超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑施工受日照影響的監(jiān)測(cè)與研究

陳榕城

(廈門(mén)市工程檢測(cè)中心有限公司　福建廈門(mén)　361004)

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超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑施工受日照影響的監(jiān)測(cè)與研究

陳榕城

(廈門(mén)市工程檢測(cè)中心有限公司福建廈門(mén)361004)

太陽(yáng)光作用引起的溫差變化對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，尤其是超高層結(jié)構(gòu)建筑的施工有著重要影響。文章以廈門(mén)帝景苑項(xiàng)目為例，采用GPS靜態(tài)測(cè)量和全站儀對(duì)超高層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)；并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，研究太陽(yáng)光對(duì)超高層鋼結(jié)構(gòu)施工的影響。

日照變形；GPS靜態(tài)測(cè)量；全站儀坐標(biāo)法

0　引言

近年來(lái)，建筑行業(yè)紛紛采用增加樓層的辦法緩解建筑用地的資金緊張問(wèn)題，尤其在大中城市，高層建筑日益增多。且隨著科技的迅猛發(fā)展，新興建筑材料的投入使用，建筑行業(yè)正在顛覆人們對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，超高層鋼結(jié)構(gòu)也得到了更廣泛的應(yīng)用。隨著施工樓層的升高、控制網(wǎng)傳遞次數(shù)的增加，測(cè)量過(guò)程中各種難以消除的誤差，包括了人為元素、儀器本身性能與精度條件、環(huán)境等影響[1-2]。其中太陽(yáng)光照射引起結(jié)構(gòu)正反面的溫度差導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的彎曲變形也是重要的干擾因素[3-5]。本文利用GPS靜態(tài)測(cè)量和全站儀坐標(biāo)法進(jìn)行觀測(cè)分析，以便及時(shí)掌握和控制日照變形對(duì)本工程鋼結(jié)構(gòu)安裝的垂直度、標(biāo)高、定位軸線等測(cè)量精度影響。

1　工程概況

廈門(mén)帝景苑項(xiàng)目地塊位于廈門(mén)筼筜湖與大海連接的西堤?hào)|南，規(guī)劃建造5幢62層超高層住宅樓，本項(xiàng)目以1#樓為研究實(shí)例。1#樓為矩形鋼管混凝土柱框架-鋼板混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，樓蓋采用型鋼梁和鋼筋混凝土現(xiàn)澆板組合樓板。地下結(jié)構(gòu)4層，地上結(jié)構(gòu)62層加一層屋頂層，主體結(jié)構(gòu)標(biāo)高范圍-21.060m～ 245.690m，加頂層構(gòu)造層建筑最高位置標(biāo)高251.100m。框架巨型鋼柱均為箱型截面，剪力墻內(nèi)部設(shè)勁性鋼柱和抗剪鋼板，鋼柱截面最大尺寸為口2 500×2 500×80×80，鋼梁主要為熱軋H型鋼和焊接H型鋼，其最大規(guī)格尺寸為H2 000×1 000×40×60。1#樓整體三維示意圖詳見(jiàn)圖1。

2　日照變形測(cè)量方案

根據(jù)本項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、所處的周邊環(huán)境條件及設(shè)計(jì)要求，提出日照變形測(cè)量方案，采用GPS靜態(tài)測(cè)量和全站儀坐標(biāo)法對(duì)比觀測(cè)晴天和陰天時(shí)太陽(yáng)光對(duì)超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑在施工中的影響，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，分析鋼構(gòu)件安裝施工過(guò)程中受日照溫差影響造成的變形情況。

2.1測(cè)量?jī)?nèi)容

GPS靜態(tài)測(cè)量測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

(1)GPS靜態(tài)測(cè)量

采用5臺(tái)trimble R4 GPS接受機(jī)以靜態(tài)測(cè)量模式同步觀測(cè)，其中3臺(tái)架設(shè)于地面控制點(diǎn)G1、G2、G3上，另兩臺(tái)設(shè)在目標(biāo)層(高150m)鋼柱頂部控制點(diǎn)上，共測(cè)量R1、R2兩點(diǎn)，每點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間為有太陽(yáng)光的白天，采樣間隔為15s，衛(wèi)星高度角限值為15°，頂部點(diǎn)無(wú)遮蔽物，多路徑效應(yīng)不明顯。天氣晴朗，風(fēng)很小，數(shù)據(jù)采集情況正常。

(2)全站儀坐標(biāo)法

在GPS靜態(tài)測(cè)量測(cè)點(diǎn)R1、R2相同的鋼柱東側(cè)固定棱鏡，在目標(biāo)層(高150m)鋼柱東側(cè)200m外的控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀，以相對(duì)坐標(biāo)法同步觀測(cè)R1、R2兩點(diǎn)的變形情況。

2.2數(shù)據(jù)處理

2.2.1日照變形的主要影響因素

(1)人為因素

因本文主要研究GPS靜態(tài)測(cè)量，GPS靜態(tài)測(cè)量時(shí)人為影響因素基本不作考慮，全站儀測(cè)量采用固定人員多次觀測(cè)取均值降低人為因素的影響。

(2)儀器因素

GPS進(jìn)行測(cè)量的基本原理概括為利用GPS技術(shù)，通過(guò)衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，經(jīng)由地面接收機(jī)采集后計(jì)算分析得到接收機(jī)的精確位置。參照GPS定位原理，2D維度需要三顆衛(wèi)星，而三維坐標(biāo)則需要4顆衛(wèi)星才能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)傳輸信號(hào)的不斷更新，接收機(jī)解即可得到移動(dòng)速度以及位置信息。且GPS靜態(tài)測(cè)量精度的主要影響因素是發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)度以及衛(wèi)星的位置分布，滿足本次測(cè)量的精度要求。因本次測(cè)量采用的是徠卡TM50全站儀，測(cè)角精度：Hz.V 0.5″(0.15mgon)，最小顯示：0.1″(0.01mgon)，測(cè)距精度：0.6mm+1ppm。可進(jìn)行水平、垂直角度以及水平、垂直距離的測(cè)量，能承受風(fēng)雨以及惡劣環(huán)境，可與TPS和GNSS操作平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展，使用靈活，反應(yīng)靈敏度高，滿足本次測(cè)量的精度要求[6]。

(3)環(huán)境因素

由于太陽(yáng)照射強(qiáng)度隨著建筑物所在地理位置、訪問(wèn)、朝向以及所處地區(qū)氣候變化而改變，并且在建筑物的內(nèi)外表面之間，還不斷以輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)等方式與周?chē)諝饨橘|(zhì)進(jìn)行熱交換，因此建筑物在日照作用下溫度計(jì)算十分復(fù)雜，且建筑物自身震動(dòng)及風(fēng)力等因素的影響，測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇風(fēng)力較小，且暫停塔吊施工等辦法，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)本文主要研究取為結(jié)構(gòu)向陽(yáng)面和背陽(yáng)面的溫差影響[5]。

2.2.2測(cè)量數(shù)據(jù)處理與分析

隨著施工樓層的升高、控制網(wǎng)傳遞次數(shù)的增加,測(cè)量過(guò)程中日照變形偏差因素產(chǎn)生的累積誤差對(duì)測(cè)量精度的影響逐漸變大。為了及時(shí)掌握和控制上述偏差對(duì)本工程鋼結(jié)構(gòu)安裝的垂直度、定位軸線等測(cè)量精度影響，在白天(9:00～18:00)整周期采用GPS靜態(tài)測(cè)量和全站儀坐標(biāo)法進(jìn)行觀測(cè)分析。

(1)GPS靜態(tài)測(cè)量

GPS靜態(tài)測(cè)量測(cè)得數(shù)據(jù)如表1(晴天)所示。

表1　晴天GPS靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)　m

GPS靜態(tài)測(cè)量測(cè)得數(shù)據(jù)如表2(陰天)所示。

表2　陰天GPS靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)　m

GPS靜態(tài)測(cè)量測(cè)得數(shù)據(jù)以9:00為基點(diǎn)各時(shí)段的變形情況如表3(晴天)所示。

表3　晴天GPS靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)(以9:00為基點(diǎn))　m

GPS靜態(tài)測(cè)量測(cè)得數(shù)據(jù)以9:00為基點(diǎn)各時(shí)段的變形情況如表4(陰天)所示。

表4　陰天GPS靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)(以9:00為基點(diǎn))　m

GPS靜態(tài)測(cè)量測(cè)得數(shù)據(jù)以9:00為基點(diǎn)各時(shí)段的變形情況如圖3～圖6所示。

(2)全站儀坐標(biāo)法

全站儀坐標(biāo)法測(cè)得數(shù)據(jù)以9:00為基點(diǎn)各時(shí)段的變形情況如表5所示。

表5　全站儀坐標(biāo)法測(cè)量數(shù)據(jù)(以9:00為基點(diǎn))　m

全站儀坐標(biāo)法測(cè)得數(shù)據(jù)以9:00為基點(diǎn)各時(shí)段的變形情況如圖7～圖8所示。

2.3變形分析

分析表明，陰天測(cè)得數(shù)據(jù)偏差均在(-3mm～3mm)之間，偏差原因主要是系統(tǒng)誤差及塔吊施工等因素，GPS和全站儀兩種測(cè)量方法平面坐標(biāo)吻合較好，最大偏差為4mm，偏差數(shù)據(jù)還存在系統(tǒng)性，所以晴天測(cè)得的數(shù)據(jù)是好的，可以用的。

通過(guò)白天(9:00～18:00)整周期的觀測(cè)，由于太陽(yáng)光照射在鋼柱的一側(cè)，鋼柱將會(huì)向背光的一側(cè)發(fā)生附加的傾斜位移。尤其是廈門(mén)的10:00～11:00和15:00～16:00時(shí)，柱的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生較大溫差從而產(chǎn)生傾斜位移。

3　日照變形校正方案

為了控制日照變形造成的誤差，在施工的同時(shí)采取同步校正的方案。即在結(jié)構(gòu)安裝的同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得到日照溫差可能造成的變形值，對(duì)比設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)反向求差值后施工，進(jìn)行校正。這時(shí)鋼結(jié)構(gòu)安裝測(cè)量可考慮對(duì)鋼柱進(jìn)行預(yù)偏，預(yù)偏方向與太陽(yáng)光照方向相反。示意圖如圖9。

綜合考慮日照溫差隨時(shí)間的不確定性及鋼柱垂直度允許偏差，在實(shí)際的測(cè)量作業(yè)過(guò)程中，取1/2⊿(⊿為鋼柱頂受日照溫差影響產(chǎn)生的位移值)為常數(shù)進(jìn)行預(yù)偏，即在此情況下，向日照反方向預(yù)偏1/2⊿[4]。

并且，根據(jù)初步施工經(jīng)驗(yàn)重復(fù)得到一天內(nèi)不同時(shí)段的大致預(yù)偏值：早上9點(diǎn)以前和下午4點(diǎn)以后預(yù)偏值較小，10:00～16:00 預(yù)偏值較大。盡可能選擇早晨和傍晚(早晨9點(diǎn)鐘之前、以及下午4點(diǎn)鐘之后)陽(yáng)光較弱時(shí)間，以及塔吊停運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)行測(cè)量平面控制網(wǎng)設(shè)置和垂直向上傳遞以及對(duì)重要鋼構(gòu)件平面位置、標(biāo)高及垂直度進(jìn)行最終測(cè)量校正。陽(yáng)光直射對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的施工、測(cè)量影響最大，應(yīng)盡量避免，選擇項(xiàng)目所在地的環(huán)境溫差較小時(shí)進(jìn)行施工作業(yè)，并采取同步校正安裝方法，可以減輕日照溫差的影響，提高施工質(zhì)量。通過(guò)同步校正安裝方法，有效控制了日照偏差，滿足了施工精度要求[7]。

4　結(jié)論

日照引起的溫差對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)施工有著重要影響，不得忽視。本文以廈門(mén)帝景苑項(xiàng)目為例，采用GPS靜態(tài)測(cè)量和全站儀坐標(biāo)法對(duì)超高層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到以下結(jié)論：

(1)太陽(yáng)光照射鋼柱一側(cè)，鋼柱將向背光的一側(cè)發(fā)生傾斜位移， 10:00～11:00和15:00～16:00發(fā)生傾斜位移最大。

(2)針對(duì)日照溫差的影響規(guī)律，為鋼結(jié)構(gòu)提出可行性方案：陽(yáng)光直射對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的施工、測(cè)量影響最大，應(yīng)盡量避免，選擇項(xiàng)目所在地的環(huán)境溫差較小時(shí)進(jìn)行施工作業(yè)，并采取同步校正安裝方法，以減輕日照溫差的影響，提高施工質(zhì)量。

[1]龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2006.

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Influence of solar light on the construction of super high rise steel structure by GPS and total station

CHENRongcheng

(Xiamen Engineering Test Center Co., LTD，Xiamen 361004)

The change of temperature difference caused by solar light has important influence on steel structure, especially in the construction of super high -rise building. This paper takes Xiamen Dijingyuan project as an example, both the GPS static measurement and the total station are used to conduct solar radiation deformation monitioring; And through the processing of data analysis, to study the effect of sunlight of high-rise steel structure construction.

Solar radiation deformation； GPS static measurement；Total station coordinate method

陳榕城(1983.02-)，男，工程師。

E-mail: 106990002@qq.com

2016-05-10

TU3

A

1004-6135(2016)07-0105-04