北京奥林匹克塔监测技术研究

薛天纵 任小强 刘国刚 范立岗 赵 曼

(建设综合勘察研究设计院有限公司, 北京 100007)

0 引言

北京奥林匹克塔是世界第22高、国内第6高的观光塔,建筑高度为246.8 m,5个塔冠的圆形观景平台象征奥运五环,是北京标志性建筑之一。2016年6月12日,被正式命名为“北京奥林匹克塔”,并悬挂起永久性奥运五环标志。目前,超高建筑越来越多,对其变形监测的研究也更加深入。例如,王卫平等探讨了高层建筑物的沉降监测[1],葛绍良介绍了全球导航定位系统(Global Positioning System,GPS)技术在竣工后高层建筑变形监测的重要作用[2],莫南明等结合中央电视台新址主楼工程,介绍了平面和高程变形监测的理论和方法[3],郑阔优化技术方法,提高了GNSS(Global Navigation Satellite System)监测大型构筑物的成果精度[4]。而地基干涉测量合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)广泛应用于大坝监测[5]、滑坡监测[6-8]等领域。

本文主要介绍北京奥林匹克塔施工期水平位移监测和运营期健康监测。在施工期主要在12、96、168 m等3个高度位置分别设置12个监测点,监测水平位移；在建筑物运营后,建设综合勘察研究设计院与北京建筑大学合作,采用高精度北斗与GPS联合解算技术和地基InSAR技术同时进行数据采集与处理,对建筑物的变形进行更加深入的研究,为以后的建筑物运营期的健康监测打下了良好的基础。

1 概况

1.1 地理概况

北京奥林匹克塔位于奥林匹克公园内,东侧为奥林匹克公园人工河,西侧临近地铁8号线,南侧紧邻科荟南路,辛店村路南侧,主体建筑紧邻中轴线景观大道,建筑占地面积约为6 500 m2左右,地上建筑面积为4 946.50 m2,地下建筑面积为13 030.00 m2,合计17 973.50 m2,300 m范围内无明显建筑物,地势平缓。地理位置如图1所示。

图1 北京奥林匹克塔地理位置示意图

1.2 北京奥林匹克塔概况

北京奥林匹克塔(图2)由相互连接的5个独立塔体组成。1号塔为主塔,位于中间,2～5号塔为副塔,围绕主塔周边,副塔与主塔的形心间距为15.10～19.17 m。由于5个塔的塔身都非常纤细,1号塔轴线直径为14.00 m,2号塔、3号塔均为7.30 m,4号塔和5号塔直径仅为6.00 m,单塔的最大高宽比达33。此外,塔冠直径达26.40～51.20 m,观景厅的外挑长度大。

图2 北京奥林匹克塔

在结构方案中,通过沿建筑高度方向设置4道连接桁架的方式,将5个独立的单塔连为一体,构成称之为“组合塔式结构”的新体系。连接桁架可以兼作各塔之间的通道,满足人员行走的需求。主塔由外筒与内筒组成,外筒由16根圆柱、外环梁及柱间支撑组成,内筒共有8根圆柱构成。副塔塔身均由6根圆柱、环梁及柱间支撑构成。180 m标高以下采用钢管混凝土柱,混凝土强度等级C80～C50。180 m标高以上采用纯钢管柱。外环梁采用H型钢,柱间支撑采用焊接箱形截面。在梁柱节点处,通过对H型钢梁的翼缘进行加强;在交叉支撑的节点,采用在节点域设置内环外环加劲肋的方式。

1.3 柔性高耸钢结构体变形特点

柔性高耸钢结构体在工程施工和运行的不同时期,存在受多种因素(基础设置、施工、风振、日照受热不均匀、具有巨大质量的超高特殊结构体本身的内在牵引力等)的影响形成不规则弯曲变形,这是整个建筑体综合变形量的主要原因,而且从其随时间的形态变化上来看,其变化规律性不强,每个时刻的监测数据均具有独立性,这是与其他常规结构建筑物变形监测的最大不同。

2 施工期水平位移监测

2.1 监测控制网及监测点

北京奥林匹克公塔由五个塔体相互连接而成,单塔最大高宽比达33。通过沿高度方向设置多道连接桁架,将5个单塔连接为整体,形成组合塔式结构体系,使结构的侧向刚度与抗倾覆能力大大提高。在施工过程中各单塔之间设置水平桁架和预应力斜杆临时支撑体系,对结构抵消不均匀竖向变形和差异沉降起到了一定的作用。但该种结构模式大大提升了监测的难度,对控制点和监测点的测设提出了很高的要求。

为确保监测数据的一致性,主控网选择了GPS控制网进行布置,由4组平面控制网点组成,每3个为一组,相互通视,分别位于建筑物东、南、西、北四个方向。监测控制网点均采用了冗余布置,如果被破坏,使其具备等精度恢复条件,以确保监测工作的连续性。每组控制点点间的夹角、边长采用全站仪多测回平均值,并定期进行检测。通过对基准点的复测和检核发现:基准点在观测时段内稳定,数据真实可靠,可以作为基准点进行测量。

监测点分别布设于建筑物塔身不同高度,分别为:12、96、168 m等3个高度位置,每层12个监测点,为避免相互遮挡,监测点布置前做了位置优化。

2.2 监测方法的选择

建筑物具有多塔且相互遮挡的结构特点,并受场地和周边建筑限制,前方交会、后方交会均无法实施,因此采用了多测回极坐标法进行,利用测量机器人快速、准确的多次测量,取得坐标数据。

2.3 变形限差的设定

建筑物为柔性钢结构体,对其变形的限差设定尚未有明确的规定,设计单位提供顶部位移允许值为1/400(变形量/高度),不同高度监测点的允许值参照顶部允许值计算,并按照相关规范细则要求,将变形允许值的70%设定为警戒值。

2.4 监测数据归纳及分析

通过对塔身12、96、168 m等3个高度位置的监测点周期性的监测,可以对建筑物的变形数据进行统计、分析,以探明建筑物的变形规律。通过监测,建筑物的基础结构和塔身结构设计对稳定塔体起到了很好的作用,监测点的变形量远低于变形允许值。

2.4.112m处水平位移分析

12 m位置对于整个塔结构而言,可视为刚性结构体,其位移可归结为场地的表层平移和塔本身的位移两个方面。

依据施工期间的监测数据,最大位移速率为0.4 mm/d,大部分时间的位移速率处于0.1～0.2 mm/d,说明在施工期间塔身12 m处相对于建筑物主体保持相对稳定,变化量较小。从各点变化曲线来看,每塔各点表现出相似变化规律,也可以证明12 m处结构体处于刚性变形状态；在建筑物封顶阶段,水平位移依然与施工期内变形相似,最大位移速率为0.3 mm/d,大部分时间的位移速率处于0.1～0.2 mm/d,说明在建筑物结构荷载完成后,12 m处相对稳定,变化量较小。

2.4.296m处水平位移分析

由于96 m位置已不处于刚性区域,监测点受施工及天气影响较为明显,单次单点位移值最大为30.5 mm,形变量在控制范围内,与警戒值相比为微小值。其主要原因是建筑物处于高密度施工期,施工机械及人员对建筑物影响较大。

从累计位移值上看,最大累计位移值为50.3 mm,最小累计位移值为2.2 mm。从位移的变化方向上看,也可以看出变化的不规律性。

2.4.3168m处水平位移分析

168 m位置亦处于柔性结构,监测点受施工及天气影响明显,其表现的位移情况与96 m处不同,显示出更显著的不规律性。

塔冠安装前,169 m处位移显示正常变化规律,单次最大位移量为28.6 mm,形变量在控制范围内,未超出警戒值；在各塔塔冠安装至完成初期,169 m处位移较为明显,明显受荷载增加影响。单次位移量最大为46.6 mm,说明该处受荷载影响较大,但未超出警戒值。通过对建筑物施工阶段的连续监测,建筑物处于相对稳定状态。受施工荷载增加和天气状况的影响,表现出相应变形规律,局部变形较大,属于正常范畴,与建筑物变形警戒值和预警值相比,均为正常变化。

2.5 建筑物封顶后的变形监测

北京奥林匹克塔监测工程进入外装修基本完工阶段,原有建筑物位移监测点被遮挡,所以在塔冠顶部布设永久性GPS观测点,采用GNSS观测方法分时段对其进行观测。

分析获取的监测数据,各项监测数值基本平稳,所有监测数据均无异常变化,在后期的施工过程中塔身的变形较结构施工阶段会有所放缓,但塔身受自然条件影响会产生一定规律的周期变化。

3 运营期健康监测

建筑投入运营后,调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)正式运行,建筑物内部高速电梯也进入运营状态,这也成为建筑物内部主要形变影响源。结合外部自然因素,对其监测应捕捉其动态形变。基于此,对建筑物的实时监测采用的方法就成为关键所在。

对于高耸柔性结构体,通过连续监测,选择高精度的GNSS仪器作为监测仪器。提高数据采集精度和解算精度才可以真实有效地对建筑物变形进行评价。在其基础上,辅助地基InSAR监测技术,用以相互验证,确保其结果的真实性和可靠性。

3.1 监测方法

为深入研究建筑物运营阶段的变形状况,在使用常规方法的基础上,运用了地基InSAR测量和采用先进的高精度GNSS接收机,利用高精度北斗和GPS联合解算技术,对建筑物在特殊自然环境下的变形状态进行研究。

地基InSAR技术是一种地面位移的遥感测量方法,可以在野外测量时提供地面变形场,无需在地面确定目标的位置,也无须任何与斜坡的实际接触,这一技术是基于合成孔径雷达和干涉测量技术。

Trimble Alloy高精度GNSS接收机,利用高精度北斗和GPS联合解算技术,设计短基线观测,分析北京奥林匹克塔在多种载荷作用下的动态运动。

3.2 数据采集

(1)GNSS数据采集

在建筑物1#塔上的东南西北4个方向建立了四个监测点,在距1#塔约1 km的东南角和西南角的楼顶上建立GPS基站。

开机设定参数后,数据采集自动进行,每套装置均采用电瓶供电模式,确保采集期间的供电。连续工作时长为50 h以上。数据获取为每5 s采集记录一次,每次获取合格数据5万余个。

(2)地基InSAR数据采集

采用意大利地基INSAR动态测量系统,分别从南面、西面、北面三个位置进行动态监测。

3.3 GNSS数据处理与分析3.3.1 数据质量分析

首先通过预处理对数据进行质量分析。通过分析GNSS观测数据的卫星可见性、多路径效应、信噪比、精度因子(Dilution of Precision, DOP)值等,来剔除相应的观测时段或卫星,为后续的数据处理提供可靠的质量保证。

3.3.2GNSS解算

(1)解算天空图

根据天空图的残差波动,高残差的部分很少,说明受到的多路径效应比较弱,采用扼流圈天线,有效减弱多路径效应。

(2)相位残差图

如图3所示,计算时设置了截止高度角为10°,整体趋势线2号线随着截至高度角的增加在1号线的上下波动,说明整体的解算结果良好；在70°之后出现偏离比较严重的情况,应该是错误引用天线相位模型,或者是有电磁干扰信号。

图3 相位残差图

3.3.3高精度位置动态变化

高精度数据处理采用GAMIT/GLOBK高精度解算软件,采用双差定位模式,以位于楼顶的测站作为基站,在2018和2019年分别观测位于塔顶的西角和东角两个测站的位置的动态变化。在数据处理时,将北斗和GPS数据联合,分析结果显示,北斗和GPS观测数据的质量一致,因此对两种观测数据采用相等的权重。记录的数据采样率为1 Hz,为了提高解算精度,每5 min计算一组平均的定位结果, 2018和2019年观测数据解算精度见表1。

表1 2018和2019年观测数据解算精度 单位:mm

以西角观测为例,2018和2019年观测获取的站点运动时间序列如图4～5所示。

注：2018年5月4日8:00～5月5日8:00

利用高精度北斗和GPS联合解算技术,设计短基线观测,对观光塔在多种载荷作用下的动态运动做分析。每5 min计算一组定位结果,得到的解算精度选择99.7%的置信区间,东西向和南北向两个分量的精度都在5 mm以内,而从完整一天的时间序列可以看出,不存在明显的周期性或者趋势项的运动。

注：2019年5月31日8:00～6月1日8:00

3.4 地基InSAR数据处理与分析3.4.1 数据处理结果

本文主要采用了基于InSAR技术的优化处理方法[9],得到南面、西面、北面三个位置数据采集处理结果。以南面数据为例,数据处理结果如图6所示。

图6 InSAR数据采集结果

3.4.2数据分析

以下采用时变分析理论分析南侧地基InSAR一段观测数据,采用标准时频变换理论分析其振动规律。标准时频变换理论[10]由中国科学院柳林涛研究员2009年提出,在大地测量数据处理中取得了初步应用。这里基于该理论分析塔体振动规律。

取南侧位移曲线图部分数据进行局部放大,发现奥运塔摆动规律更为明显,如图7所示。

图7 南侧位移曲线部分数据局部放大图

采用时频分析可得其动态位移时频图。初步采用时频分析理论表明奥运塔南侧观测点摆动规律,摆动周期由几种摆动周期合成,包括3.5,5,169 s等三种频率组合而成,塔的变动规律受自身自振频率以及周围环境的影响。

3.5 监测结果对比分析

采用先进的高精度GNSS接收机,利用高精度北斗和GPS联合解算技术,设计短基线观测,对观光塔在多种载荷作用下的动态运动做分析。每5 min计算一组定位结果,得到的解算精度在99.7%的置信水平下为5 mm,表明在这段时间内观光塔的摆动幅度小于5 mm。

采用地基InSAR监测技术,能够监测到监测点的微小动态变化,并尝试采用时频分析理论分析建筑物的动态变换参数。短期的观测结果表明,观测期间塔的南北方向监测点的变化幅度在6 mm左右。

地基INSAR在塔的不同位置,监测的结果略有差异,主要是摆动的幅度大小不一致,这与实际的情况符合,监测点位置不同,摆动的幅度大小不一样。但是从观测结果总体来看,监测结果反映出来的动态变化结果说明建筑处于安全状态。

从两者的观测结果来看,动态的趋势变化基本一致,但是地基INSAR更能够监测到监测点的微小变化。

4 结束语

针对北京奥林匹克塔监测内容多、监测周期长、监测频率高、精度要求高、时效性要求高的特点,本文立足常规手段,结合先进的技术和方法,主要从施工期水平位移监测和运营期健康监测介绍了监测工作,并且得到了准确可靠的成果。

通过数据处理和分析可知:在施工期,建筑物变形相对稳定,变化量较小；在运营期,采用高精度北斗与GPS联合解算技术和地基InSAR技术,两者得到的结果均能说明建筑物处于安全状态,而且观测到的动态趋势一致,但地基InSAR更能够监测到更微小变化。该项目技术研究有助于类似监测工程的顺利实施,其意义在于以下方面:

(1)解决了新老方法充分结合,全面了解建筑物在各阶段的变形态势,监测数据互相佐证,揭示建筑物变形特点；

(2)新技术、新方法的研究实用,为监测工作提供了新的方法和思路；

(3)为类似工程提供了积极的借鉴意义。