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RTK-GPS在广州新电视塔变形监测中的应用研究
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内容提示：本文以在建的广州新电视塔(塔高610m)为研究背景,利用RTK-GPS测量技术和高精度全站仪对其施工进行了全程日照变形监测。分析表明,当一天内的环境温度变化较大时,塔体的水平位移明显增大;随着电视塔高度的增加,塔体变形也相应增大;核心筒和钢结构的位移变形趋势基本一致等。观测结果验证了监测方案的合理性,对超高层建筑施工安全、施工验收和相应规范的改进具有重要的参考指导作用。
高耸结构在强风、地震和温度变化作用下,容易产生过大的变形,从而危及结构安全。日照变形是超高层结构常见的变形形式之一,是评价结构健康状况的重要参数,在施工和运营阶段均需进行变形监测。本文以在建的广州新电视塔(塔高610m)为研究背景,利用RTK-GPS测量技术和高精度全站仪对其施工进行了全程日照变形监测。分析表明,当一天内的环境温度变化较大时,塔体的水平位移明显增大;随着电视塔高度的增加,塔体变形也相应增大;核心筒和钢结构的位移变形趋势基本一致等。观测结果验证了监测方案的合理性,对超高层建筑施工安全、施工验收和相应规范的改进具有重要的参考指导作用。（参考《建筑中文网》）
近年来，我国土木建筑快速发展，设计和兴建了大量的高层建筑、电视塔和大跨度桥梁等高耸结构物。例如广州中信广场高 391m，上海环球金融中心高 492m，广州国际金融中心 (广州西塔) 建筑高度 437. 5m，上海中心大厦设计高度 632m 等。在强风、地震和温度变化作用下，高耸结构容易产生过大的变形，从而危及结构安全。超高层建筑在安全、环保、节能等方面均面临很多问题。2007 年8 月 4 日，在建的上海环球金融中心 ( 高 423. 8m)发生火灾事故，2009 年 2 月 9 日晚央视新大楼 (高234m) 发生大火等，再次引发了人们对超高层建筑公共安全的关注。对高耸结构进行实时监测和诊断，及时发现结构损伤，对可能出现的灾害进行预测，被证明是有效的方法。日照变形是超高层结构常见的变形形式之一，是评价结构健康状况的重要参数。对日照变形进行监测，其目的在于掌握超高层结构的几何变化，研究日照变形与环境变化 (如风力和温度) 的关系。目前，对于高耸结构日照变形规律的研究，大多为定性描述，在施工期间进行全程监测的研究比较少［1 ～4］。本文以在建的总高610m 的广州新电视塔为背景，采用 RTK-GPS 技术和高精度全站仪对其日照变形进行监测，研究了广州新电视塔在日照作用下的变形规律，观测结果验证了监测采用仪器精度、方法等的合理性，对超高层建筑施工安全、施工验收和相应规范的改进具有参考指导作用。
1 变形监测方案
广州新电视塔为广州又一标志性建筑，主塔高454m，顶部天线桅杆 156m，总高度 610m，为目前世界之最。新电视塔的建筑结构是由一个向上旋转的椭圆形钢外壳变化生成，相对于塔的顶、底部，其腰部纤细。结构采用筒中筒结构，通过其外部的钢斜柱、斜撑、环梁和内部的钢筋混凝土筒充分展现了建筑所要表达的建筑造型。钢结构外筒是结构主要的垂直承重及抗侧力构件，包括三种类型的构件: 立柱，环梁和斜撑。外筒共有 24 根柱，由地下二层柱定位点沿直线至塔体顶部相应的柱定位点，全部采用钢管混凝土组合柱。新电视塔具有结构超高、形体奇特和结构复杂的特点，进行建造过程的施工监控与运营期间的健康监测具有十分重要的意义，而日照变形监测正是监测内容的重要组成部分之一。为保证新电视塔在施工阶段及竣工后结构的各种工作状态满足设计要求，评价其安全性能，并对其在施工期间和运营阶段结构是否受到损伤，以及损伤的程度进行监测，需要建立一套完整的结构健康监测系统，进行实时在线监测。由于塔的施工主要是靠装配在核心筒顶部的两台塔吊来进行的，过大的顶部侧向变形会造成不利的施工荷载，也严重影响外筒钢结构吊装的精度。因此，为确保塔体的水平位移在规范要求的范围内，同时指导施工，设计要求在电视塔施工过程中，进行全程日照变形监测。日照变形监测方案: ①在电视塔结构施工期间，采用徕卡 TCA1800 全站仪进行观测。
根据施工进度，监测频率为 1 月 /次。首先在地面上设置一个强制对中的观测墩，使得每次观测的数据具有可比性，且减少日照对全站仪的测站点的温度影响，并于离测站点约 300m 处选择一个固定点作为后视点; 其次，在接近塔顶处设置变形监测点，监测点位置处固定一个圆棱镜 (如图 1 所示);每次监测均从早晨 6 时开始，每小时测量一次，直到太阳落山后变形回复到原始位置时结束观测，同时用温度计测量监测点层高处东南西北四个方向的砼表 面 温 度。② 电 视 塔 主 体 结 构 封 顶 后，采 用RTK-GPS 技术进行观测。核心筒封顶后，由于高度和施工影响，利用全站仪无法观测到核心筒顶部的变形情况，采用 2 台高采样率徕卡双频 GX1230GG型 GPS 接收机进行观测。监测点 (流动站) 布置在塔顶最高点，参考站布置在地面广场强制对中控制点上。
2 变形监测精度分析
2. 1 RTK-GPS 动态定位精度分析［5］
RTK 是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS 测量，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的厘米级精度的三维定位结果。
RTK 测量的误差分为同测站有关的误差和同距离有关的误差。同测站有关的误差包括天线相位中心变化、多路径误差、信号干扰和气象因素影响等，其中多路径误差是 RTK 定位测量中最严重的误差。多路径误差主要取决于 GPS 接收机天线周围的环境，若天线周围有高大建筑物或大面积水面时，将对电磁波有强反射作用。通常情况下，多径误差为 1 ～ 5cm。广州新电视塔核心筒封顶后高达454m，GPS 观测点设在核心筒最顶部强制对中点上，除施工塔吊外，周围没有其他影响因素，接收信号良好，可以忽略多路径影响误差。同距离有关的误差包括轨道误差、电离层误差和对流层误差。目前轨道误差只有几米，其残余的相对误差约为1ppm，在进行 GPS-RTK 观测时，基准站与流动站距离小于 1km，其影响可忽略不计。电离层误差同太阳黑子活动密切相关，一般情况下，其影响小于5ppm，对流层误差同点间距离高差有关，一般影响在 3ppm 以内。
广州新电视塔监测采用徕卡双频 GX1230GG 型GPS 接收机进行观测，其动态测量双频观测精度可达到平面 5mm + 0. 5ppm × D，高程 10mm + 1ppm ×D。观测时，参考站布置在地面广场强制对中点上，观测条件较好，四周无遮挡，可认为基本无多路径效应影响，流动站布置在塔顶最高点。根据 2009年 12 月 3 ～ 4 日 GPS-RTK24 h 观测结果，其 X 方向中误差的平均值为 ± 8. 0mm，Y 方向中误差的平均值为 ± 7. 3mm，表 明 GPS-RTK 的 观 测 精 度 小 于1cm，满足电视塔监测技术要求。
2. 2 全站仪坐标测量精度分析［6］
广州新电视塔监测采用徕卡 TCA1800 型精密全站仪，其测角精度为 ± 1″，测距精度为 ± (1 + 1 ×10-6·S)mm，补偿器精度为 ± 0. 3″，当取距离最大为 500m，竖直角最大为 20°，观测一测回，代入测量学 公 式 计 算 得 出: MXY = ± 3. 71mm， 表 明TCA1800 的观测精度小于 1cm，满足电视塔监测技术要求。
3 监测数据处理与分析
3. 1 施工期间核心筒日照变形监测结果分析
新电视塔施工期间，采用全站仪进行了全程日照变形监测，监测期为 2007 年 10 月至 2008 年 8月，每月进行 1 次日照变形观测，具体观测结果见表 1 (表 1 中大气温差为测量期间最高气温与最低气温之差，最低气温都是测量开始时刻的气温。相对水平位移为一天中观测点的位置相对于测量开始时刻的位置)。由表 1 可知，随着施工高度增加，其最大的相对水平位移也逐渐增大，且大气温差变化大的时候，其相对水平位移也增大。
根据结构力学知识［7］，悬臂梁的截面受均匀温度变化时的侧向位移用公式 (1) 表示:
式 (1) 中，w 为侧向位移，α 为材料线膨胀系数，ΔT 为梁两侧温度差，L 为梁长度，H 为梁截面高度。虽然电视塔核心筒可以简化为一根悬臂梁，但由于外筒的存在，极大地减少了电视塔的水平位移，另外核心筒截面温度变化也不是线性的，所以不能直接应用式 (1) 计算电视塔的水平位移。尽管如此，式 (1) 表明像电视塔这样一个近似悬臂结构的变形应该与温差和高度的平方成正比。因此这里假设电视塔的最大水平位移可以用式 (2)来表示:
式 (2) 中，Δt 为测量期间的大气温差，a、b、c、d 为系数。运用线性回归理论可以得到四个系数，从而电视塔的最大水平位移近似为:
(3)
式 (3) 中各变量单位同表 1，线性相关系数高达 0. 95。将表 1 各变量代入式 (3)，计算出电视塔的最大水平位移值，并与实测值比较，见图 2(折线为式 (3) 计算值，* 、Δ 为监测单位和
近年来，我国土木建筑快速发展，设计和兴建了大量的高层建筑、电视塔和大跨度桥梁等高耸结构物。例如广州中信广场高 391m，上海环球金融中心高 492m，广州国际金融中心 (广州西塔) 建筑高度 437. 5m，上海中心大厦设计高度 632m 等。在强风、地震和温度变化作用下，高耸结构容易产生过大的变形，从而危及结构安全。超高层建筑在安全、环保、节能等方面均面临很多问题。2007 年8 月 4 日，在建的上海环球金融中心 ( 高 423. 8m)发生火灾事故，2009 年 2 月 9 日晚央视新大楼 (高234m) 发生大火等，再次引发了人们对超高层建筑公共安全的关注。对高耸结构进行实时监测和诊断，及时发现结构损伤，对可能出现的灾害进行预测，被证明是有效的方法。日照变形是超高层结构常见的变形形式之一，是评价结构健康状况的重要参数。对日照变形进行监测，其目的在于掌握超高层结构的几何变化，研究日照变形与环境变化 (如风力和温度) 的关系。目前，对于高耸结构日照变形规律的研究，大多为定性描述，在施工期间进行全程监测的研究比较少［1 ～4］。本文以在建的总高610m 的广州新电视塔为背景，采用 RTK-GPS 技术和高精度全站仪对其日照变形进行监测，研究了广州新电视塔在日照作用下的变形规律，观测结果验证了监测采用仪器精度、方法等的合理性，对超高层建筑施工安全、施工验收和相应规范的改进具有参考指导作用。
1 变形监测方案
广州新电视塔为广州又一标志性建筑，主塔高454m，顶部天线桅杆 156m，总高度 610m，为目前世界之最。新电视塔的建筑结构是由一个向上旋转的椭圆形钢外壳变化生成，相对于塔的顶、底部，其腰部纤细。结构采用筒中筒结构，通过其外部的钢斜柱、斜撑、环梁和内部的钢筋混凝土筒充分展现了建筑所要表达的建筑造型。钢结构外筒是结构主要的垂直承重及抗侧力构件，包括三种类型的构件: 立柱，环梁和斜撑。外筒共有 24 根柱，由地下二层柱定位点沿直线至塔体顶部相应的柱定位点，全部采用钢管混凝土组合柱。新电视塔具有结构超高、形体奇特和结构复杂的特点，进行建造过程的施工监控与运营期间的健康监测具有十分重要的意义，而日照变形监测正是监测内容的重要组成部分之一。为保证新电视塔在施工阶段及竣工后结构的各种工作状态满足设计要求，评价其安全性能，并对其在施工期间和运营阶段结构是否受到损伤，以及损伤的程度进行监测，需要建立一套完整的结构健康监测系统，进行实时在线监测。由于塔的施工主要是靠装配在核心筒顶部的两台塔吊来进行的，过大的顶部侧向变形会造成不利的施工荷载，也严重影响外筒钢结构吊装的精度。因此，为确保塔体的水平位移在规范要求的范围内，同时指导施工，设计要求在电视塔施工过程中，进行全程日照变形监测。日照变形监测方案: ①在电视塔结构施工期间，采用徕卡 TCA1800 全站仪进行观测。
根据施工进度，监测频率为 1 月 /次。首先在地面上设置一个强制对中的观测墩，使得每次观测的数据具有可比性，且减少日照对全站仪的测站点的温度影响，并于离测站点约 300m 处选择一个固定点作为后视点; 其次，在接近塔顶处设置变形监测点，监测点位置处固定一个圆棱镜 (如图 1 所示);每次监测均从早晨 6 时开始，每小时测量一次，直到太阳落山后变形回复到原始位置时结束观测，同时用温度计测量监测点层高处东南西北四个方向的砼表 面 温 度。② 电 视 塔 主 体 结 构 封 顶 后，采 用RTK-GPS 技术进行观测。核心筒封顶后，由于高度和施工影响，利用全站仪无法观测到核心筒顶部的变形情况，采用 2 台高采样率徕卡双频 GX1230GG型 GPS 接收机进行观测。监测点 (流动站) 布置在塔顶最高点，参考站布置在地面广场强制对中控制点上。
2 变形监测精度分析
2. 1 RTK-GPS 动态定位精度分析［5］
RTK 是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS 测量，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的厘米级精度的三维定位结果。
RTK 测量的误差分为同测站有关的误差和同距离有关的误差。同测站有关的误差包括天线相位中心变化、多路径误差、信号干扰和气象因素影响等，其中多路径误差是 RTK 定位测量中最严重的误差。多路径误差主要取决于 GPS 接收机天线周围的环境，若天线周围有高大建筑物或大面积水面时，将对电磁波有强反射作用。通常情况下，多径误差为 1 ～ 5cm。广州新电视塔核心筒封顶后高达454m，GPS 观测点设在核心筒最顶部强制对中点上，除施工塔吊外，周围没有其他影响因素，接收信号良好，可以忽略多路径影响误差。同距离有关的误差包括轨道误差、电离层误差和对流层误差。目前轨道误差只有几米，其残余的相对误差约为1ppm，在进行 GPS-RTK 观测时，基准站与流动站距离小于 1km，其影响可忽略不计。电离层误差同太阳黑子活动密切相关，一般情况下，其影响小于5ppm，对流层误差同点间距离高差有关，一般影响在 3ppm 以内。
广州新电视塔监测采用徕卡双频 GX1230GG 型GPS 接收机进行观测，其动态测量双频观测精度可达到平面 5mm + 0. 5ppm × D，高程 10mm + 1ppm ×D。观测时，参考站布置在地面广场强制对中点上，观测条件较好，四周无遮挡，可认为基本无多路径效应影响，流动站布置在塔顶最高点。根据 2009年 12 月 3 ～ 4 日 GPS-RTK24 h 观测结果，其 X 方向中误差的平均值为 ± 8. 0mm，Y 方向中误差的平均值为 ± 7. 3mm，表 明 GPS-RTK 的 观 测 精 度 小 于1cm，满足电视塔监测技术要求。
2. 2 全站仪坐标测量精度分析［6］
广州新电视塔监测采用徕卡 TCA1800 型精密全站仪，其测角精度为 ± 1″，测距精度为 ± (1 + 1 ×10-6·S)mm，补偿器精度为 ± 0. 3″，当取距离最大为 500m，竖直角最大为 20°，观测一测回，代入测量学 公 式 计 算 得 出: MXY = ± 3. 71mm， 表 明TCA1800 的观测精度小于 1cm，满足电视塔监测技术要求。
3 监测数据处理与分析
3. 1 施工期间核心筒日照变形监测结果分析
新电视塔施工期间，采用全站仪进行了全程日照变形监测，监测期为 2007 年 10 月至 2008 年 8月，每月进行 1 次日照变形观测，具体观测结果见表 1 (表 1 中大气温差为测量期间最高气温与最低气温之差，最低气温都是测量开始时刻的气温。相对水平位移为一天中观测点的位置相对于测量开始时刻的位置)。由表 1 可知，随着施工高度增加，其最大的相对水平位移也逐渐增大，且大气温差变化大的时候，其相对水平位移也增大。
根据结构力学知识［7］，悬臂梁的截面受均匀温度变化时的侧向位移用公式 (1) 表示:
式 (1) 中，w 为侧向位移，α 为材料线膨胀系数，ΔT 为梁两侧温度差，L 为梁长度，H 为梁截面高度。虽然电视塔核心筒可以简化为一根悬臂梁，但由于外筒的存在，极大地减少了电视塔的水平位移，另外核心筒截面温度变化也不是线性的，所以不能直接应用式 (1) 计算电视塔的水平位移。尽管如此，式 (1) 表明像电视塔这样一个近似悬臂结构的变形应该与温差和高度的平方成正比。因此这里假设电视塔的最大水平位移可以用式 (2)来表示:
式 (2) 中，Δt 为测量期间的大气温差，a、b、c、d 为系数。运用线性回归理论可以得到四个系数，从而电视塔的最大水平位移近似为:
(3)式 (3) 中各变量单位同表 1，线性相关系数高达 0. 95。将表 1 各变量代入式 (3)，计算出电视塔的最大水平位移值，并与实测值比较，见图 2(折线为式 (3) 计算值，* 、Δ 为监测单位和
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201101/14740.htm
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