基于GNSS-RTK的在建超高层风载动态变形监测

熊春宝，何浩博，牛彦波，叶作安

(1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072； 2.天津市陆海测绘有限公司，天津 300191)

基于GNSS-RTK的在建超高层风载动态变形监测

熊春宝1，何浩博1，牛彦波1，叶作安2

(1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072； 2.天津市陆海测绘有限公司，天津 300191)

首先以海星达H32全能型GNSS-RTK接收机为试验仪器，进行不同星系组合的RTK定位精度试验研究。然后以在建的天津高银117大厦为监测对象，采用GPS+GLONASS+BDS三星系组合对其进行现场强风作用下的RTK动态变形监测。利用巴特沃斯滤波对实测数据进行去噪处理，得到各测点的位移曲线。分析结果表明：GPS单星系定位的平面坐标精度相对较差，双星系组合定位的平面坐标精度与三星系组合定位的平面坐标精度基本相当，但 GPS+GLONASS+BDS三星系组合定位的稳定性和可靠性最强；由于施工阶段大厦结构的刚度和整体性与竣工后存在差异，故在强风作用下其按一定施工步距滞后的低矮外框的振动位移幅度大于其高耸内筒结构的振动位移幅度；大厦外框和内筒均存在横风向振动位移，且横风向振动位移与顺风向振动位移的大小相近；监测环境对监测结果有着一定的影响， 66层各点的监测值误差要大于95层各点的监测值误差。

GNSS-RTK；在建超高层；风载振动；变形监测

超高层建筑相对其它低层建筑，结构通常是柔性的且具有低阻尼特性，风荷载是影响超高层建筑变形和稳定的重要因素。在上世纪60年代，Davenport教授建立了基于振动理论的高层建筑风振响应理论，开启了人们对高层建筑与风荷载的研究[1-2]。

随着GPS技术的不断成熟和发展，GPS技术广泛应用于工程的变形监测和施工安全监测中[3-6]。近年来，GPS技术也开始用于高层建筑风载动态变形监测中，监测高层建筑结构在强风下的振动位移特性[7-11]。然而，以往监测对象大部分为已经建成的超高层建筑，对正处于建造期的超高层建筑(非完整结构)进行风载动态变形监测研究的还比较少。处于建造期的超高层结构，其刚度和整体性与竣工后结构的刚度和整体性有较大差异，其风振特性有待深入研究。

本文以在建的天津高银117大厦为监测对象，利用GNSS-RTK技术，在其正在施工的外框66层和内筒95层分别布置监测点，进行强风下的动态变形监测试验，利用巴特沃斯滤波器对监测数据进行滤波处理[12-13]，得到各测点的位移曲线，通过比对分析各测点的位移曲线，揭示施工过程中大厦外框和内筒的一些动态变形特性。

1 GNSS-RTK星系组合定位试验

1.1 试验方案

本试验采用中海达公司制造的海星达H32接收机，其RTK的定位精度，平面：±(10+1×10-6D) mm，高程：±(20+1×10-6D) mm。此仪器可同时或选择性接收GPS、GLONASS、BDS三个星系系统的卫星信号。

为了验证该型号仪器的性能指标，将8台该型号仪器同时架设在一个视野开阔的空场地(如图1所示)，其中一台作为基准站，其它7台作为流动站。在做星系组合定位试验时，由于海星达H32接收机不能关掉GPS信号，故星系组合试验方案：①采用一星系(GPS)连续采集30 min(只接收GPS信号)；②采用二星系(同时接收GPS和GLONASS信号)连续采集30 min(下面简称为G+G)；③采用二星系(同时接收GPS和BDS信号)连续采集30 min(下面简称为G+B)；④采用三星系(同时接收GPS、GLONASS和BDS信号)连续采集30 min(下面简称为G+G+B)。各流动站RTK的数据采样频率均设为1 Hz，最后选择一台具有普遍代表性的流动站的数据进行分析。

图1 GNSS-RTK星系组合试验现场

1.2 试验结果及数据分析

1.2.1 星系组合试验的实测参数统计

GNSS-RTK星系组合30 min采集定位数据试验时的中误差、PDOP值和卫星数的统计值(从最小值到最大值的变化范围)列于表1中。

表1 星系组合的实测参数统计值

从表1可以看出，从一星系到二星系再到三星系，星系组合的卫星数随着星系数的增多明显增多，PDOP值也随之减小，高程中误差mH也有所减小，但对于平面坐标中误差(mX和mY)：GPS单星系定位的平面坐标中误差相对较大，即定位精度最低，而双星系组合定位(G+G和G+B)的平面坐标精度与三星系组合定位(G+G+B)的平面坐标精度都基本相当。

1.2.2 星系组合定位的实时坐标误差

本次星系组合定位的试验中，基准站和各流动站都是静止、固定不动的，即各流动站上的接收机所测坐标值应为不变的固定值，如果有变化，则变化值即为坐标的随机(偶然)实时误差。图2～图5分别列出了各星系组合定位的实时坐标误差。

图2 一星系(GPS)定位的实时坐标误差

图3 二星系(G+G)组合定位的实时坐标误差

图4 二星系(G+B)组合定位的实时坐标误差

图5 三星系(G+G+B)组合定位的实时坐标误差

从图2～图5可以看出：

1)与实时平面坐标(X,Y)的误差相比，各星系组合的实时高程H误差(图2～图5中的Z向振动曲线)最不稳定，其波动范围(振幅)也最大，但是三星系(G+G+B)组合的实时高程误差比一星系或二星系组合的实时高程误差相对要稳定，其波动范围(振幅)小；

2)对于各星系组合的实时平面坐标(X,Y)的误差，Y坐标的实时误差(图2～图5中的Y向振动曲线)比X坐标的实时误差(图2～图5中的X向振动曲线)稳定，其波动范围(振幅)小；

3)总体来看，三星系(G+G+B)组合的实时坐标误差(图5)比其它星系组合的实时坐标误差(图2～图4)都小，且稳定。

2 在建超高层风载动态变形监测

2.1 工程概况

监测对象是在建的天津高银117大厦，其地上117层，地下3层，建筑高度597 m，其结构形式为巨型框架支撑-钢筋混凝土核心筒。塔楼首层建筑平面尺寸约65 m×65 m(幕墙边)，以0.88°渐变至顶层时平面尺寸约45 m×45 m。中央混凝土核心筒平面尺寸约37 m×37 m，主要用作高速电梯、设备用房和服务用房。主塔楼核心筒内采用内含钢板(钢骨)的型钢混凝土剪力墙结构。巨型柱位于建筑物平面四角并贯通至结构顶部，其平面轮廓结合建筑及结构构造连接要求，呈六边菱形，底部截面约为45 m2，地震设防烈度为七度。大厦建成后将成为天津乃至我国北方的标志性建筑(如图6所示)。

图6 在建的天津高银117大厦

2.2 测点布设

如图7所示，距大厦约500 m的附近地面上设置基准控制点，在大厦外筒顶层(已施工至66层，本层建筑标高为333.08 m)的四角(西北、东北、东南和西南)各布设一个监测点，编号分别为1，2，3，4；在大厦核心内筒顶层(现阶段已施工至95层，其混凝土浇筑标高为478 m)的楼顶模架(钢平台)的四角(西北、东北、东南和西南)各布设一个监测点，编号分别为5，6，7，8。期间的风速风向监测采用EL15-1型风速传感器及EL15-2型风向传感器。

图7 地面基准站、大厦监测点及风速风向仪布设

2.3 监测数据误差分析

本次监测是采用海星达H32接收机的三星系组合(G+G+B)在外框66层和内筒95层同时进行30 min。为了比较外框66层和内筒95层的监测环境对监测结果的影响，选取外框的第4号测点和内筒第8号测点，在同一时间段(1 000 s)内的进行监测，并记录监测结果。对于这1 000 s的监测数据，按每间隔100 s选取一个，分别列入表2和表3。另外，外框66层的第1，2，3号测点的监测环境与第4号测点类似，内筒95层的第5,6,7号测点的监测环境与第8号测点类似，不再赘述。

对比表2和表3中的数据，可以看出，表3中的第8号测点的卫星数远多于表2中的第4号测点的卫星数，其PDOP值、x方向的中误差和y方向的中误差也都要比第4号测点的小。由于大厦外框66层的第4号测点受上部钢结构遮挡，与天空中可通视的卫星数受到限制，而大厦内筒95层的第8号测点视野开阔，与天空中可通视的卫星数大大增加，表2和表3中坐标误差的大小比对(表2中的x误差明显大于表3中的x误差)，反映了监测环境对监测结果的影响。

表2 第4号测点的监测数据

表3 第8号测点的监测数据

2.4 各监测点的位移曲线

获取GNSS-RTK监测的数据后，同时根据风速风向仪获取监测时段内的风速和风向。选取风向角基本为0°(北风)且最大风速为6级风(13.1 m/s)时的监测时间为1 000 s的数据，并利用Matlab软件模拟巴特沃斯滤波器的Butter函数和Buttord函数，对监测数据进行去噪滤波处理，得到各测点的位移曲线(如图8所示)。

2.5 外框66层与内筒95层位移比较

从图8可以看出，大厦外框66层的各测点无论x方向的位移，还是y方向的位移，都要普遍大于大厦内筒95层各测点的位移；外框66层x方向的最大位移是第4号测点的0.060 m，y方向的最大位移是第2号测点的0.058 m；内筒95层x方向的最大位移是第7号测点的0.025 m，y方向的最大位移是第7号测点的0.040 m。一般情况下，随着建筑物高度的增加，对风载作用越为敏感，建筑物的动态变形也会越大。但对于正处于施工期的天津高银117大厦来说，其结构目前实际的刚度和整体性与最终竣工后的设计值有差异，且内筒与外框采用不等高同步攀升工法，即核心筒与外框、楼板的施工存在一定的工期差，核心筒结构领先外框许多层，因此外框与内筒的整体性不强，致使外框66层各测点的位移要大于内筒95层各测点的位移。

另外，图8中显示的只是大厦在1 000 s内的振动位移，由于短时间内风速变化不大，图中的位移只是相对振动位移(且含有部分测量误差)，并非绝对位移，其绝对位移应该是与风速为零时的监测值(基准位置)相比较而得的位移量。

(a) 外框66层各测点x方向位移曲线

(b) 外框66层各测点y方向位移曲线

(c) 内筒95层各测点x方向位移曲线

(d) 内筒95层各测点y方向位移曲线

2.6 大厦横风向的振动位移分析

图8的位移曲线选取的时间段内其风向角基本为0°，即风向与x轴方向基本重合，这样各测点在y方向的位移即为横风向的振动位移。从图8(b)、(d)可以看出，各测点均存在横风向的振动位移，并且横风向的振幅大小与各自对应的顺风向(x方向)的振幅大小相差不大。

超高层建筑在风荷载作用下，不仅会在顺风向产生风振响应，而且也会出现由于漩涡脱落的横风向振动[14]。随着建筑高度的增加，风振响应越来越大，横风向振动响应经常大于顺风向振动响应，成为结构设计的控制因素[15]。对于超高层建筑结构横向风振动位移响应，已有学者通过数值模拟或风洞试验做过大量的研究[16-17]。本文采用GNSS-RTK实测的方法，验证在建的大厦横风向动态振动位移响应的存在及其大小，对于施工期间控制大厦核心筒的稳定，防止因横风向振动过大而引起大厦结构损伤具有重要的参考意义。

3 结 论

本文首先对GNSS-RTK各星系组合定位的精度和稳定性进行试验，然后以在建的天津高银117大厦为监测对象，利用GNSS-RTK的三星系组合对其外框66层和内筒95层上布置的监测点进行了强风下的动态变形监测，试验和监测的结果表明：

1)各星系组合的卫星数随着星系数明显增多，PDOP值随之减小，坐标中误差也有所减小。各星系组合中，GPS单星系定位的平面坐标精度相对较差，双星系组合定位的平面坐标精度与三星系组合定位的平面坐标精度基本相当，但三星系GPS+GLONASS+BDS组合的稳定性和可靠性最强。另外，对于各星系组合的测点坐标随机(偶然)实时误差，Y坐标的实时误差比X坐标的实时误差要稳定一些，其波动范围(振幅)也要小一些，各星系组合的实时高程H的误差最不稳定，其波动范围(振幅)也最大。

2)一般情况下，建筑物随着高度的增加，其风载作用越敏感，动态变形也会越大。但对于正处于施工期的天津高银117大厦，其结构目前实际的刚度和整体性与最终竣工后的设计值有差异，且内筒与外框采用不等高同步攀升工法，外框与内筒的整体性不强，因此，在强风作用下，大厦外框66层(标高333.08 m)的振动位移要大于内筒95层(标高478 m)的振动位移。

3)大厦在风荷载作用下，不仅存在顺风向振动响应，而且也存在横风向的振动响应。本文采用GNSS-RTK实测的方法，验证大厦横风向动态振动响应的存在及其大小，对于施工期间控制大厦的稳定和安全，防止因横风向的振动过大而引起大厦结构损伤具有重要的参考意义。

4)监测环境对监测结果具有一定的影响。由于大厦外框66层上的各测点受上部钢结构遮挡，而大厦内筒95层上的各测点视野开阔，因此，66层上各测点与天空中可通视的卫星数比95层的少得多，致使外框66层各测点振动曲线中所含测量误差比内筒95层的相对大一些(尤其是x方向的误差)。

5)本文中所测的只是大厦在短时间内的振动位移，由于在短时间内风速变化不大，其位移只是相对振动位移，如果需要监测大厦的风载绝对位移量，则必须延长监测时段，直至捕测到风速为零时，大厦在无风状态下的基准位置，其绝对位移应该是与风速为零时的基准位置监测值相比较而得的位移量。

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[责任编辑：李铭娜]

The dynamic deformation monitoring of super high-rise building wind load by GNSS-RTK

XIONG Chunbao1, HE Haobo1, NIU Yanbo1, YE Zuo’an2

(1.School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072,China; 2. Tianjin Surveying and Hydrography Co. Ltd., Tianjin 300191,China)

Haixingda H32 receivers of GNSS-RTK is used to make the RTK, positioning experiments of different combined systems. Taking Tianjin Gaoyin 117 building under construction as an object measured, this paper monitors its dynamic deformation of strong wind by RTK technology of GPS+GLONASS+BDS combination. The measured data are processed by Butterworth filter, and the vibration curves of some points on the building are obtained. The analysis results show that: the horizontal positioning accuracy of GPS is the lowest, two combined systems and three combined systems are almost the same, and the stability of GPS+GLONASS+BDS combination is the best. The stiffness and integrity of the building under construction are different from those on its completion, so the vibration amplitude of the low outer frame on 66th floor which is delayed to a certain construction step lag is bigger than that of the high inner tube structure on 95th floor. Outer frame and inner tube both have transverse-wind vibration, whose amplitude is approximate to that of downwind vibration. The monitored results are influenced by the environment near the building, which the errors of data measured on 66th floor are bigger than those on 95th floor.

GNSS-RTK； super high-rise building under construction； vibration due to wind load； deformation monitoring

引用著录：熊春宝，何浩博，牛彦波，等.基于GNSS-RTK的在建超高层风载动态变形监测[J].测绘工程，2017，26(5)：34-39.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.05.008

2016-04-14

熊春宝(1964-)，男，教授，博士生导师.

何浩博(1992-)，男，硕士研究生.

P228.4

A

1006-7949(2017)05-0034-06