件的混凝土强度实验结果每层钢结构及塔楼皇冠安装日期每区A、B型帚墙支撑结构、玻璃、百叶等帚墙安装日期核心筒和巨柱混凝土弹性模量实验结果每区的附加恒载的加载时间，屋顶调质阻尼器的安装日期相关材料信息，如混凝土、钢结构、帚墙支撑体系原材至少每星期对 种混凝土级配提供一组实验结果核心筒和巨柱混凝土长期收缩和徐变的实验结果6.3施工过程中的现场监测为了配合设计单位更好的使用实测数据来校核估算结果，过程中，拟对外框筒巨柱压缩变形以 及设备、避难层的吊杆支撑梁端部相对竖向位移进行监测。6.

6、3. 1变形监测的重点难点分析重难点分析对策塔楼局度为632m,随着楼层的增局、筒体的收敛，主 楼高处受到温差、日照、风、现场施工塔吊运转等影 响引起晃摆。采用GPS与倾斜仪超高层结构垂直度控制方法，合理 选择控制点引测时间和分段传递的高度，保证轴线控 制网的垂直引测精度。详见“8.1.8”。楼层高度压缩变形，幕墙支撑系统吊杆伸长与楼面结 构变形引起制作长度的调整。通过楼层变形数据分析、吊杆伸长值的计算和实验， 深化设计，明确细部构造和加工件。内外筒结构不均匀沉降对结构平面平整度的影响，施 工标局的控制。根据模拟分析和实际监测数据，和设计院沟通协调， 明确楼层标高调整控制目标。钢柱、桁架、巨型

7、斜撑构件截面大、板材厚、焊口多， 焊接收缩及核心筒内外变形不一致引起钢柱垂直度偏 差和应力集中等。根据模拟分析数据进行深化设计、结构尺寸预调整， 钢结构安装时设置延迟构件，根据监测结果，确定钗 接变刚接的时间。6. 3. 2参考楼层位移变形测量在地面层以上被监测的楼层称为参考层，结合本工程结构的实际情况，参考层的布置为塔楼的 首层及各区休闲层（共8个），同时在各区内，沿建筑高度每4层设置1加密层。参考楼层位移监测点，均需监测三向位移（即X、Y、Z坐标）变化情况，外框筒巨柱测点在允 许的情况下（外部控制点在有效距离内），用全站仪从建筑物外部直接监测。内筒及不在外部一次视 线监测范围内的监测点通过

8、从建筑内部引测的方法进行测量，在各参考楼层先传递高程和平面坐标,然后在参考层内进行水准测量和平面测量。6.3.2. 1监测点布置监测点布置在参考楼层的核心筒侧面及外框筒巨柱 上，参考楼层测点布置见右图。6. 3. 2. 2核心筒内高程传递方法II钢钢卷尺合理配重钢钢塔尺电子水准仪电子水准仪附近稳定的基点高精度全站仪用水准仪和锢钢卷尺进行各参考楼层间的高程传递， 将高程引测到各参考楼层后，在参考楼层内对各测点进行 水准测量，见下左图。*内控疽?也垢山打16. 3. 2. 3外框点直接测量法当条件许可时（基坑外监测点有效的测控距离内），对外框柱测点优先采用全站仪测量法，将全 站仪架设在测站上，按极

9、坐标法进行测量，见上右图。6. 3. 2. 4平面位移引测法利用天顶仪通过激光投点法将基础底板（或 F1层上）工作基点向上投测，见下图，得到参考 楼层内的若十投点，再利用这些投点为临时基点， 用全站仪测量各监测点的三维坐标。平面基准点用天顶准直仪进行竖向传递，底 层工作基点经由天顶仪投射到各楼层上，在参考 楼层上设固定位置的接收板，根据前后两次接收 板上记录的坐标差，即可反映出两次测量之间监 测楼层的平面平动位移。通常天顶仪的激光照准距离宜控制80m高度范围内，否则投影到光靶上的光斑会偏大导致测量 读数精度的降低，因此，沿高度方向，分成9个测试段(每各区即为一个测控段)。6. 3. 3温湿度测

10、试工程施工周期长，季节温差引起的结构变形对变形监测结果的影响不容忽视，需对施工期间环 境温度进行监测，以对变形监测结果进行合理的判识，每次进行变形测量时须同时测记环境的温度 和湿度。温度、湿度测量时，将温湿度计静置于测试区域附近楼面上无阳光直射处5-10min后读数, 其中基础底板区域选择3点，上部结构楼层可选2-3个参考楼层，每个楼层测2点。6. 3.4巨柱压缩变形监测监测点布置按参考层巨柱监测点布。监测方法在施工过程中，随着上部结构荷载逐渐增 加，跟进监测各层巨柱的竖向压缩变形情况。根据实际需要，也可在巨柱外表面安装收敛计，见钢尺张紧/摇柄复位按钮/电源开关上图，可以精确地监测巨柱轴向长度

11、变化，作为竖向位移监测的校核依据。监测方法按“参考楼层 变形监测”中竖向位移监测方法相同。对主体结构的轴向压缩变形以及长期收缩徐变引起的变形，通过监测第一层伸臂桁架层以下的 核心筒的轴向变形和巨柱的轴向变形进行评估，经过典型的楼层结构安装和荷载的不断增加和混凝 土龄期的增长，获得不同应力水平和混凝土龄期下构件轴向变形特征，预测结构的竖向变形发展趋 势，为施工图设计单位提供依据。6. 3. 5吊杆支撑梁的端部相对竖向变形监测监测点布置吊杆的着力楼层为每个区的设备、避险层，现场根 据幕墙吊杆的位置，在吊杆支撑梁的端部布置监测 点，具体位置见右图监测方法在幕墙安装时，监测梁端部的竖向位移情况， 并结

12、合该区巨柱的整体压缩变形，计算吊杆支撑梁 端部的相对竖向位移，各监测点的监测方法，与参 考楼层变形监测方法相同。6. 4工程整体沉降与位移监测根据建筑变形测量规范(JGJ8-2007)的要求，建筑变形测量等级按一级进行，测量精度指 标为：沉降观测点测站高差中误差0. 15mm；位移观测点坐标中误差1. 0mmo通过监测基础底板和参考楼层上各监测点的变形，获得各点变形随工程进度的变化规律，并将 变形监测结果与施工模拟计算结果进行对比分析，形成完整的信息反馈机制，实现安全预警和变形 预报，作为后续结构施工测量定位或构件加工预调的依据，直至主体结构完成，保证主体结构的垂 直度和平面位形准确。在基础底

13、板变形监测过程中，通过对沉降后浇带两侧观测点的差异沉降变化规律进行分析，可 以为施工图设计单位提供数据，用以确定塔楼与裙房之间施工后浇带封闭的恰当时间，以便为后续 的机电及装饰工程尽快插入施工提供工作面和技术依据。6. 4. 1变形监测控制网在变形监测控制网的建立上，充分结合地下室结构前标段已有的施工测量控制网点，根据地上 结构施工定位测量及沉降、位移监测需要，建立、完善上部结构测量控制网和变形测量控制网，并 与地下室结构承建商实现数据共享。6. 4. 1. 1基准控制网组建基准控制网分为平面基准控制网和高程基准点，按要求与上海市城市坐标和高程系统联测。基 准控制网按其桩点工作状态分为：永久性

14、基准点、半永久性工作基点、临时工作基点。现场半永久性工作基点根据场外永久性基准点和场内由地下室结构承建商引入的半永久 性工作基点的布局，结合地上结构施工需要适当增加，以便组建有效的平面基准控制网和高程基准 点。半永久性平面工作基点和高程工作基 点均不少于3个，根据现场工程施工特点 和变形监测需要增设工作基点。现场半永 久性平面工作基准点均建立观测墩，配备 强制对中装置，工作基点和基准点组成闭 合导线网。高程测量工作基点采用埋浅埋 钢管水准标石。楼层内的临时工作基点可布置在B5层或者F1层楼板楼层内临时工作基点的具体平 面位置和楼层需要结合地下室结构承建商 已有的工作基点具体分布情况，进行适当

15、布置。现场拟在裙楼布置6个工作基点， 塔楼布置4个工作基点，具体位置详见右图上，现场视具体情况而定。6. 4. 1. 2监测控制网的定期维护校核当永久性、半永久性平面基准点和高程基准点（根据需要增加的基点）埋设完毕并稳定后，连 续对基础导线网和水准网进行两次观测，取两次观测的平均值作为起算数据。测量基准点和控制网在工程初期每次测量时均进行校测，在三个月后若基准点高程和坐标均处 于稳定状态，则每三个月复核一次。6. 4. 2基础底板的变形监测基础底板变形主要测量各监测点的竖向位移即沉降或隆起，同时考虑混凝土收缩、温差变形和 徐变的影响，并对部分测点监测其水平位移情况。静力水准点设置见下图。静力水

16、准沉降后浇带S11A 口S12S131S15S16基础底板的沉降会影响整个结构的变形，在监测时，除按一级几何水准测量沉降外，尚对部分 关键点位采用静力水准进行测量。静力水准用于对基础筏板沉降进行实时动态监测，同时对几何水 准测量结果进行校核，保证测量结果的准确性和及时性。6. 4. 2. 1监测点布置基础底板变形监测点布置见下图（左）。基础底板变形监测点共52个测点，其中24个测点需进行平面位移及高程变化测量，另28个测 点仅测量高程变化，静力水准测点布置见下图（右），共16个测点。静力水准仪（见右图）是用于测量多点相对沉降的系统。在使用中，一系列的传感器容器均采 用液管联接，每一容器的液位由

17、一精密振弦式力传感器测出，该传感器内有一个自由悬重，一旦液 位发生变化，悬重的悬浮力即被传感器感应，精确测出小至0. 025mm的垂直变化。静力水准仪进行沉降监测的测点布置，见“基础底板静力水准监测点平面布置图”，共布设16 个测点，其中以S1为工作基点。静力水准仪安装在柱或墙侧面距底板约500mni处。静力水准仪安装调试完成后，由采集系统自动采集各测点的相对沉降数据，安装方式见下图。6. 4. 3监测设备及人员根据工程施工变形监测工作的具体工作，配备先进的测量仪器和经验丰富的技术人员，高效准 确地完成监测任务，见“变形监测仪器配置表”及“变形监测人员配备表”。变形监测仪器配置表序号项目内容仪

18、器数量1结构变形基础沉降水准仪DINI121锢钢卷尺50M2静力水准仪BGK467516外观变形全站仪TC20031垂直度天顶仪JZC-G22构件变形相对变形水准仪DINI121构件变形收敛计GK44253变形监测人员配备表序号职务职责数量说明1监测试验负责人主持，技术负责，协 调相关工作1高级工程师，5年以上类似工作经历2测量小组变形测量8两个小组6. 4.4仪器安装调试监测仪器、设备进行现场安装前，必须根据监测方案的要求，编制详细的安装方案，以保证仪 器、设备的安装，能够满足现场监测要求，并做好仪器订购、人员培训、现场查勘、现场安装及现 场维护等相关工作。在编制安装方案时，需进行现场查勘，

19、对可能与其它专业工种和施工工序产生交叉影响的仪器布设，提前与相关各方进行协调沟通，保证安装工作的顺利进行。监测仪器、设备在布设过程中，需严格按照安装进度计划和遵守操作细则，包括仪器检验、 电缆连接和走向埋设方法、现场观测及资料整理等方面的规定。监测仪器、设备的安装由专业人员进行，确保安装质量，对初次使用的仪器，提前进行培 训，保证现场安装的顺利进行。监测仪器、设备布设完成后，需进行调试，检验合格后，绘制仪器设备布设竣工图，并编 写埋设记录和竣工报告。现场需要定期对布设的仪器、设备进行检验、复查，并填写相关的复查记录。6. 4. 5监测数据采集现场人工监测、自动化监测和巡视检查等监测工作均应做好

20、所采集数据和检查情况的记录。现 场的监测数据采集及记录应符合下列要求：使用正式的监测记录表格、监测记录有相应的工况描述、监测数据应及时整理、对监测数 据的变化及发展情况应及时分析和评述、观测数据出现异常，应及时分析原因，必要时进行重测。做好原始监测数据的记录，检验监测物理量的计算、填表和绘图初步分析和异常值之判识 等日常资料整理工作。监测资料除在计算机磁光载体内存储外，必须打印出主要图表供查用。每次仪器监测或巡视检查后应随即对原始记录加以检查和整理，并应及时做出初步分析， 定期进行一次监测资料整编。资料整理和分析中如发现异常情况应及时做出判断，有问题的须及时上报，整编成果应做 到项目齐全、考证

21、清楚、数据可靠、图表完整、规格统一、说明完备。6. 4. 6监测数据处理及分析工程施工阶段应根据理论计算或模型试验成果，并参考类似工程经验对一些重要监测项目提出 预计的测值变化范围，对关键部位的测值提出设计监控指标，资料分析一般包含：分析监测资料的准确性、可靠性和精度。对由于测量因素包括仪器故障、人工测读及输入 错误等产生的异常测值进行处理，以保证分析的有效性及可靠性。分析监测物理量随时间或空间而变化的规律。根据各物理量的过程线说明该监测量随时间 而变化的规律、变化趋势、其趋势有否向不利方向发展。判别监测物理量的异常值。观测值与设计计算值相比较、观测值与数学模型预报值相比较、 同一物理量的各次观测值与同一测次邻近同类物理量观测值相比较，观测值是否在该物理量多年变 化范围内。应用数学模型分析资料。对于监测物理量的分析一般用统计学模型，亦可用确定性模型或 混合模型。应用已建立的模型作预报，其允许偏差一般采用为剩余标准差分析各分量的变化规律及 残差的随机性，定期检验已建立的数学模型，必要时予以修正。6. 4.7监测预警施工监测最主要的一个目的是对施工过程中可能出现的险情进行及时的预报。当有异常情况