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高层建筑物整体变形与分析.doc

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高层 建筑物 整体 变形 分析
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龙岩学院资源工程学院毕业设计题 目: 高层建筑物整体变形与分析 资源工程学院- 1 -高层建筑物整体变形与分析 【摘要】通过该高层建筑的变形监测的研究,目的是保障建筑物的施工与使用安全,体现出高层建筑在建设和使用过程中变形监测的重要性,为建筑物安全施工提供了必要的评估数据。本文通过对福州九地块---盛世茶亭高层建筑物为研究对象,介绍了对于高层建筑物进行变形监测的目的和意义。简要描述了该工程中变形监测工程的测量方法、布网方案,研究了该变形监测的数据处理方案,并最终得出了沉降分析结果。通过一元线性回归方程,对平均观测量和每个点位进行了预测分析。【关键词】 高层建筑物,变形监测;数据处理结果目录- 2 -引言..............................................................................31.作业依据........................................................................32.测区概况........................................................................33.设计方案........................................................................43.1仪器设备、人员素质的要求.....................................................43.1.1仪器设备..................................................................43.1.2人员素质的要求............................................................43.2控制网的布设.................................................................43.2.1沉降控制网布设的基本点....................................................43.2.2布网的目的................................................................43.2.3布网的原则................................................................53.2.4变形监测网的优化方法......................................................53.2.5本工程现场布网的具体原则..................................................54 监测内容........................................................................64.1监测项目.....................................................................64.2监测实施方案.................................................................64.2.1周边环境监测..............................................................64.2.2围护结构监测..............................................................74.2.3支撑体系监测..............................................................74.2.4沉降监测..................................................................84.3技术措施.....................................................................95 数据处理结果....................................................................96 设计总结.......................................................................137 致谢...........................................................................13参考文献.........................................................................14英文翻译.........................................................................15引言- 3 -随着国家经济建设的快速发展,城市的基础设施建设相继快速崛起,高楼大厦林立而起,高层建筑物的建设,从基坑开挖到工程竣工,运营使用,这一系列的过程中,因为各个城市的地质构造和土质性质的不同,地下水位的深浅和局部气温的变化,建筑物自身重力与外界环境带来的副作用压力等作用力的影响,因此高层建筑物整体会随时间发生一系列的变化,例如建筑物的垂直升降、水平位移、挠曲、倾斜、裂缝等,都会随着时间发生一系列的变化,我们把这一系列的变化统称为变形。用测量仪器定期测量建筑物这一系列的变化及其变化趋势,统称为变形监测。如果变形超过一定限度,将会影响建筑物的正常使用,严重的将会危及建筑物的安全和人民的生命财产安全,通过变形监测, 准确直观的判断变形数值的变化,进而监视工程建筑物的状态变化和工作情况, 在发现不正常现象时, 应及时分析原因, 采取措施, 防止事故的发生, 改善运营方式, 以保证安全。其次, 通过在运营期间对工程建筑物原体进行观测, 分析研究, 可以验证地基与基础的计算方法、工程结构的设计方法, 对不同的地基与工程结构规定合理的允许沉陷与变形的数值, 为工程建筑的设计施工、管理和科学研究工作提供资料。所以在建筑物的施工,竣工、验收、使用等过程中都离不开变形监测对建筑物的监测,确保工程施工安全,建筑物运营安全等,都显得尤为重要。1. 作 业 依 据[1] GB/T 12897-200,国家一、二等水准测量规范[2] GB12898-91,国家三、四等水准测量规范[3] SL197—200,工程测量规范[4] JGJ/78-98,建筑变形测量规程[5] JGJ 8-2010,建筑变形测量规范 [6]福州市建设委员会文件(福建[2010] 255 号)2.测区概 况福州市九地块--盛世茶亭位于福州市仓山区规划路南侧天泉路东侧地块,面积 37381平方米(合56.07亩)。该地块为商业金融(兼容商务办公)及居住用地。现对其 9#楼进行沉降观测,该楼共 30层,建筑总面积 700.50m²,为剪力墙住宅楼工程。如图(2-1)图(2-1)3.设 计 方 案- 4 -3.1 仪器设备、人员素质的要求3.1.1 仪器设备表(3-1)仪器设备 表 3-1序号 仪器名称 数量 精度1 TopconAT-G2自动安平水准仪 1台 ≤0.5mm2 GTS—332N电子全站仪 1台 5mm+3ppm、±23 TGCX-01数字显示测斜仪 1台 ±0.1mm4 TGCS-2 电子水位计 1台 ±1mm5 钢弦式轴力计 20个 最大压应力:160MPa 最大拉应力: 250MPa3.1.2 人员素质的要求有过 5年以上的工作经验组长 4名,组员 5名,实习学生 3名, 有过专业的技能培训,丰富的外业作业经验,熟练使用各种监测仪器,懂得在各种建筑物监测过程中因地事宜的采用各种监测方法,对监测过程中出现的各种突发状况懂得如何处理。3.2 控制网的布设3.2.1 沉降控制网布设的基本要点 变形监测方案的制定首先要对施工工程现场的地质构造、施工的具体方案、施工现场以及周围环境仔细的调查了解,其次还要与工程建设单位、工程施工单位、工程设计单位以及有关部门进行沟通协调。因为监测方案会直接影响到监测的方法、监测结果的精确度,监测过程的安全,施工建设的安全,施工的进度等等都会受到影响。所以,变形监测方案的制定十分重要。 高层建筑物的沉降监测网最经常采用多结点闭合水准网,即使用精密水准测量的方法进行重复测量。因此可以看出,采用这种方法得出的沉降量,除该点本身的沉降量外,其余观测点的沉降量还会受到两次测量误差带来的精度影响。所以,在研究分析沉降监测精度的同时,还需考虑有关水准测量中常出现的影响因素。 参照沉降监测精度的要求,在布设控制网时必须考虑以下因素: ①参照监测精度的要求,控制网应布成网型、测站数最少的监测闭合环形路线最合理。 ②在布设的环形水准控制网当中,必须有 4个埋设牢固的基准点作为起算点,其余点的埋设可以埋设为一般地上水准点或墙上水准点。 ③水准点的布设必须遵循作业现场的实地状况,布设在通视良好、地基稳定、较明显、保证做业安全的地方,布设的点需保证作业人员的观测便利。④观测点布设的最佳位置是在与被监测的建筑物之间相距为 20-40m的地方。 ⑤当设置水准点处有基岩露出时,可用水泥砂浆直接将水准点浇灌在岩层中,一般水准点应埋设在冻土线以下 0.5m处,墙上水准点应埋在永久性建筑物上,离开地面 高度 0.5m左右。 ⑦基准点与工作点应联接成网,网形可布设成闭合环、结点或附和水准路线等形式。 ⑧变形监测网与工程施工网相比较,变形监测网拥有自己的独特之处,这些独特之处决定了变形监测网平差与工程控制网平差计算方法的不同。由此,在介绍变形监测网平差方法之前,必须要先介绍其特点。 3.2.2 布网的目的 变形监测网是要最后得出被监测建筑物的具体变形量,和各个网点之间的相对精度是否达到要求规范没关系。因为布设网的要求,目的是不相同的,所以,对精度的影响因素也会有差异,在工程控- 5 -制网精度影响因素中测距仪的比例误差、大气折光引起的误差、系统误差等都会直接导致工程控制网最后的观测精度下降,因此,在工程控制网中,对于影响观测精度的这些因素,都必须减小或者消除。3.2.3 布网的原则 (1)变形监测网具有与工程网不同的布网原则工程控制网布网时,网点的选择一般按这样的原则进行: ①网点的视野开阔, ②网点之间构成的网形要规则,最好是等边三角形。 ③三角形的角度一般要在 30度到 150度之间(2)变形监测网布网原则: ①变形监测网点的布设必须参照变形监测网的需要来布设。比如,变形测量观测点作业的基点是变形监测网网点。因此网点应该布设在地基稳定安全并且不会受到破坏的地点,作业基点的位置也可以由变形点的位置来确定其自身的的位置,最后确定一个局部稳定的网点。这样的话,网点对观测的视野以及和网点之间的关系可以忽略。也就是对网点的视野和网点之间的相互关系则没有任何要求。这样为了布设稳定点,可以省下一大笔的花销。②变形监测网中对平差的使用多采用间接平差。③在变形监测网中要求网边要短,精度要高,而且常常要强制归心。对网边的具体要求为:一般在几百米左右,最多不超过 1千米,纵然在地震监测的变形监测网中,它的边长也在 1千米上下浮动。对于精度的要求必须参照国家一、二等精度要求进行观测的,当前在国家地震部门和水电部门观测时使用最先进的仪器,用于国家建设的变形监测中。④在工程控制网中,工程控制网的布设必须要求有一个已知方向、一个已知的坐标、一条已知边长变。但是在变形监测网中,变形监测网可以没有已知数据在工程控制网中。3.2.4 变形监测网的优化方法 在变形监测网布设完成后,须参照观测条件及应用的目的等因素的要求等,对变形监测网进行优化。与传统的测量控制网相比,变形监测网设计时主要采用绝对网和相对网两种形式。 绝对网在拱坝观测时常用,是指变形监测网网中布设的所有点一般布设在被监测物体周围,测量被监测物体的绝对变形量。相对变形监测网是指变形监测网中布设的所有点一般在被监测物体之上,通过测量网点之间的相对移动来确定被监测物体的变形量。 测量控制网优化设计一般分 4类,变形监测网优化设计时,主要应进行一类优化设计,并需要考虑可靠性研究,具体如下: (1)目标函数(质量要求) ①可区分性:即当变形模型已知时,采用的网的灵敏度和精度 ②成本:就是网所需费用。有最大和最小两种原则,其中最大原则是指费用一定,网的质量最好;最小的原则则指网的应满足质量要求,费用最少。 (2)优化模型 考虑单目标优化时,可有如下方案: ①成本最小,可区分度和可靠性满足一定的要求。 ②可区分度最好,成本和可靠性满足一定的条件。 ③可靠性最好,约束成本和可区分度。 3.2.5 本工程现场布网的具体原则 具体实施包括模拟法和解析法两种,其中,模拟法是运用经验确定标准,通过计算比较和逐步修改来达到要求;解析法是用数学方程来表达,采用最优化方法将解算,而且解算时要对位置参数进行线性化。此工程模拟法。在工程现场,寻找地基稳定坚固的位置,布设水准基点。参照现场需要布设水准点个数。监测点布设与数量统计如下表(3-2)监测点布设与数量统计表(3-2)- 6 -序号 监测项目 测点布置 单位 数量1 墙顶水平位移与沉降 墙上端部,间距 25m 个 302 地面沉降 基坑顶部周边,离基坑边缘垂直距离2m,5m,10m 设监测点,纵向间距 48m 个 603 墙主筋应力量测 对应第二、三、四道支撑的桩内侧及顶板,中板,底板桩的外侧,每断面 6点 个 1504 墙体变形 沿连续墙纵向间距 35m 孔 305 支撑轴力 直撑设 18点,间距约 24m,斜撑设 2点,共 22断面,每断面每层布置 个 506 地下水位 基坑四角及周边均匀布置,间距约 100m 孔 127 土体压力 基坑支护外侧,和支撑轴力测点相对应位置布置,每断面布设 4点 个 1008 建筑物沉降 建筑物的四角及每隔 20m布置一点,做为基坑周边的监测保护 个 204.监 测 内 容 :4.1 监测项目4.1.1、周边环境监测:A、施工现场北侧侧泉塘小区以及市政道路沉降监测B、施工现场地下水位监测4.1.2、围护结构监测A、支护桩桩体顶部水平位移的监测B、支护桩桩体位移(测斜)监测4.1.3、支撑体系监测A、水平支撑位移监测B、水平支撑挠度监测C、支撑轴力监测4.2 监测实施方案:4.2.1、周边环境监测:A、基坑北侧侧泉塘小区以及市政道路的沉降监测对临近基坑的北侧侧泉塘小区以及市政道路沉道路进行沉降变形监测,在道路道崖边上水泥地上每隔 15米钉一个铆钉作为沉降监测点。监测原理严格参照精密水准测量的原理进行监测,在施工影响范围外屏西医院医院广场布设 3个铆钉点作为基准点,并且加水泥油漆标志保护,基准点必须安全稳定,能够构成一个基准网,监测做业时对基准网进行定期的一等水准连测,根据观测数据得出每个基- 7 -准点的变化情况,然后根据监测数据的处理结果将不稳定的基准点及时修正或剔除。监测作时,参照精密水准测量原理用闭合水准测量方法测回起始点,测出各个监测点的绝对高程数据,依据监测点两次所测得高程数据,就可以计算出被监测点在这期间的沉降量。监测采用仪器为苏州一光 DS05水准仪,其高程测量误差为±0.4mm/km,与之配套的水准尺为INVAR合金带精密水准尺,其线膨胀系数为 1.25×10-6/℃。在基坑开挖前一星期内进场,进行首次基准监测的数据采集,做为原始数据。原始数据采集时监测次数必须不少于两次,以进行自我校核。当基坑开挖后,之后每天监测一次,内业对数据进行处理,根据处理结果得出各个监测项目的变形数值范围是否达到危险预警值。当基坑开挖达到最快速度时,根据监测数据,调整加密监测周期,直到基坑开挖结束,数据达到稳定,方可停止监测。B、地下水位的监测:根据工程建设设计要求在合适的位置埋设水位管,过一星期加水试测验收。地下水位的监测采用TGCS-2电子水位计,测量地下水位到水位管顶的距离,在水位管管口用油漆做好固定的测量位置标记,用水准测量的方法测出地下水位到水位管顶部标记处的高程,从而得出地下水位高程的变化。在基坑开挖前一星期进场,进行首次地下水位监测的数据采集,采集次数不少于 2次,用于自我检核,基坑开挖后每天监测一次,内业对数据进行处理,根据处理结果得出地下水位监测项目的变化数值范围是否达到危险预警值。当基坑开挖达到最快速度时,根据监测数据,调整加密监测周期,直到基坑开挖结束,数据达到稳定,方可停止监测。4.2.2、围护结构监测:A、支护桩桩身位移(测斜)监测根据工程建筑设计要求在指定位置的支护水泥桩下钢筋笼之前将测斜管固定在支护水泥桩的钢筋笼内侧,注意下钢筋笼时测斜管内槽的方向,为基坑正内正外方向布设朝向,监测采用 TGCX-01数字显示测斜仪(属于伺服加速度式测斜仪)进行监测。测斜仪采集数据流程为,取出探头安装好,沿着测斜管内槽卡住探头导向轮,逐步放下探头,根据下降米数对应记录采集数据,内业采用专用测斜数据处理软件绘制出测斜管随时间各个深度随时间的变换偏移程度的示意图。a.传感器灵敏度:0.02mm/8”b.标度因数:2.5 士 0.01v/g;c、导轮间距:500mm;d.探头尺寸:Φ32mmX660mm。B、支护桩桩顶部(冠梁)水平位移监测在支护桩顶部每隔 15m布设一个水平位移监测点,本工程采用钢筋铆钉布设,外加水泥加固。水平位移的监测方法采用坐标法进行监测,平面控制监测采用两级控制的方法来进行监测。在远离基坑施工影响区域外设立个若干一级基准点,构成平面三角形网,对基准网采用高精度全站仪进行边角联测,并采用平差软件进行平差处理,得到基准点的高精度坐标。并通过对基准网的定期检测来判断各基准点的稳定情况,从而对不稳定的基准点剔除或进行修正。在上述监测点附近布设二级监测工作基点,每次监测时,将全站仪架设在基准点上,测量出工作基点平面坐标,再根据工地通视情况将仪器架设在其中的任一个工作基点上,测得各监测点在上述坐标系统中的平面直角坐标,通过两次观测所得各监测点坐标之差即可得知这两次期间监测点的水平位移量 [2] 。本作业小组采用的一起为 GTS—332N电子全站仪是日本生产的,精度为 2”级,±2mm+2ppm。4.2.3、支撑体系监测A、水平支撑水平位移监测B、水平支撑挠度监测C、支撑轴力监测在支撑的主要受力杆件上布置轴力监测点,设置轴力监测点约 6个,每个测点上左右安置四个钢筋应力计(注:由于采用两个钢筋计测量来计算轴力,根据以往监测经验,所算出轴力误差较大,有时能造成偏离真实值一倍甚至更大误差,造成信息误导,影响施工进度,建议应采取每测点四角安置四个应力计的方案),共计埋设钢筋计 24个(监测点埋设位置可在具体实施时与甲方、设计及监理共- 8 -同商定)。由于监测周期较长我方采用振弦式钢筋计,接收仪为频率仪。“振弦式钢筋计的工作原理是:当钢筋计受力时,引起弹性钢弦的张拉变化,改变钢弦的振动频率,通过频率仪测得钢弦的频率变化即可测出钢筋所受作用力的大小,据相应公式计算出混凝土结构所受的轴力。钢筋受力计算公示为:P=b(Tn-T0)+K×(Fn-F0)+B (公式 4.1)N=[(A0-As)EhPg]/AgEg+AsPg/Ag (公式 4.2)监测频率:在钢筋计安装完毕后,还没注水泥监测一次,注水泥再监测一次,当基坑开挖时开始正常监测。随后,当基坑开挖时,监测次数为每天一次。在基坑挖土施工的高峰期的时候,根据内业处理数据结果,如果出现受力变化快速或发生异常的情况时,必须加强监测的频率;在大规模挖土施工期结束后,测得受力变化趋于稳定时,监测频率可以降低,直至支撑梁柱被破桩拆除。4.2.4、沉降监测根据国家技术监督局和建设部联合发布的《工程测量规范》和《建筑变形测量规程》(JGJ/T8-97)规定,本工程的监测程序可采用二等,其中监测点高程误差要求不超过±0.5mm [4] 。据福州市建委的文件要求,工程主体以及裙房上的沉降监测点应均匀布设在工程外檐墙(柱)面上,其位置为正负零以上 100至 150毫米处。且应每隔 12至 15米布设一个监测点,建筑物山墙中部、大转角、沉降缝两侧都需要布设监测点。(需注意的是,监测点埋设位置和数量可以与设计及监理共同商定后具体实施,还应该参照建设单位要可做一些适当调整) [5] 。参照福州市建委 1999年 7月 2日发布的《福州市加强建筑工程变形监测控制的规定》,对于工程主体的沉降监测周期如表(4-1)工程主体的沉降监测周期表(4-1)百日监测日平均沉降值 后续监测周期大于 0.3mm/d 半个月0.1~0.3mm/d 1个月0.05~0.1mm/d 3个月0.02~0.05mm/d 6个月0.01~0.02mm/d 12个月小于 0.01mm/d 停止高层建筑物的沉降监测根据国家二等精密水准测量规范,在施工影响区域范围外布设水准基准点,水准基准点必须牢固稳定。如果附近有福州市一、二等水准点,最好利用这样的水准点作为沉降监测的基准点。监测人员要得到各沉降监测点的绝对高程,则要在每次沉降监测作业时,通过精密水准测量将基准点的绝对高程(以大地水准面起算)使用闭合水准测量引测到各沉降监测点上。然后,根据沉降监测点两次所测绝对高程之差即可得知沉降监测点在这两次期间的沉降量 [6] 。本作业小组使用的是 TopconAT-G2自动安平水准仪,高程测量误差为±0.4mm/km,采用线膨胀系数为 1.25×10-6/℃的水准尺(INVAR 合金带精密水准尺)与之配套。4.3 技术措施:- 9 -为了保证监测成果的精确度,不仅要遵循上述的技术要点进行监测外,而且还要注意以下的技术措施:1、两检校每次作业之前都要对所布设的基准点进行检测和修正。并且对监测过程中所有使用的监测仪器作定期检定和校正。2、四固定①监测工作人员要固定。②所用监测设备仪器的固定。③监测的外界环境基本相同④监测的线路、程序、镜位及方法固定。5.数 据 处 理 结 果以第十次监测数据处理结果为例,本作业小组采用 excel2007官方版处理沉降数据处理结果如下表(5-1):周边建筑沉降监测成果表(第 10次) (表 5-1)沉降 量 (mm)点号Z(m) 9 月 10日 9 月 10日 9 月 11 日 9 月 11日 本阶段沉降量(mm) 本阶段沉降速率(mm/d) 累计沉降 量 (mm)累计沉降速率(mm/d)C01 8.4983 -0.10 -0.05 -0.15 0.05 -5.08 0.03 C02 8.5293 -0.05 -0.08 -0.13 0.04 -4.46 0.02 C03 8.3270 0.00 -0.11 -0.11 0.04 -5.52 0.03 C04 7.5124 -0.15 -0.12 -0.27 0.09 -5.00 0.03 C05 7.8964 -0.09 -0.13 -0.22 0.07 -5.21 0.03 C06 7.8634 -0.09 -0.08 -0.17 0.06 -5.31 0.03 C07 7.8440 -0.11 -0.08 -0.19 0.06 -5.62 0.03 C08 7.6830 -0.14 -0.12 -0.26 0.09 -5.37 0.03 C09 7.9877 -0.05 -0.06 -0.11 0.04 -5.01 0.03 C10 7.3136 -0.12 -0.09 -0.21 0.07 -4.96 0.03 C11 7.3535 -0.14 -0.06 -0.20 0.07 -4.25 0.02 C12 7.3759 -0.10 0.00 -0.10 0.03 -4.92 0.03 C13 7.8373 -0.02 -0.04 -0.06 0.02 -5.58 0.03 C14 7.7527 -0.07 0.00 -0.07 0.02 -5.21 0.03 C15 7.8759 0.00 -0.14 -0.14 0.05 -5.07 0.03 C16 7.4077 -0.08 -0.09 -0.17 0.06 -5.27 0.03 C17 7.4520 -0.10 -0.13 -0.23 0.08 -6.12 0.03 C18 7.62385 0.00 0.00 0.00 -0.07 -0.07 0.02 -8.03 0.04 《建筑物变形测量规范》 (JBJ8-2007)中指出,一般沉降工程,若最后 100d 的沉降速率小于0.01-0.04mm 每天,可为沉降建筑物进入稳定阶段。盛世茶亭周边建筑物工程累计沉降量为 22.5mm,沉降最大观测点的沉降速率为 0.11mm 每天,绝大部分监测点速率皆不满足 ≤0.04mm 每天的观测标准,周边建筑物还未进入沉降稳定阶段,还需继续进行监测。
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