梅县东山中学体育馆工程建筑物的变形观测

张志勇

梅州市测绘与地理信息中心 广东 梅州 514071

1 项目简介

梅县东山中学体育馆、体育场项目位于梅州市下市状元桥东山中学校内二山头（东南角），内容包括1座2层体育馆及3条4×50m道路。项目总占地面积3500m2，绿化面积约500m2，建筑面积8070m2，建成后可容纳2500人。受业主的委托，由梅州市测绘与地理信息中心承担东山中学体育馆、体育场变形监测的任务。

2 方案制定

2.1 建筑变形原因分析

建筑物的变形原因复杂，可以概况为外部原因与内部因素。外部原因主要是自然因素引起，例如建筑周边土壤情况、地质条件、水文地质、温度变化、风及其周边建筑物等。内部因素主要是建筑物自身结构、动荷载、受力等因素。建筑物变形不是单独存在，而是一个系统性的，是互相联系的。建筑变形按其类型来分，可分为静态变形和动态变形两种类型。静态变形一般是指变形幅度或者大小，只表示在某一时间区域范围内的值，与时间段密切相关，属于时间段关联的函数；动态变形一般是指在外部因素影响下瞬间产生的变化值，属于时间点关联的函数，表示建筑物在某个时刻的瞬时变形特征[1]。

2.2 建筑变形测量方法

根据建筑物变形的外部原因与内部因素，并按照周围环境，确定观测方法与观测精度，可采用经纬仪导线测量、水准测量、传感器、光电测距仪导线、三角测量、物理直接量取方法。根据设计资料，本工程变形测量确定等级为三级，监测的内容包括体育馆主体建筑沉降、水平位移监测，体育场主体建筑沉降、水平位移监测。

2.3 建筑变形测量方案制定

本项目变形测量内容包括水平位移监测和沉降监测。设备选择上使用自动化观测徕卡TS15A全站仪和天宝DN01数字水准仪监测。

变形观测网是由水准基点和观测点组成。根据场地特征及其建筑物监测要求，现场布置13个待观测水平监测点，分别沿整个体育馆房顶边缘均匀布设的A1、A2、A3、A4、A5、A6和体育场观众席房顶均匀布设的B1~B7沉降监测点为18个，分别沿整个体育馆房顶边缘均匀布设的A1~A11和体育场观众席房顶均匀布设的TP01、TP02、TP03、TP04、TP05、TP06、TP07；其中把 BMO1、BMO2、BMO3、BMO4基准点设置钢筋混凝土强制对中观测墩，精度高，稳定性强，且分布在监测观测点四周，且相互通视，能完全满足此次变形监测测量的要求。观测周期为一年即12个月，从2013年10月至2014年9月，无特殊情况平均每月一次完成了12次的观测。为了减小监测对象受环境的影响，首期观测三次，取效果最好的次作为首期观测的数据。

3 项目实施

3.1 监测点的布设及监测网的控制

3.1.1 水平位移基准点与监测点的布设。基准点是检验和直接测定监测点的依据，要求其点位在距离施工区100m以外，在整个监测过程中保持相对稳定且确保不被破坏，采用深埋钢筋并浇灌混凝土固化的方法埋设。为了便于校核，以验证基准点的稳定性，根据现场的实际情况布设四个观测墩基准点，编号BMO1、BM02、BMO3及BM04。基准点埋设好后，应监测三次，分析其稳定后方可使用。BMO1、BMO2、BMO3及BMO4，作为水平位移测量基准点，另外，选取体育馆北方向远处的一个固定目标（塔尖）TO作为定向及检查。

通常在体育馆、体育场的边角处及中心位置均布置监测点，疏密适当。在体育馆房顶边缘布设6个水平位移观测点，编号为A1~A6，采用观测棱镜并用螺丝固定，使之体育馆结构牢固地联结成一个整体。在体育场观众席房顶7个水平位移观测点，编号为TPO1~TPO7，采用反射片并用强力胶水将反射片固定在房顶侧边缘，使之与监测对象结构牢固地联结成一个整体，观测小棱镜和反射片的位移代表建筑物的形变位移。因此次使用的坐标系是1986年梅州市坐标系，根据基准点方案布设图，此次观测基准点BM02 BMO1 BMO3、BM04为待求点，根据GPS E级网观测方案，本次基准点监测采用同步差分观测测量。此次测量采用中海达静态GPS一套，每个时段为1.5h，采样间隔为30S，高度角为15°，自动记录同时记录每个历元的WGS84的经纬度。

根据设计方案，监测点采用Leica TS15A全站仪（1.0秒精度）观测，等众多现代化强大功能每次架站自动观测6个测回。监测点均匀分布在体育馆和体育场房顶，受通视条件的影响，不是每个监测点都能完全看完所有的监测点，故此次观测是在监测点BM01架站观测监测点A2、A3、A4，在监测点BMO2架站观测监测点A1，在监测点BMO3架站观测监测点A5、A6，在监测点BM04架站观测监测点TP01、TP02、TP03、TP04、TP05、TP06、TPO7。按照《建筑变形测量规程》中三级变形观测的技术要求施测，观测前首先对基准点进行边长、角度检测校核，验证其点位稳定后，方可对水平位移观测点进行观测。本次监测利用Leica TS15A全站仪高效的马达驱动、ATR自动目标照准、超级搜索、自动记录等功能，采用自动化观测，在开始观测的时，仪器里已经设置好观测次序和测回数，观测监测点的支导线观测和监测点的监测观测时同时进行。数据处理是采用仪器自带的处理软件和武测科傻数据处理软件一起平差处理[2]。

3.1.2 沉降基准点与观测点的布设。为确保监测成果的可靠性，基准点类型为浅埋式水准点，体育场和体育场监测项目共布设4个基准点，采用1956黄海高程系统，设置编号分别为BMO1、BMO2、BMO3BM04基准点，沉降观测起始点为I97，已知高程为85.1900m。采用预制不锈钢标志，一端加工成中间刻有圆点的光滑圆头，作为观测立尺点：在地面挖坑50cm×50cm×50cm，放入不锈钢标志在现场浇灌水泥砂浆而成，标志突出地面1cm，并对基准点加以保护，旁立警示牌，以防施工中被破坏。每次监测时进行联测，各点相对稳定。

体育场建筑物基地沉降，共布设7个沉降监测点，编号为B1~B7：体育馆建筑物基地沉降共布设11个沉降监测点，编号为A1~A11。

体育场和体育馆沉降观测点均采用预制不锈钢标志，一端加工成光滑圆头作为观测立尺点。按照设计要求，采用钻孔法植入监测平面布置图中标出相应位置，周围浇灌水泥砂浆固定。根据沉降基准点方案布设图，此次沉降观测起始点为I97，已知高程为85.1900，观测基准点BMO1、BMO2、BMO3、BMO为待求点，根据基准点观测方案，本次基准点沉降监测采用三等水准测量，采用单闭合环形式进行观测。

根据设计方案，监测点采用天宝DINIO3数字水准仪，以两个独立的闭合环来观测所有监测点。体育馆处闭合环的观测线路是BMO1-A1··A11- BMO1，体育场处闭合环的观测线路是BMO4-B1···B7-BMO4。其中：A1···A11是均匀分布于体育馆沉降监测点，B1···B7是分布于体育场的沉降监测点。按照《建筑变形测量规程》中三级变形观测的技术要求施测。观测时读数取至0.1mm。每次观测前对基准点进行检查，合格后才进行沉降观测。沉降监测采用闭合线路，按测站进行平差[3]。

3.2 预测模型与计算方法

经过前面十二期体育场和体育馆观测的累计沉降量的数据，利用Matlab软件对前面十二期数据进行分析，采用多元线性回归模型拟合出多元回归函数，最终得到下期的预测沉降量值。

3.2.1 预测模型。预测模型采用多元线性回归分析法。该方法通过分析所观测的变形（效应量）和外因（原因）之间的相关性，来建立荷载-变形之间关系的数学模型。其数学模型是：

ει为无法观测的且满足一定条件的扰动项。

在此基础上，根据最小二乘法构建多元线性回归的模型。本文不在展开。

3.2.2 计算方法。计算方法上基于多元回归分析模型基础上，利用matlab软件对多时相沉降变形监测数据进行回归分析。

4 结果分析

4.1 沉降成果分析

按照设计及《建筑变形观测规范》要求，在建筑物上布设监测点，并定期观测这些监测点的高程，从而获得各个监测点沉降量（mm），从沉降监测数据结果来看，累计沉降值最大值A7点为1.61mm累计沉降值最大值A7点为0.73mm，沉降速度最大值是0.0044 mm/d，根据《建筑变形测量规程》要求，由于沉降速度处于-0.01~-0.04 m/d，同时，测量规范中规定的沉降测量限差通常取的是高程中误差3倍，也就是1.5mm，完全满足规范的要求，可以认定东山中学体育馆沉降已经基本处于稳定期。

4.2 水平监测成果分析

东山中学体育馆水平位移监测点共布设6个，编号为 A1-A6，其监测结果如下：

表1 水平监测成果

按照设计及《建筑变形观测规范》要求，在体育馆顶端上布设均匀监测点A1~A6，并采用梅州坐标系统，一共对这些监测点进行了十二次的观测，从而获得各个监测点在X方向位移量（m），从十二次位移量表中结果来看，位移量最大为A5点的8.3累计位移量的最大值为A1点为3.1mm，最小值AS点为-4.2mm，移动速度最大值是0.0085mm/d。根据《建筑变形测量规程》要求，由于移动速度处于0.01~0.09mm/d，体育馆的在X方向未发生了整体的移动。

5 结束语

初始阶段，体育馆、体育场各沉降点的累计沉降量略有增加；建筑物稳定后，沉降速率减小，累计沉降量增幅随之放缓，随着时间推移，沉降速率逐渐减缓直至稳定。体育馆、体育场累计沉降最大值为1.61mm、-0.67mm，沉降最小值为0.73、-1.87mm。体育馆、体育场累计位移量X方向最大值分别为3.1mm、5.5m，沉降最小值为-4.2、-3.4mm，Y方向最大值分别为2.9mm、8.6mm，沉降最小值为-3.0-12.3mm。监测成果表明，东山中学体育馆、体育场整体沉降基本均匀，观测点平均累计形变量小于规范规定体型简单的高层建筑基础平均形变量允许变形值。根据监测方案要求，如果建筑物沉降满足每天沉降量小于0.04mm时则可停止观测。由监测数据可认为，现在东山中学体育馆、体育场已进入稳定阶段，可停止观测。