薛天縱 任小強 劉國剛 范立崗 趙 曼

(建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院有限公司, 北京 100007)

0 引言

北京奧林匹克塔是世界第22高、國內(nèi)第6高的觀光塔,建筑高度為246.8 m,5個塔冠的圓形觀景平臺象征奧運五環(huán),是北京標(biāo)志性建筑之一。2016年6月12日,被正式命名為“北京奧林匹克塔”,并懸掛起永久性奧運五環(huán)標(biāo)志。目前,超高建筑越來越多,對其變形監(jiān)測的研究也更加深入。例如,王衛(wèi)平等探討了高層建筑物的沉降監(jiān)測[1],葛紹良介紹了全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(Global Positioning System,GPS)技術(shù)在竣工后高層建筑變形監(jiān)測的重要作用[2],莫南明等結(jié)合中央電視臺新址主樓工程,介紹了平面和高程變形監(jiān)測的理論和方法[3],鄭闊優(yōu)化技術(shù)方法,提高了GNSS(Global Navigation Satellite System)監(jiān)測大型構(gòu)筑物的成果精度[4]。而地基干涉測量合成孔徑雷達(dá)(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)廣泛應(yīng)用于大壩監(jiān)測[5]、滑坡監(jiān)測[6-8]等領(lǐng)域。

本文主要介紹北京奧林匹克塔施工期水平位移監(jiān)測和運營期健康監(jiān)測。在施工期主要在12、96、168 m等3個高度位置分別設(shè)置12個監(jiān)測點,監(jiān)測水平位移；在建筑物運營后,建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院與北京建筑大學(xué)合作,采用高精度北斗與GPS聯(lián)合解算技術(shù)和地基InSAR技術(shù)同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理,對建筑物的變形進(jìn)行更加深入的研究,為以后的建筑物運營期的健康監(jiān)測打下了良好的基礎(chǔ)。

1 概況

1.1 地理概況

北京奧林匹克塔位于奧林匹克公園內(nèi),東側(cè)為奧林匹克公園人工河,西側(cè)臨近地鐵8號線,南側(cè)緊鄰科薈南路,辛店村路南側(cè),主體建筑緊鄰中軸線景觀大道,建筑占地面積約為6 500 m2左右,地上建筑面積為4 946.50 m2,地下建筑面積為13 030.00 m2,合計17 973.50 m2,300 m范圍內(nèi)無明顯建筑物,地勢平緩。地理位置如圖1所示。

圖1 北京奧林匹克塔地理位置示意圖

1.2 北京奧林匹克塔概況

北京奧林匹克塔(圖2)由相互連接的5個獨立塔體組成。1號塔為主塔,位于中間,2～5號塔為副塔,圍繞主塔周邊,副塔與主塔的形心間距為15.10～19.17 m。由于5個塔的塔身都非常纖細(xì),1號塔軸線直徑為14.00 m,2號塔、3號塔均為7.30 m,4號塔和5號塔直徑僅為6.00 m,單塔的最大高寬比達(dá)33。此外,塔冠直徑達(dá)26.40～51.20 m,觀景廳的外挑長度大。

圖2 北京奧林匹克塔

在結(jié)構(gòu)方案中,通過沿建筑高度方向設(shè)置4道連接桁架的方式,將5個獨立的單塔連為一體,構(gòu)成稱之為“組合塔式結(jié)構(gòu)”的新體系。連接桁架可以兼作各塔之間的通道,滿足人員行走的需求。主塔由外筒與內(nèi)筒組成,外筒由16根圓柱、外環(huán)梁及柱間支撐組成,內(nèi)筒共有8根圓柱構(gòu)成。副塔塔身均由6根圓柱、環(huán)梁及柱間支撐構(gòu)成。180 m標(biāo)高以下采用鋼管混凝土柱,混凝土強度等級C80～C50。180 m標(biāo)高以上采用純鋼管柱。外環(huán)梁采用H型鋼,柱間支撐采用焊接箱形截面。在梁柱節(jié)點處,通過對H型鋼梁的翼緣進(jìn)行加強;在交叉支撐的節(jié)點,采用在節(jié)點域設(shè)置內(nèi)環(huán)外環(huán)加勁肋的方式。

1.3 柔性高聳鋼結(jié)構(gòu)體變形特點

柔性高聳鋼結(jié)構(gòu)體在工程施工和運行的不同時期,存在受多種因素(基礎(chǔ)設(shè)置、施工、風(fēng)振、日照受熱不均勻、具有巨大質(zhì)量的超高特殊結(jié)構(gòu)體本身的內(nèi)在牽引力等)的影響形成不規(guī)則彎曲變形,這是整個建筑體綜合變形量的主要原因,而且從其隨時間的形態(tài)變化上來看,其變化規(guī)律性不強,每個時刻的監(jiān)測數(shù)據(jù)均具有獨立性,這是與其他常規(guī)結(jié)構(gòu)建筑物變形監(jiān)測的最大不同。

2 施工期水平位移監(jiān)測

2.1 監(jiān)測控制網(wǎng)及監(jiān)測點

北京奧林匹克公塔由五個塔體相互連接而成,單塔最大高寬比達(dá)33。通過沿高度方向設(shè)置多道連接桁架,將5個單塔連接為整體,形成組合塔式結(jié)構(gòu)體系,使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度與抗傾覆能力大大提高。在施工過程中各單塔之間設(shè)置水平桁架和預(yù)應(yīng)力斜桿臨時支撐體系,對結(jié)構(gòu)抵消不均勻豎向變形和差異沉降起到了一定的作用。但該種結(jié)構(gòu)模式大大提升了監(jiān)測的難度,對控制點和監(jiān)測點的測設(shè)提出了很高的要求。

為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的一致性,主控網(wǎng)選擇了GPS控制網(wǎng)進(jìn)行布置,由4組平面控制網(wǎng)點組成,每3個為一組,相互通視,分別位于建筑物東、南、西、北四個方向。監(jiān)測控制網(wǎng)點均采用了冗余布置,如果被破壞,使其具備等精度恢復(fù)條件,以確保監(jiān)測工作的連續(xù)性。每組控制點點間的夾角、邊長采用全站儀多測回平均值,并定期進(jìn)行檢測。通過對基準(zhǔn)點的復(fù)測和檢核發(fā)現(xiàn):基準(zhǔn)點在觀測時段內(nèi)穩(wěn)定,數(shù)據(jù)真實可靠,可以作為基準(zhǔn)點進(jìn)行測量。

監(jiān)測點分別布設(shè)于建筑物塔身不同高度,分別為:12、96、168 m等3個高度位置,每層12個監(jiān)測點,為避免相互遮擋,監(jiān)測點布置前做了位置優(yōu)化。

2.2 監(jiān)測方法的選擇

建筑物具有多塔且相互遮擋的結(jié)構(gòu)特點,并受場地和周邊建筑限制,前方交會、后方交會均無法實施,因此采用了多測回極坐標(biāo)法進(jìn)行,利用測量機器人快速、準(zhǔn)確的多次測量,取得坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

2.3 變形限差的設(shè)定

建筑物為柔性鋼結(jié)構(gòu)體,對其變形的限差設(shè)定尚未有明確的規(guī)定,設(shè)計單位提供頂部位移允許值為1/400(變形量/高度),不同高度監(jiān)測點的允許值參照頂部允許值計算,并按照相關(guān)規(guī)范細(xì)則要求,將變形允許值的70%設(shè)定為警戒值。

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)歸納及分析

通過對塔身12、96、168 m等3個高度位置的監(jiān)測點周期性的監(jiān)測,可以對建筑物的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析,以探明建筑物的變形規(guī)律。通過監(jiān)測,建筑物的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和塔身結(jié)構(gòu)設(shè)計對穩(wěn)定塔體起到了很好的作用,監(jiān)測點的變形量遠(yuǎn)低于變形允許值。

2.4.112m處水平位移分析

12 m位置對于整個塔結(jié)構(gòu)而言,可視為剛性結(jié)構(gòu)體,其位移可歸結(jié)為場地的表層平移和塔本身的位移兩個方面。

依據(jù)施工期間的監(jiān)測數(shù)據(jù),最大位移速率為0.4 mm/d,大部分時間的位移速率處于0.1～0.2 mm/d,說明在施工期間塔身12 m處相對于建筑物主體保持相對穩(wěn)定,變化量較小。從各點變化曲線來看,每塔各點表現(xiàn)出相似變化規(guī)律,也可以證明12 m處結(jié)構(gòu)體處于剛性變形狀態(tài)；在建筑物封頂階段,水平位移依然與施工期內(nèi)變形相似,最大位移速率為0.3 mm/d,大部分時間的位移速率處于0.1～0.2 mm/d,說明在建筑物結(jié)構(gòu)荷載完成后,12 m處相對穩(wěn)定,變化量較小。

2.4.296m處水平位移分析

由于96 m位置已不處于剛性區(qū)域,監(jiān)測點受施工及天氣影響較為明顯,單次單點位移值最大為30.5 mm,形變量在控制范圍內(nèi),與警戒值相比為微小值。其主要原因是建筑物處于高密度施工期,施工機械及人員對建筑物影響較大。

從累計位移值上看,最大累計位移值為50.3 mm,最小累計位移值為2.2 mm。從位移的變化方向上看,也可以看出變化的不規(guī)律性。

2.4.3168m處水平位移分析

168 m位置亦處于柔性結(jié)構(gòu),監(jiān)測點受施工及天氣影響明顯,其表現(xiàn)的位移情況與96 m處不同,顯示出更顯著的不規(guī)律性。

塔冠安裝前,169 m處位移顯示正常變化規(guī)律,單次最大位移量為28.6 mm,形變量在控制范圍內(nèi),未超出警戒值；在各塔塔冠安裝至完成初期,169 m處位移較為明顯,明顯受荷載增加影響。單次位移量最大為46.6 mm,說明該處受荷載影響較大,但未超出警戒值。通過對建筑物施工階段的連續(xù)監(jiān)測,建筑物處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。受施工荷載增加和天氣狀況的影響,表現(xiàn)出相應(yīng)變形規(guī)律,局部變形較大,屬于正常范疇,與建筑物變形警戒值和預(yù)警值相比,均為正常變化。

2.5 建筑物封頂后的變形監(jiān)測

北京奧林匹克塔監(jiān)測工程進(jìn)入外裝修基本完工階段,原有建筑物位移監(jiān)測點被遮擋,所以在塔冠頂部布設(shè)永久性GPS觀測點,采用GNSS觀測方法分時段對其進(jìn)行觀測。

分析獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù),各項監(jiān)測數(shù)值基本平穩(wěn),所有監(jiān)測數(shù)據(jù)均無異常變化,在后期的施工過程中塔身的變形較結(jié)構(gòu)施工階段會有所放緩,但塔身受自然條件影響會產(chǎn)生一定規(guī)律的周期變化。

3 運營期健康監(jiān)測

建筑投入運營后,調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)正式運行,建筑物內(nèi)部高速電梯也進(jìn)入運營狀態(tài),這也成為建筑物內(nèi)部主要形變影響源。結(jié)合外部自然因素,對其監(jiān)測應(yīng)捕捉其動態(tài)形變?；诖?對建筑物的實時監(jiān)測采用的方法就成為關(guān)鍵所在。

對于高聳柔性結(jié)構(gòu)體,通過連續(xù)監(jiān)測,選擇高精度的GNSS儀器作為監(jiān)測儀器。提高數(shù)據(jù)采集精度和解算精度才可以真實有效地對建筑物變形進(jìn)行評價。在其基礎(chǔ)上,輔助地基InSAR監(jiān)測技術(shù),用以相互驗證,確保其結(jié)果的真實性和可靠性。

3.1 監(jiān)測方法

為深入研究建筑物運營階段的變形狀況,在使用常規(guī)方法的基礎(chǔ)上,運用了地基InSAR測量和采用先進(jìn)的高精度GNSS接收機,利用高精度北斗和GPS聯(lián)合解算技術(shù),對建筑物在特殊自然環(huán)境下的變形狀態(tài)進(jìn)行研究。

地基InSAR技術(shù)是一種地面位移的遙感測量方法,可以在野外測量時提供地面變形場,無需在地面確定目標(biāo)的位置,也無須任何與斜坡的實際接觸,這一技術(shù)是基于合成孔徑雷達(dá)和干涉測量技術(shù)。

Trimble Alloy高精度GNSS接收機,利用高精度北斗和GPS聯(lián)合解算技術(shù),設(shè)計短基線觀測,分析北京奧林匹克塔在多種載荷作用下的動態(tài)運動。

3.2 數(shù)據(jù)采集

(1)GNSS數(shù)據(jù)采集

在建筑物1#塔上的東南西北4個方向建立了四個監(jiān)測點,在距1#塔約1 km的東南角和西南角的樓頂上建立GPS基站。

開機設(shè)定參數(shù)后,數(shù)據(jù)采集自動進(jìn)行,每套裝置均采用電瓶供電模式,確保采集期間的供電。連續(xù)工作時長為50 h以上。數(shù)據(jù)獲取為每5 s采集記錄一次,每次獲取合格數(shù)據(jù)5萬余個。

(2)地基InSAR數(shù)據(jù)采集

采用意大利地基INSAR動態(tài)測量系統(tǒng),分別從南面、西面、北面三個位置進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。

3.3 GNSS數(shù)據(jù)處理與分析3.3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

首先通過預(yù)處理對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析。通過分析GNSS觀測數(shù)據(jù)的衛(wèi)星可見性、多路徑效應(yīng)、信噪比、精度因子(Dilution of Precision, DOP)值等,來剔除相應(yīng)的觀測時段或衛(wèi)星,為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供可靠的質(zhì)量保證。

3.3.2GNSS解算

(1)解算天空圖

根據(jù)天空圖的殘差波動,高殘差的部分很少,說明受到的多路徑效應(yīng)比較弱,采用扼流圈天線,有效減弱多路徑效應(yīng)。

(2)相位殘差圖

如圖3所示,計算時設(shè)置了截止高度角為10°,整體趨勢線2號線隨著截至高度角的增加在1號線的上下波動,說明整體的解算結(jié)果良好；在70°之后出現(xiàn)偏離比較嚴(yán)重的情況,應(yīng)該是錯誤引用天線相位模型,或者是有電磁干擾信號。

圖3 相位殘差圖

3.3.3高精度位置動態(tài)變化

高精度數(shù)據(jù)處理采用GAMIT/GLOBK高精度解算軟件,采用雙差定位模式,以位于樓頂?shù)臏y站作為基站,在2018和2019年分別觀測位于塔頂?shù)奈鹘呛蜄|角兩個測站的位置的動態(tài)變化。在數(shù)據(jù)處理時,將北斗和GPS數(shù)據(jù)聯(lián)合,分析結(jié)果顯示,北斗和GPS觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量一致,因此對兩種觀測數(shù)據(jù)采用相等的權(quán)重。記錄的數(shù)據(jù)采樣率為1 Hz,為了提高解算精度,每5 min計算一組平均的定位結(jié)果, 2018和2019年觀測數(shù)據(jù)解算精度見表1。

表1 2018和2019年觀測數(shù)據(jù)解算精度 單位:mm

以西角觀測為例,2018和2019年觀測獲取的站點運動時間序列如圖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聯(lián)合解算技術(shù),設(shè)計短基線觀測,對觀光塔在多種載荷作用下的動態(tài)運動做分析。每5 min計算一組定位結(jié)果,得到的解算精度選擇99.7%的置信區(qū)間,東西向和南北向兩個分量的精度都在5 mm以內(nèi),而從完整一天的時間序列可以看出,不存在明顯的周期性或者趨勢項的運動。

注：2019年5月31日8:00～6月1日8:00

3.4 地基InSAR數(shù)據(jù)處理與分析3.4.1 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

本文主要采用了基于InSAR技術(shù)的優(yōu)化處理方法[9],得到南面、西面、北面三個位置數(shù)據(jù)采集處理結(jié)果。以南面數(shù)據(jù)為例,數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖6所示。

圖6 InSAR數(shù)據(jù)采集結(jié)果

3.4.2數(shù)據(jù)分析

以下采用時變分析理論分析南側(cè)地基InSAR一段觀測數(shù)據(jù),采用標(biāo)準(zhǔn)時頻變換理論分析其振動規(guī)律。標(biāo)準(zhǔn)時頻變換理論[10]由中國科學(xué)院柳林濤研究員2009年提出,在大地測量數(shù)據(jù)處理中取得了初步應(yīng)用。這里基于該理論分析塔體振動規(guī)律。

取南側(cè)位移曲線圖部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行局部放大,發(fā)現(xiàn)奧運塔擺動規(guī)律更為明顯,如圖7所示。

圖7 南側(cè)位移曲線部分?jǐn)?shù)據(jù)局部放大圖

采用時頻分析可得其動態(tài)位移時頻圖。初步采用時頻分析理論表明奧運塔南側(cè)觀測點擺動規(guī)律,擺動周期由幾種擺動周期合成,包括3.5,5,169 s等三種頻率組合而成,塔的變動規(guī)律受自身自振頻率以及周圍環(huán)境的影響。

3.5 監(jiān)測結(jié)果對比分析

采用先進(jìn)的高精度GNSS接收機,利用高精度北斗和GPS聯(lián)合解算技術(shù),設(shè)計短基線觀測,對觀光塔在多種載荷作用下的動態(tài)運動做分析。每5 min計算一組定位結(jié)果,得到的解算精度在99.7%的置信水平下為5 mm,表明在這段時間內(nèi)觀光塔的擺動幅度小于5 mm。

采用地基InSAR監(jiān)測技術(shù),能夠監(jiān)測到監(jiān)測點的微小動態(tài)變化,并嘗試采用時頻分析理論分析建筑物的動態(tài)變換參數(shù)。短期的觀測結(jié)果表明,觀測期間塔的南北方向監(jiān)測點的變化幅度在6 mm左右。

地基INSAR在塔的不同位置,監(jiān)測的結(jié)果略有差異,主要是擺動的幅度大小不一致,這與實際的情況符合,監(jiān)測點位置不同,擺動的幅度大小不一樣。但是從觀測結(jié)果總體來看,監(jiān)測結(jié)果反映出來的動態(tài)變化結(jié)果說明建筑處于安全狀態(tài)。

從兩者的觀測結(jié)果來看,動態(tài)的趨勢變化基本一致,但是地基INSAR更能夠監(jiān)測到監(jiān)測點的微小變化。

4 結(jié)束語

針對北京奧林匹克塔監(jiān)測內(nèi)容多、監(jiān)測周期長、監(jiān)測頻率高、精度要求高、時效性要求高的特點,本文立足常規(guī)手段,結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)和方法,主要從施工期水平位移監(jiān)測和運營期健康監(jiān)測介紹了監(jiān)測工作,并且得到了準(zhǔn)確可靠的成果。

通過數(shù)據(jù)處理和分析可知:在施工期,建筑物變形相對穩(wěn)定,變化量較??；在運營期,采用高精度北斗與GPS聯(lián)合解算技術(shù)和地基InSAR技術(shù),兩者得到的結(jié)果均能說明建筑物處于安全狀態(tài),而且觀測到的動態(tài)趨勢一致,但地基InSAR更能夠監(jiān)測到更微小變化。該項目技術(shù)研究有助于類似監(jiān)測工程的順利實施,其意義在于以下方面:

(1)解決了新老方法充分結(jié)合,全面了解建筑物在各階段的變形態(tài)勢,監(jiān)測數(shù)據(jù)互相佐證,揭示建筑物變形特點；

(2)新技術(shù)、新方法的研究實用,為監(jiān)測工作提供了新的方法和思路；

(3)為類似工程提供了積極的借鑒意義。