超高层建筑风载变形监测与误差消减措施

郁 雯 刘 杰 郭卫彤

(河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

随着中国经济的快速发展，人口的迅速增加，大城市人口密集程度直线上升，导致土地资源极度匮乏.想要在不减少人口的情况下改变这一问题，就需要增加空间的利用率，即增加建筑物的高度.随着高层建筑物越来越多，更多超高层也随之出现，世界上前百名超高层建筑物中国就占据了34座之多，其中以上海环球金融中心，台北101大厦，金茂大厦等著名国内超高层建筑为首.如此之多的超高层建筑物的出现，面临的问题也是逐一而至.由于其高度极高的特点，在施工，运营，管理，监测等方面上变得更加复杂，要求也变得更加严格.尤其是在结构风荷载，地震等因素的影响下，变形问题极为突出，所以监测就变得尤为重要.

关于高层建设期与使用期的风荷载所产生的位移对高层建筑物的影响，已经有很多学者进行了相关的数值模拟以及风洞试验研究，其研究结果表明超高层建筑物在顺风向和横风向的风荷载作用下均会产生位移变形以及振动响应.并且横风向产生的位移与振动响应会大于顺风向位移.本文选用GNSS—RTK全能型接收器作为试验监测仪器对天津高银117大厦进行监测，并对监测结果进行误差分析与筛减.在大厦的66层结构处与95层结构处布设监测点，主要对风荷载作用下的位移量与振动响应进行数据采集与分析，最终得出大厦在风荷载的作用下结构本身的位移变形，并对其结果进行误差分析和筛减.

1 卫星介绍与监测方案

目前测量学主要受益于导航定位技术，大地测量学也由此发生了比较大的突破，但是单一卫星提供的服务并不能保证在效率、可行性与精度方面的精确与可靠.所以多卫星共同工作的卫星定位系统就成为了一种新的趋势，GNSS系统(即Global Navigation Satellite System，中文名为：全球卫星导航系统)是全球最大的卫星导航系统，包含美国GPS系统，俄罗斯GLONASS系统，欧盟GALILEO系统以及我国北斗(BDS)系统四种卫星定位运行轨道.

1.1 卫星概况

本文采用GNSS—RTK全能型接收器作为监测仪器，卫星系统一共包含24颗卫星，其中备用卫星3颗，备用卫星正常情况下不参与定位，由21颗正常工作卫星参与相应的工作.

所有卫星在与地球赤道面倾角为55°的轨道上空进行工作.系统中所有卫星的有效工作时间都在6小时以上.随时都能在监测点监测到4到11颗卫星.这就意味着在地球上的任意时间点都可以得到卫星定位系统的监测，以达到实时精确监测的目的.

图1 GNSS—RTK全能型接收器及其液晶显示部分功能

1.2 监测方案

监测对象为天津市西青区天津高银117大厦，顾名思义，大厦共有117层(不包含地下3层)，高度596.5米，当时成为仅次于迪拜哈利法塔的世界结构第二高楼、中国在建结构第一高楼，如图2所示.大厦66层为外框顶层，95层为内筒顶层，所以选择两个顶层作为监测对象，分别在两层的东南角与西北角设置水平位移监测点，命名为661、662与951、952，四个测点布置在各层钢模架平台上，在每个平台上安置一个GNSS—RTK全能型接收器，并在大厦距离1公里的地面上选取基准站，安置一个GNSS—RTK全能型接收器.并设置风速风向采集仪进行风速与风向测试.

图2 天津高银117大厦远景图与基准站布置图

2 监测数据处理与分析

上述GNSS—RTK全能型接收器名为海星达H32接收机，此仪器在大厦66层外框顶层与95层的内筒顶层的4个测点持续进行24h的数据采集.监测日主要风速为6级风，最大风速14.2 m/s，风向为东北风向，风向角约为东偏北10°左右，图3为大厦66层两个监测点的风载变形云图，图4为95层两个监测点的风载变形云图.根据图3、4所绘制的云图进行进一步分析，并获得大厦各监测点的最大半径以及X、Y方向最大半径，并将最终结果统计如下表所示：

表1 大厦各监测点最大半径

(1)661号监测点 (2)662号监测点

(1)951号监测点 (2)952号监测点

结合表1数据与上图可以看出，大厦在66层与95层的风荷载变形值上有很大差别，其中大厦在66层外框结构顶层的的风荷载位移量在48 cm到72 cm之间，而95层内筒结构顶层的风荷载位移量在7.8 cm到30 cm之间，也就是说中间部位变形较大，而顶部位移相对较小，分析造成此种现象的原因，首先大厦两层的测点并不在同一个结构当中，一个处于66层的外框结构，另一个处于95层的内筒结构.而风荷载主要对外部结构产生较大的影响，所以外部结构的顶层位移会较大.而且施工期间的两部分结构并未进行紧密连接，所以内外结构扰动互相并不干扰.因此导致低矮层结构的风荷载位移量更大.

进一步分析各层接收器的监测值情况，在66层的两个接收器收到的数值也会有很大偏差，因为监测时为东北风，在661号的测点值要比在662号的测点值大1倍，并且在661号测点的x方向比y方向大很多，同样的在662号的数值在x方向上的也要比y方向的大很多.因为风向为东北风，所以在95层位置处的测点所绘制的点云图更加明显.并且952测点在x方向的数值也要大于y方向的数值.

根据测试结果与图形显示，大厦在风荷载作用下会产生横风向的振动位移响应.并且在施工期间建议实时监测内外结构的位移值，以免在施工过程中风荷载过大导致内外结构相互碰撞，从而保证施工质量，提高安全保障.

3 监测误差消减措施

误差因为来源的不同也有着不同的分析模式，其中主要的误差有卫星本身的误差，传播过程中产生的误差，接收设备的误差，与人为误差.我们要根据结构的变形特征找到与之相应的，能够确实改善误差大小的一些影响因素.

设备接收器的误差是一种最常见的误差，因为GNSS系统的接收器必须采用高精度的时间环境，也就是接收时钟与卫星时钟之间要保持高精度的统一.一旦两种时间当中出现一个很小的错缝就会导致其坐标轴产生极大的误差.那么改善时间精度，保证接收时钟与卫星时钟的统一就成为了减小误差的关键所在.

本文主要介绍以下几种改善卫星时钟差的措施：1.选取高精度时间仪器，目前最为先进的是原子钟作为接收时钟的仪器，能够最大程度的减小接收器与卫星之间的时间误差.2.对接收器与卫星之间的时钟差进行测点坐标的解算，在此计算过程中，为保证解算结果的准确性，要求卫星的数量要大于测点的数量，计算过程中将接收器与卫星时钟差作为未知量进行解算，并通过实际的数据进行组合利用，通过多次迭代求解，进行误差消减.3.利用不同的卫星群：通过卫星之间的相互关系，利用不同卫星群进行测量，将多组卫星群的数据进行优化与平差，来进行误差的消减.

4 结 论

通过利用GNSS—RTK全能型接收器对天津高银117大厦进行实地监测，根据监测结果得出以下结论：

(1)通过GNSS—RTK全能型接收器对大厦进行监测，可以测得大厦由于风荷载所产生的振动响应，并绘制出平面点位风载变形点云图.

(2)通过点云图可以看出，大厦在66层与95层均存在风载变形.在风载作用下，导致未连接的外框架与内筒结构出现了不同的风载位移云图，并且在66层的风载位移更大.

(3)由于在监测时间内风向并未发生较大的变化，大厦的风载最大位移量为无风时的位置到风载最大时产生位移的位置处，在此状态下才能够得到大厦的绝对变形量.

(4)通过误差的消减措施，能尽量减小误差量，以得到更加精准的卫星定位值.