土木工程建筑物變形分析與預(yù)報(bào)技術(shù)研究

婁 真

（河南省省直機(jī)關(guān)房屋建設(shè)開(kāi)發(fā)公司，河南 鄭州 450003）

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展、科技水平的快速提高，也大大加快了各類(lèi)工程建設(shè)的進(jìn)程，從而帶來(lái)了各種類(lèi)型建筑（構(gòu)）物的層次不窮，諸如大型橋梁、各類(lèi)水工建筑物及高層建筑物等等，隨著這些建筑（構(gòu)）物的日益增多，有關(guān)它們的質(zhì)量、安全等問(wèn)題也日益引起公眾的關(guān)注。實(shí)踐表明，進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，這是進(jìn)行各類(lèi)工程建筑物及其地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性檢查的一個(gè)極其重要的手段，因?yàn)橥ㄟ^(guò)變形監(jiān)測(cè)，可把變形體相關(guān)變形數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲得，并以此來(lái)對(duì)變形體在時(shí)間特性及空間狀態(tài)方面進(jìn)行深入研究，從而能夠做到科學(xué)解釋變形成因，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)變形狀況做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)?；诖耍韵陆Y(jié)合進(jìn)行土木工程建筑物變形監(jiān)測(cè)的重要性和必要性，就土木工程建筑物變形分析與預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行著重探討。

2 關(guān)于土木工程建筑物變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)要介紹

進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)最為關(guān)鍵的工作就是要把土木工程建筑物變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)方案合理設(shè)計(jì)好；變形監(jiān)測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)了十多年的發(fā)展過(guò)程，現(xiàn)已形成好幾種測(cè)量方法，以下進(jìn)行一些簡(jiǎn)要介紹，具體如下表所示：

①常規(guī)地面測(cè)量法利用常規(guī)儀器、通過(guò)角度、邊長(zhǎng)及高程等的變化來(lái)對(duì)變形體所出現(xiàn)的各種變形進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)定；這種測(cè)量方法在當(dāng)前應(yīng)用較廣泛，對(duì)于變形形式不同、外界條件不同的變形測(cè)定均可適用。②特殊測(cè)量手段主要包括三種類(lèi)型：即①準(zhǔn)直測(cè)量、②應(yīng)變測(cè)量、③傾斜測(cè)量；具有較為簡(jiǎn)單的測(cè)量過(guò)程，能夠進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)及進(jìn)行自動(dòng)化觀測(cè)，在此基礎(chǔ)上，能把局部出現(xiàn)變形的信息進(jìn)行準(zhǔn)確提供。③地面攝影測(cè)量技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中，這種技術(shù)手段應(yīng)用較早，但因其較近的攝影距離，較低的絕對(duì)精度，在實(shí)時(shí)攝影測(cè)量和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量出現(xiàn)之前，未能得到廣泛應(yīng)用；當(dāng)前，這種測(cè)量手段已在大型工程建筑物的變形監(jiān)測(cè)之中得到廣泛應(yīng)用。④GPS測(cè)量方法GPS這種全新空間定位技術(shù)，能夠極為方便地把三維網(wǎng)監(jiān)測(cè)構(gòu)建起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)繪技術(shù)從靜態(tài)向動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變，并且可以不受諸如站與站之間的通視的限制，因而可把這些工作諸如砍樹(shù)、建標(biāo)等省略下來(lái)，從而大大提高了工作效率。

3 關(guān)于土木工程建筑物變形分析與預(yù)報(bào)技術(shù)的探討

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展及計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用水平的日益提高，使得應(yīng)用各種理論和方法來(lái)進(jìn)行變形分析和變形預(yù)報(bào)成為可能性；眾所周知，因變形體具有極其多樣和復(fù)雜的變形機(jī)理，故在實(shí)際研究當(dāng)中，為能夠有效模擬、逼近以及準(zhǔn)確揭示出變形體的變形規(guī)律和動(dòng)態(tài)特征，必須運(yùn)用有效模型這種研究手段，這對(duì)于災(zāi)害的防治及相關(guān)工程的設(shè)計(jì)，都有極其重要的作用?？偟目磥?lái)，處理和分析變形數(shù)據(jù)、及對(duì)各方面變形進(jìn)行物理解釋和預(yù)報(bào)，這就是變形分析所涉及的主要研究?jī)?nèi)容；據(jù)此，可把變形分為兩部分：即變形的幾何分析和變形的物理解釋。

3.1 變形的物流解釋方法

這種方法最為主要的目的就是把變形體的變形及變形的形成原因之間的關(guān)系建立起來(lái)，并對(duì)其中的變形成因進(jìn)行相應(yīng)的解釋?zhuān)饕幸韵逻@幾種方法：

3.1.1 統(tǒng)計(jì)分析法。通過(guò)回歸模型的建立，對(duì)所觀測(cè)的效應(yīng)量（變形）及原因量（影響因素）之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，來(lái)完成荷載-變形之間關(guān)系數(shù)學(xué)模型的建立。具有“后驗(yàn)”性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)分析法，在當(dāng)前變形成因分析法當(dāng)中應(yīng)用得比較廣泛；因具有不確定性和多樣性，這是變形因素所固有的特性，再加上自身有限的觀測(cè)資料，故對(duì)于回歸分析建模的準(zhǔn)確性帶來(lái)了極大的影響。對(duì)于回歸分析模型來(lái)說(shuō)，其具有多種類(lèi)型，具體如下表所示：

以研究手段來(lái)劃分①逐步回歸分析模型、②多元回歸分析模型、③主成分回歸分析模型、④嶺回歸分析模型。以統(tǒng)計(jì)模型的發(fā)展來(lái)劃分①模糊聚類(lèi)分析模型、②時(shí)間序列分析模型、③灰關(guān)聯(lián)分析模型，④動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析模型。

3.1.2 確定函數(shù)法。這種方法主要采用有限元法，通過(guò)一定的假設(shè)條件，結(jié)合變形體相關(guān)的物理性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)，基于應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系把荷載與變形之間的函數(shù)模型建立起來(lái)，再應(yīng)用所構(gòu)建的函數(shù)模型來(lái)對(duì)變形體在一定荷載作用下可能發(fā)生的變形進(jìn)行預(yù)報(bào)。這個(gè)具有“先驗(yàn)”性質(zhì)的函數(shù)模型，在相關(guān)物料概念方面，具有比統(tǒng)計(jì)模型來(lái)得更準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，但也因存在著比較大的計(jì)算工作量，故對(duì)于用來(lái)計(jì)算的數(shù)據(jù)具有比較特殊的規(guī)定。

3.1.3 混合模型法?；诖_定性模型和統(tǒng)計(jì)模型這兩種模型而發(fā)展起來(lái)的。若原音量與效應(yīng)量具有較明確的關(guān)系，則進(jìn)行計(jì)算以FEM,Finite,Element,Method（有限元法）為主，若對(duì)于這類(lèi)原音量：①有關(guān)它們之間的函數(shù)關(guān)系，即使應(yīng)用相應(yīng)的物理理論進(jìn)行計(jì)算也無(wú)法給予確定、②與效應(yīng)量具有不很確定的關(guān)系，則應(yīng)采用統(tǒng)計(jì)模式來(lái)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上再跟實(shí)際值加以擬合而把模型建立起來(lái)。例如，我國(guó)曾有學(xué)者在進(jìn)行壩體形態(tài)分析過(guò)程中，應(yīng)用混合模型分析法進(jìn)行分析，獲得了比較理想的效果。此外，在應(yīng)用混合模型進(jìn)行建筑物變形分析和預(yù)報(bào)過(guò)程中，還可應(yīng)用反分析法；這種反分析是在把系統(tǒng)識(shí)別理論進(jìn)行仿效的基礎(chǔ)上，以正分析成果為其證據(jù)，來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的理論分析，通過(guò)反求來(lái)把建筑物及周?chē)牧系膮?shù)、相關(guān)規(guī)律及信息等向建筑物相關(guān)設(shè)計(jì)單位、施工單位進(jìn)行反饋，以達(dá)到對(duì)建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的目的。

3.2 變形的幾何分析方法

3.2.1 時(shí)間序列分析。相關(guān)研究表明，在變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，因來(lái)自于某個(gè)測(cè)點(diǎn)上的一系列觀測(cè)量正常會(huì)構(gòu)成一個(gè)具有離散特點(diǎn)的隨機(jī)時(shí)間序列，故可基于時(shí)間序列分析法來(lái)把ARMA（p階自回歸q階滑動(dòng)平均模型）建立起來(lái)。相關(guān)實(shí)踐表明，以趨勢(shì)函數(shù)模型+ARMA或者動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行組合來(lái)來(lái)完成模型構(gòu)建會(huì)獲得更好的效果，這二者（即趨勢(shì)函數(shù)模型+ARMA和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)系統(tǒng)）將分別達(dá)到這兩個(gè)作用：第一，把非平穩(wěn)相關(guān)序列向平穩(wěn)相關(guān)系列進(jìn)行轉(zhuǎn)變；第二，有關(guān)隨機(jī)動(dòng)態(tài)系表達(dá)式的尋求過(guò)程可通過(guò)建模來(lái)進(jìn)行處理；由于系統(tǒng)輸出的特征及狀態(tài)均集中在模型參數(shù)，故可對(duì)變形成因進(jìn)行解釋?zhuān)诖嘶A(chǔ)上再對(duì)建筑物的變形進(jìn)行預(yù)報(bào)。如果考慮到粗差所帶來(lái)的影響，則可把穩(wěn)健時(shí)間序列分析法加以引入，并完成模型的構(gòu)建；若時(shí)間序列屬于比較小的數(shù)據(jù)量，則進(jìn)行建?？蓱?yīng)用灰色系統(tǒng)理論來(lái)操作，以累加生成法來(lái)加工原始數(shù)據(jù)，使其變成生成數(shù)列，以達(dá)到誰(shuí)繼續(xù)減弱、規(guī)律性增強(qiáng)的良好效果。在進(jìn)行時(shí)序分析過(guò)程中，通常先對(duì)單測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，如果能以多點(diǎn)關(guān)聯(lián)變形 分析法來(lái)對(duì)各測(cè)點(diǎn)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，則對(duì)建筑物的監(jiān)測(cè)分析和預(yù)報(bào)將獲得更好效果。

3.2.2 頻譜分析法。對(duì)于變形時(shí)間序列，若具有周期性變化特征，諸如大壩的水平位移就具有一定的周期性特征，則可應(yīng)用Fourier（付立葉）變換把時(shí)域信息向頻域進(jìn)行轉(zhuǎn)化并加以分析，在此基礎(chǔ)上，把各個(gè)諧波頻率的振幅計(jì)算出來(lái)，并把最大振幅所對(duì)應(yīng)的主頻確定出來(lái)，這樣就可完成變形變化周期的確定。若輸出為測(cè)點(diǎn)的變形，輸入為跟測(cè)點(diǎn)有關(guān)的環(huán)境量，通過(guò)估計(jì)頻率響應(yīng)函數(shù)、響應(yīng)譜函數(shù)及其相關(guān)的函數(shù)，就可把輸出與輸入之間的相關(guān)性求得出來(lái)，以此把對(duì)變形產(chǎn)生影響的主要因子找出來(lái)，從而可對(duì)建筑物的變形成因進(jìn)行相應(yīng)的物理解釋?zhuān)诖嘶A(chǔ)上并對(duì)建筑物的變形進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)報(bào)。

3.2.3小波分析法?？茖W(xué)的發(fā)展，促使了自然、社會(huì)等多學(xué)科的相互交叉，從而形成了小波理論這一多學(xué)科交叉結(jié)晶，在當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于各種工程和科研之中；應(yīng)用這種分析方法，可在時(shí)頻域局部信號(hào)中完成有效信息的提取，再運(yùn)用離散小波變換來(lái)進(jìn)行分解和重構(gòu)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)，這樣就把誤差進(jìn)行有效分離，能對(duì)局部變形特征及整體變形趨勢(shì)進(jìn)行更好的反映和體現(xiàn)。相比于付立葉變換，可發(fā)現(xiàn)小波分析法與之較為相似，有關(guān)周期性的變形，應(yīng)用小波變換同樣可進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)；在動(dòng)態(tài)變形分析中，若采用小波分析法，則可把基于小波的多分辨卡爾曼濾波模型成功地構(gòu)造出來(lái)，為土木工程建筑物的變形分析及預(yù)報(bào)提供了良好的條件。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，進(jìn)行土木工程建筑物變形分析和預(yù)報(bào)，這是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程；總結(jié)和歸納變形分析在各種土木工程建筑物所進(jìn)行的大量實(shí)踐及所取得的研究成果，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)土木工程建筑物變形分析與預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行更為深入的研究和總結(jié)，這對(duì)于確保我國(guó)各類(lèi)土木建筑物的安全、促進(jìn)我國(guó)建筑事業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展均具有極其重要的作用。

[1]吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用.[J].河海大學(xué)出版社.2010.05

[2]李廣云.我國(guó)大壩變形監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀與進(jìn)展.[J].測(cè)繪通報(bào).2011.12

[3]吳子安.工程建筑物變形觀測(cè)數(shù)據(jù)處理.[J].測(cè)繪出版社.2009.02