土木工程建筑物变形分析与预报技术研究

娄 真

（河南省省直机关房屋建设开发公司，河南 郑州 450003）

1 引言

随着社会的发展、科技水平的快速提高，也大大加快了各类工程建设的进程，从而带来了各种类型建筑（构）物的层次不穷，诸如大型桥梁、各类水工建筑物及高层建筑物等等，随着这些建筑（构）物的日益增多，有关它们的质量、安全等问题也日益引起公众的关注。实践表明，进行变形监测，这是进行各类工程建筑物及其地质构造稳定性检查的一个极其重要的手段，因为通过变形监测，可把变形体相关变形数据准确获得，并以此来对变形体在时间特性及空间状态方面进行深入研究，从而能够做到科学解释变形成因，并在此基础上进一步对变形状况做出准确预报。基于此，以下结合进行土木工程建筑物变形监测的重要性和必要性，就土木工程建筑物变形分析与预报技术进行着重探讨。

2 关于土木工程建筑物变形监测技术的简要介绍

进行变形监测最为关键的工作就是要把土木工程建筑物变形监测的技术方案合理设计好；变形监测技术经过了十多年的发展过程，现已形成好几种测量方法，以下进行一些简要介绍，具体如下表所示：

①常规地面测量法利用常规仪器、通过角度、边长及高程等的变化来对变形体所出现的各种变形进行相应的测定；这种测量方法在当前应用较广泛，对于变形形式不同、外界条件不同的变形测定均可适用。②特殊测量手段主要包括三种类型：即①准直测量、②应变测量、③倾斜测量；具有较为简单的测量过程，能够进行连续观测及进行自动化观测，在此基础上，能把局部出现变形的信息进行准确提供。③地面摄影测量技术在变形监测中，这种技术手段应用较早，但因其较近的摄影距离，较低的绝对精度，在实时摄影测量和数字摄影测量出现之前，未能得到广泛应用；当前，这种测量手段已在大型工程建筑物的变形监测之中得到广泛应用。④GPS测量方法GPS这种全新空间定位技术，能够极为方便地把三维网监测构建起来，实现了测绘技术从静态向动态转变，并且可以不受诸如站与站之间的通视的限制，因而可把这些工作诸如砍树、建标等省略下来，从而大大提高了工作效率。

3 关于土木工程建筑物变形分析与预报技术的探讨

随着现代科技的快速发展及计算机技术应用水平的日益提高，使得应用各种理论和方法来进行变形分析和变形预报成为可能性；众所周知，因变形体具有极其多样和复杂的变形机理，故在实际研究当中，为能够有效模拟、逼近以及准确揭示出变形体的变形规律和动态特征，必须运用有效模型这种研究手段，这对于灾害的防治及相关工程的设计，都有极其重要的作用。总的看来，处理和分析变形数据、及对各方面变形进行物理解释和预报，这就是变形分析所涉及的主要研究内容；据此，可把变形分为两部分：即变形的几何分析和变形的物理解释。

3.1 变形的物流解释方法

这种方法最为主要的目的就是把变形体的变形及变形的形成原因之间的关系建立起来，并对其中的变形成因进行相应的解释，主要有以下这几种方法：

3.1.1 统计分析法。通过回归模型的建立，对所观测的效应量（变形）及原因量（影响因素）之间的相关性进行分析，来完成荷载-变形之间关系数学模型的建立。具有“后验”性质的统计分析法，在当前变形成因分析法当中应用得比较广泛；因具有不确定性和多样性，这是变形因素所固有的特性，再加上自身有限的观测资料，故对于回归分析建模的准确性带来了极大的影响。对于回归分析模型来说，其具有多种类型，具体如下表所示：

以研究手段来划分①逐步回归分析模型、②多元回归分析模型、③主成分回归分析模型、④岭回归分析模型。以统计模型的发展来划分①模糊聚类分析模型、②时间序列分析模型、③灰关联分析模型，④动态响应分析模型。

3.1.2 确定函数法。这种方法主要采用有限元法，通过一定的假设条件，结合变形体相关的物理性质及力学性质，基于应力与应变之间的关系把荷载与变形之间的函数模型建立起来，再应用所构建的函数模型来对变形体在一定荷载作用下可能发生的变形进行预报。这个具有“先验”性质的函数模型，在相关物料概念方面，具有比统计模型来得更准确的优势，但也因存在着比较大的计算工作量，故对于用来计算的数据具有比较特殊的规定。

3.1.3 混合模型法。基于确定性模型和统计模型这两种模型而发展起来的。若原音量与效应量具有较明确的关系，则进行计算以FEM,Finite,Element,Method（有限元法）为主，若对于这类原音量：①有关它们之间的函数关系，即使应用相应的物理理论进行计算也无法给予确定、②与效应量具有不很确定的关系，则应采用统计模式来进行分析，在此基础上再跟实际值加以拟合而把模型建立起来。例如，我国曾有学者在进行坝体形态分析过程中，应用混合模型分析法进行分析，获得了比较理想的效果。此外，在应用混合模型进行建筑物变形分析和预报过程中，还可应用反分析法；这种反分析是在把系统识别理论进行仿效的基础上，以正分析成果为其证据，来进行相应的理论分析，通过反求来把建筑物及周围材料的参数、相关规律及信息等向建筑物相关设计单位、施工单位进行反馈，以达到对建筑物进行变形监测的目的。

3.2 变形的几何分析方法

3.2.1 时间序列分析。相关研究表明，在变形监测过程中，因来自于某个测点上的一系列观测量正常会构成一个具有离散特点的随机时间序列，故可基于时间序列分析法来把ARMA（p阶自回归q阶滑动平均模型）建立起来。相关实践表明，以趋势函数模型+ARMA或者动态数据系统进行组合来来完成模型构建会获得更好的效果，这二者（即趋势函数模型+ARMA和动态数据系统）将分别达到这两个作用：第一，把非平稳相关序列向平稳相关系列进行转变；第二，有关随机动态系表达式的寻求过程可通过建模来进行处理；由于系统输出的特征及状态均集中在模型参数，故可对变形成因进行解释，在此基础上再对建筑物的变形进行预报。如果考虑到粗差所带来的影响，则可把稳健时间序列分析法加以引入，并完成模型的构建；若时间序列属于比较小的数据量，则进行建模可应用灰色系统理论来操作，以累加生成法来加工原始数据，使其变成生成数列，以达到谁继续减弱、规律性增强的良好效果。在进行时序分析过程中，通常先对单测点进行分析，如果能以多点关联变形 分析法来对各测点之间的相关性进行分析，则对建筑物的监测分析和预报将获得更好效果。

3.2.2 频谱分析法。对于变形时间序列，若具有周期性变化特征，诸如大坝的水平位移就具有一定的周期性特征，则可应用Fourier（付立叶）变换把时域信息向频域进行转化并加以分析，在此基础上，把各个谐波频率的振幅计算出来，并把最大振幅所对应的主频确定出来，这样就可完成变形变化周期的确定。若输出为测点的变形，输入为跟测点有关的环境量，通过估计频率响应函数、响应谱函数及其相关的函数，就可把输出与输入之间的相关性求得出来，以此把对变形产生影响的主要因子找出来，从而可对建筑物的变形成因进行相应的物理解释，在此基础上并对建筑物的变形进行相应的预报。

3.2.3小波分析法。科学的发展，促使了自然、社会等多学科的相互交叉，从而形成了小波理论这一多学科交叉结晶，在当前被广泛应用于各种工程和科研之中；应用这种分析方法，可在时频域局部信号中完成有效信息的提取，再运用离散小波变换来进行分解和重构变形观测数据，这样就把误差进行有效分离，能对局部变形特征及整体变形趋势进行更好的反映和体现。相比于付立叶变换，可发现小波分析法与之较为相似，有关周期性的变形，应用小波变换同样可进行准确探测；在动态变形分析中，若采用小波分析法，则可把基于小波的多分辨卡尔曼滤波模型成功地构造出来，为土木工程建筑物的变形分析及预报提供了良好的条件。

4 结束语

总之，进行土木工程建筑物变形分析和预报，这是一项相当复杂的系统工程；总结和归纳变形分析在各种土木工程建筑物所进行的大量实践及所取得的研究成果，在此基础上，进一步对土木工程建筑物变形分析与预报技术进行更为深入的研究和总结，这对于确保我国各类土木建筑物的安全、促进我国建筑事业的持续稳定发展均具有极其重要的作用。

[1]吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用.[J].河海大学出版社.2010.05

[2]李广云.我国大坝变形监测技术现状与进展.[J].测绘通报.2011.12

[3]吴子安.工程建筑物变形观测数据处理.[J].测绘出版社.2009.02