建筑物监测课程

第15章建(构)筑物变形观测与动态位移监测建筑物随时间的推移发生沉降、位移、挠曲、倾斜及裂缝等现象。这些现象统称为变形。变形的原因:建筑物在工程建设和使用过程中，由于基础的地质构造不均匀，土壤的物理性质不同，土基的塑性变形，地下水位的变化，大气温度的变化，建筑物荷身的荷重及动荷载(如风力、震动等)的作用等．变形按时间长短分为：长周期变形(建筑物自重引起的沉降和变形)、短周期变形(温度变化所引起的变形)和瞬时变形(风振引屈的变形)。变形按其类型可分为：静态变形和动态变形。15.1变形观测概述建筑物变形监测的主要目的包括以下几个方面：①、分析估计建筑物的安全程度，以便及时采取措施，设法保证建筑物的安全运行.②、利用长期的观测资料验证设计参数.③、反馈工程的施工质量.④、研究建筑物变形的基本规律变形观测方法第一类：常规大地测量方法，包括几何水准测量测量、三角高程测量、三角(边)测量、导线测量、交会法等。第二类：摄影测量方法，包括近景摄影测量。第三类：专门测量方法．或称物理仪器法．包括各种准直测量(激光准直系统具有代表性)、倾斜仪观测、流体静力水淮测量系纹及应变计测量等第四类：空间测量技术．包括甚长基线干涉测量、卫星激光测距、全球定位系统(GPS)等。空间测量技术先进，可以提供大量的变形信息，是研究地壳形变及地友下沉等全球性变形的主要手段。第五类：自动化观测的方法。坐标仪、液态仪等。建筑物变形观测的实质是：定期地对建筑物的有关几何量进行测量，并从中整理、分析出变形规律。其基本原理是：在建筑物上选择一定数量的有代表性的点，通过对这些点的重复观测来求出几何量的变化。变形观测的测量点可分为：基难点、工作点和观测点三类。变形监测点的分类:(1)基准点基准点为变形观测系统的基本控制点，是测定工作点和变形点的依据。基准点通常埋设在稳固的基岩上或变形区域以外，尽可能长期保存，稳定不动。每个工程一般应建立3个基准点.(水平位移监测基准点标志)垂直位移监测基准点标志2、工作点工作点又称工作基点，它是基准点与变形观测点之间起联系作用的点。工作埋设在被研究对象附近，要求在观测期间保持点位稳定。3、观测点变形观测点是直接埋设在变形体上的能反映建筑物变形特征的测量点，又称观测点，一般地设在建筑物内部。并根据测定它们的变化来判断这些建筑物的沉陷与位移。观测点的埋设：观测点的安放位置建筑物监测内容：1、工业及民用建筑物对于工业与民用建筑物。主要进行沉陷、倾斜和裂缝的观测，即静态变形观测；对于高层建筑物。还耍进行震动观测，即动态变形观测；对于大量抽取地下水及进行地下采矿的地区。则应进行地表沉降观测。主要监测项目如下：（1）基础沉降：单点沉降量、平均沉降量、相对沉降量、倾斜、弯曲、沉降速率。（2）水平位移：单点水平位移、位移速率、挠度。（2）滑坡监测。（3）裂缝监测。（4）内部监测：应力／应变监测、温度监测、地下水位监测。2、水工建筑物对于大型水工建筑物，例如混凝土坝，由于水的侧压力、外界温度变化、坝体自重等因素的影响，坝体将产生沉降、水平位移、倾斜、挠曲等变化，因而需要进行相应内容的变形观测。对于某些重要建筑物，除了进行必要的变形监测外，还需要对其内部的应变、应力、温度、掺压等项目进行观测，以便综合了解建筑物的工作性态。主要监测项目如下：（1）现场巡视（2）外部监测：沉降、水平位移、倾斜、挠度、裂缝、滑坡等。（3）内部监测：温度、应力／应变、渗压、渗流量、水力学观测、水文观测、泥沙。（4）环境监测：水位、气温、降雨量、风、地震、地下渗流场。3、大型桥梁工程（1）桥梁墩台变形观测桥梁墩台的变形观测主要包括两方面：各墩台的垂直位移观测：主要包括墩台特征位置的垂直位移和沿桥轴线方向(或垂直于桥轴线方向)的倾斜观测；各墩台的水平位移观测：其中各墩台在上、下游的水平位移观测称为横向位移观测，各墩台沿桥轴线方向的水平位移观测称为纵向位移观测。两者中，以横向位移观测更为重要。（2）塔柱变形观测塔柱变形观测主要包括：塔柱顶部水平位移监测、塔柱整体倾斜观测、塔柱周日变形观测、塔柱体挠度观测、塔柱体伸缩量观测。（3）桥面挠度观测桥面挠度是指桥面沿轴线的垂直位移情况。桥面在外界荷载的作用下将发生变形，使桥梁的实际线形与设计线形产生差异，从而影响桥梁的内部应力状态。（4）桥面水平位移观测桥面水平位移主要是指垂直于桥轴线方向的水平位移。桥梁水平位移主要由基础的位移、倾斜以及外界荷载(风．日照、车辆等)等引起，对于大路径的斜拉桥和悬索桥，风荷载可使桥面产生大幅度的摆动，这对桥梁的安全运营十分不利。桥梁工程的主要监测项目如下：（1）塔柱变形：基础沉降、倾斜、周日变形、压缩、膨胀。（2）结构应力／应变监测。（3）结构温度监测。（4）桥面线形监测。（5）结构震动监测。（6）索力监测。（7）环境监测(风、气温、地震、车流量、流速等）。（8）河床变化监测。变形监测的精度,不同目的的变形监测精度要求不同5、变形观测的周期变形观测的时间间隔称为观测周期，即在一定的时间内完成一个周期的测量工作。观测周期与工程的大小、测点所在位置的重要性、观测目的以及观测一次所需时间的长短有关。确定变形观测的周期原则:应以能系统反映所测变形的变化过程且不遗漏其变化时刻为原则。一般可按荷载的变化或变形的速度来确定。在工程建筑物建成初期，变形速度较快，观测周期应多一些，随着建筑物趋向稳定，可以减少观测次数，但仍应坚持长期观测，以便能发现异常变化。对于周期件的变形，在一个变形周期内至少应观测两次。（以大坝为例的观测周期如下，其它工程以规范为准）15.2变形监测系统设计一、变形监测系统设计的原则与内容1设计原则1）针对性；2）完整性；3）先进性；4）可靠性；5）经济性2、设计的主要内容15.3水平位移监测1.建筑物的水平位移是指:建筑物的整体平面移动，其原因主要是基础受到水平应力的影响,如地基处于滑坡地带或受地震的影响。测定平面位置随时间变化的移动量，以监视建筑物的安全或采取加固措施。***其表现形式为在不同时期平面坐标或距离的变化。建筑物水平位移观测是测定建筑物在平面位置上随时间变化的移动量***水平位移观测的方法常规的有:地面控制测量方法，如导线测量、前方交会法等；也有各专用方法，如基准线法，正、倒垂线法等。对于各种不同的方法，其测点与工作基点及其标志布设都有专门的要求。通常以测量规范为准.测角前方交会在变形点上不便于架设仪器时，多采用这种方法。如图15—4所示，A、B为平面基准点，p为变形点，由于A、B的坐标为已知，在观测了水平角α、β后，即可依下式求算p点的坐标。——测角中误差；D——两已知点间的距离；——206265″。采用这种方法时，交会角宜在60°至120°之间，以保证交会精度。cotcotcotcotcotcotcotcotBABApBABApxxyyyyyxxx)(sinsinsin222Dmmpm后方交会如果变形点上可以架设仪器，且与三个平面基准点通视时，可采用这种方法。如图15－5所示，A、B、C为平面基准点，p为变形点，当观测了水平角α、β后，即可依公式15—3计算p点坐标。BpBBpBpBBpBpxKyyyyKKbaxxxx21cot)()(BABAyyxxacot)()(BABAxxyybcot)()(BCBCyyxxccot)()(BCBCxxyyddbcak22222)]sin(sinsin[bacaBCcABpDDDDDDDmm采用这种方法时，需注意p点不能与A、B、C在同一圆周上，否则无定解。极坐标法在光电测距仪出现以后，这种方法用得比较广泛，只要在变形点上可以安置反光镜，且与基准点通视即可。如图15—6所示，A、B为基准点，其坐标已知，p为变形点，当测出α及d以后，即可据以求出p点的坐标，由于计算方法简单，不再进行说明。点位中误差的估算公式为：22)(DmmmDp导线法当相邻的变形点间可以通视，且在变形点上可以安置仪器进行测角、测距时，可采用这种方法。通过各次观测所得的坐标值进行比较，便可得出点位位移的大小和方向。这种方法多用于非直线型建筑物的水平位移观测，如对弧形拱坝和曲线桥的水平位移观测。4．引张线法引张线法是利用一根在两端拉紧的钢丝(或高强度的尼龙丝)所建立的基准面来测定偏移值的方法。由于钢丝被固定在两端的工作基点上，观测点在不同时间相对于钢丝的偏移值之差即是该观测点在垂直于轴线方向上的水平位移量。15.4垂直位移监测建筑物的沉降是指:建筑物及其基础在垂直方向上的变形(也称垂直位移)。***沉降观测就是测定建筑物上所设观测点(沉降点)与基准点(水准点)之间随时间变化的高差变化量。***通常采用进行垂直位移观测时，首先校测工作基点的高程，然后再由工作基点测定各位移标点的高程。将首次测得的位移标点高程与本次测得的高程相比较，其差值即为两次观测时间间隔内位移标点的垂直位移量。按规定垂直位移向下为正，向上为负。观测计算:垂直位移常用的观测方法有：(1)几何水准测量法。利用水准仪和水准尺从水准基点开始测量各点位高程的方法，通过各点位高程变化求得其垂直位移。(2)三角高程测量法。利用三角高程测量原理测定监测点的高程，从而判定该点的变形情况，该法适用于高差较大的场合。(3)液体静力水准法。利用连通管原理测量各点位容器内液面高差以测定各点垂直位移的观测方法，适用于混凝土大坝基础廊道和土石坝表面垂直位移观测。(4)GPS观测法。利用GPS可以测量出各监测点的三维坐标，从而也可测量监测点的垂直位移。1、几何水准测量法水准测量作业应按照国家规范的具体要求严格执行。仪器校验；应按照规范要求的观测程序和限差要求进行观测和检验。在水难测量作业过程中，还应注意以下几个问题：（1）三等以上水准测量应往返观测，其观测顺序为：往测；奇数站，后一前一前一后；偶数站，前一后一后—前。返测：奇数站，前一后一后一前；偶数站，后一前一前一后。（2）三等水准若为附合线路可以采用单程测量，支线必须进行往返观测。（3）自动安平水准仪作业时，水准器应严格校正，并经常检查其性能。（4）由往测转向返测时，两水准尺必须位置互换并重新整平仪器。（5）每测段的往返测的测站数均应为偶数。（6）应选气象条件良好的状态下进行水准测量。水准测量精度2、三角高程测量15.5挠度与裂缝观测1、挠度观测挠度观测是：测定建筑物受力后挠曲程度。观测方法是测定建筑物在铅垂面内各不同高程点相对于底部的水平位移值。测量方法：A、对高层建筑物，通常采用前方交会法测定。B、对内部有竖直通道的建筑物，挠度观测多采用垂线观测，即从建筑物顶部附近悬挂一根不锈钢丝，下挂重锤，直到建筑物底部。在建筑物不同高程上设置观测点，以坐标仪定期测出各点相对于垂线最低点的位移，比较不同周期的观测成果，即可求得建筑物的挠度值。C、如果采用电子传感设备，可将观测点相对于垂线的微小位移变换成电感输出，经放大后出电桥测定并显示各点的挠度值。2、裂缝观测对建筑物产生的裂缝要进行位置、长度、宽度、深度和错距等的定期观测。常可分为以下两类：（1）土工建筑物裂缝观测对于表面裂缝．可对全部裂缝或若干主要裂缝区的裂缝进行观测。在观测范围内，以土坝、土堤等建筑物的轴线为基准线，可按堤坝桩号和距轴线的距离，画出坐标方格，逐格量测缝的分布位置和沿走向的长度，裂缝宽度可在两侧设带钉头的小木桩作标点进行量测。裂缝错距可用刻度尺直接员测。裂缝深度，可选定若干适当位置，进行坑探、槽探或井探。探测前，最好从缝口灌入石灰水，以便观察缝迹。