基于GNSS-RTK技术的超高层结构施工期水平变形实测*

王华平，林忠和，马 俊

(中国建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

0 引言

全球导航卫星系统实时动态监测(global navigation satellite system real-time kinematic，GNSS-RTK)系统，是指利用在轨运行、可提供全球性导航定位服务的卫星导航系统进行实时动态监测的方法。目前全球卫星导航系统包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo和我国北斗BDS[1-4]。我国北斗导航系统相对发展较晚，但其定位精度与其他导航系统基本一致，特别是混合星座、播发多频信号和短报文功能的设计，为多系统组合高精度定位提供了可能[5-7]。

超高层结构在施工期的水平变形会严重影响施工质量，水平变形严重时会影响结构在正常使用状态下的受力特性，进而影响结构安全。因此，针对超高层结构在施工期的水平变形开展研究，有利于提升超高层结构的施工质量，确保结构在施工和使用阶段的安全，具有显著的经济和社会效益。相比传统测量方法，GNSS-RTK技术具有高精度、高采样率、受天气影响小、能获取精确三维坐标及连续监测的优点，因此，已经被广泛应用于超高层变形监测领域[8-10]。

基于多系统组合的GNSS-RTK技术，对某超高层结构施工期水平位移进行实测，分析基于GNSS-RTK技术得到的超高层结构水平变形数据质量。

1 GNSS-RTK系统测定建筑变形原理

GNSS-RTK系统测定高层建筑动态变形利用的是载波相位双差数学模型[11]。测量时，将1台GNSS接收机安装在已知点上，对所有可见卫星进行连续观测，将采集的载波相位观测量调制至基准站电台的载波上，再通过基准站电台发射出去；流动站在对卫星进行观测并采集载波相位观测量的同时，也接收由基准站电台发射的信号，经解调得到基准站载波相位观测量；流动站的GNSS 接收机再利用运动中求解整周模糊度技术[12-13]，由基准站载波相位观测量和流动站载波相位值来求解整周模糊度，当整周模糊度求准后再回代，可将每个位置精确求定。测量过程如图1所示。

图1 相对位移测量过程示意

2 测量方案

2.1 工程概况

某超高层建筑结构高度428m，总占地面积约 7 030m2， 总建筑面积278 000m2，建筑效果如图2所示。

图2 某写字楼效果

塔楼核心筒竖向分3次向北收进，收筒楼层分别为49，72层。核心筒在49层以下为9宫格，49层南侧内收4 050mm变为6宫格，56～61层核心筒南侧为斜墙，内收3 000mm，72层核心筒进一步内收变为3宫格。部分楼层结构平面如图3所示。

图3 部分楼层结构平面

2.2 测量方法

采用GNSS-RTK系统来测量施工期塔楼顶部动态位移，共采用3台GNSS接收机。将2台高采样频率徕卡双频GNSS 接收机安装在施工期的塔楼顶模上作为流动站，在距2台GNSS流动站约300m的1栋5层建筑顶部安装第3台GNSS 接收机作为基准站。

3 实测结果

3.1 位移时程曲线

核心筒施工至约280m高度时，对结构位移进行监测。采样频率为5Hz，监测时长约为28h。通过基准站，将流动站GNSS1 ，GNSS2 原始数据采用软件进行反演解算，再通过Matlab将其转换为对应的坐标系统，最后转换成与主楼主轴一致的位移分量。

取28h中的第1时段进行分析，时长约25min(白天)，得到施工期塔楼顶部2台GNSS接收机的x(南北)和y(东西)方向的位移时程曲线。GNSS1，GNSS2测点得到的结果分别如图4，5所示。由图4，5可知，GNSS1测点时程曲线变化量为：x方向约为±4cm，y方向约为±3.5cm；GNSS2测点时程曲线变化量为：x方向约为±12cm，y方向约为±3cm。监测结果符合静态GNSS精度要求。

图4 GNSS1测点位移时程曲线(第1时段)

图5 GNSS2测点位移时程曲线(第1时段)

GNSS1，GNSS2测点的第2时段位移时程曲线分别如图6，7所示，时长约60min(夜间)。由图6，7可知，GNSS1测点时程曲线变化量为：x方向约为 ±4cm，y方向约为±8cm；GNSS2测点时程曲线的变化量为：x方向约为±10cm，y方向约为±10.5cm。同时，由于数据采集时受周围环境、信号多路径效应、天气等因素影响，GNSS2测点位移出现了较为严重的周跳现象，需通过HHT变换来消除误差。

图6 GNSS1测点位移时程曲线(第2时段)

图7 GNSS2测点位移时程曲线(第2时段)

3.2 数据多路径效应消除

采用经验模态分解方法处理GNSS测点数据，得到消除多路径效应后的位移时程曲线，如图8～11所示。

图8 处理后的GNSS1测点位移时程曲线(第1时段)

图9 处理后的GNSS2测点位移时程曲线(第1时段)

图10 处理后的GNSS1测点位移时程曲线(第2时段)

图11 处理后的GNSS2测点位移时程曲线(第2时段)

由图8，9可知，消除多路径效应后的GNSS1测点第1时段时程曲线变化量为：x方向约为±5.5cm，y方向约为±2cm；消除多路径效应后的GNSS2测点第1时段时程曲线变化量为：x方向约为±3.5cm，y方向约为±3cm。监测结果符合静态GNSS精度要求。

由图10，11可知，消除多路径效应后的GNSS1测点第2时段时程曲线变化量为：x方向约为±3cm，y方向约为±7.5cm。消除多路径效应后的GNSS2测点第2时段时程曲线变化量为：x方向约为±4cm，y方向约为±4.5cm。

3.3 功率谱分析

流动站数据解算后，通过经验模态分解方法得到与施工期塔楼振动信息相关的IMF分量，再进行功率谱分析得到流动站GNSS1，GNSS2的水平位移功率谱。GNSS1，GNSS2接收机的第1时段测点x，y方向功率谱分别如图12，13所示。

图12 GNSS1测点位移功率谱(第1时段)

图13 GNSS2测点位移功率谱(第1时段)

由GNSS1测点水平位移功率谱可知，施工期塔楼2个主轴方向的基频分别为0.273 4， 0.293 0Hz。 由GNSS2测点水平位移功率谱可知，施工期塔楼2个主轴方向的基频分别为0.234 4，0.293 0Hz。2台流动站识别得到的自振频率非常接近，证明了GNSS-RTK测试结果的准确性和有效性。

GNSS1，GNSS2接收机的第2时段测点的x，y方向功率谱分别如图14，15所示。由GNSS1测点水平位移功率谱可知，施工期塔楼2个主轴方向的基频均为0.273 4Hz。由GNSS2测点水平位移功率谱可知，施工期塔楼2个主轴方向的基频分别为0.312 5，0.136 7Hz。

图14 GNSS1测点位移功率谱(第2时段)

图15 GNSS2测点位移功率谱(第2时段)

GNSS1，GNSS2流动站在第2时段识别得到的自振频率相差较大。其原因是GNSS1流动站设置在塔楼西北角，距离塔式起重机和防护栏较远，周边遮挡较少，而GNSS2流动站设置在塔楼东北角，周边有塔式起重机和防护栏，信号遮挡严重，导致数据质量较差，频谱分析时数据偏差较大。

4 结语

1)GNSS1，GNSS2流动站在2个时段内测得的水平位移时程曲线变化量符合静态GNSS精度要求。

2)经验模态分解方法可有效消除周围环境、信号多路径效应、天气等因素造成的测量误差。

3)根据功率谱分析结果，2台GNSS流动站识别得到的自振频率非常接近，验证了GNSS-RTK技术的准确性和有效性。