隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，高層建筑向著更高、更柔的方向發(fā)展，高層建筑結(jié)構(gòu)的基階自振頻率愈加接近強風的卓越頻率，對風荷載極其敏感。在高層建筑施工過程中，隨著高度的不斷增大，建筑結(jié)構(gòu)容易受到風力、溫差和塔吊動荷載等不利影響，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的水平變形。過大的水平變形，會使得設備無法安裝。尤其是電梯當水平變形超過電梯的容許值時，電梯設備將無法安裝或是正常運行。因此，探討超高層建筑在施工過程中的水平位移和結(jié)構(gòu)動力特性的變化，對于結(jié)構(gòu)施工安全評估具有重要的意義。

GPS定位技術(shù)是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)相對定位技術(shù)，能夠?qū)崟r測出測站點的三維定位坐標。GPS能夠在臺風、大霧、暴風雨等惡劣環(huán)境中全天候使用，能夠直接測定監(jiān)測點的三維坐標值，自動化程度高，多個不同監(jiān)測點能夠同步測量等諸多優(yōu)點；但是GPS對測站點的周邊通視要求比較高，基準站和流動站之間不得有高層建筑、玻璃幕墻、大面積水域等信號反射物，在處理GPS測量數(shù)據(jù)時，還會出現(xiàn)周跳的探測、整周模糊度求解等現(xiàn)象。本文以某超限高層建筑為研究背景，使用GPS測量系統(tǒng)結(jié)合全站儀對其在施工期間的樓層水平進行實時監(jiān)測，對其在施工期間部分監(jiān)測點進行了長時間的動態(tài)位移監(jiān)測，以識別此在建高層建筑在施工過程中結(jié)構(gòu)的動力特性。

2.1 GPS測量系統(tǒng)

為了實測施工期間塔樓頂部的位移，通過兩臺高采樣頻率的Leica雙頻GPS接收機，安裝在施工期間塔樓主體結(jié)構(gòu)頂部，作為流動站如圖1，并在附近開闊地帶安裝一臺Leica雙頻接收機，作為基準站，如圖2所示。

在高層建筑施工過程中，全站儀位移測量結(jié)果使用的坐標體系一般采用當?shù)氐拇蟮刈鴺梭w系，而目前GPS接收機獲取的坐標為WGS-84大地坐標系是國際通用的協(xié)議地球坐標系。為了使用的方便以及與全站儀位移測量數(shù)據(jù)相互校對，需將WGS-84坐標系統(tǒng)測量成果轉(zhuǎn)換成當?shù)氐拇蟮刈鴺讼到y(tǒng)。

2.2 全站儀

另一方面對施工期除頂部樓層外的其他樓層監(jiān)測采用Leica全站儀。該款測量機器人是世界上最先進，最精密的測量儀器之一，測角精度0.5″，測距精度0.6mm+1ppm。具有自動識別、自動跟蹤和連續(xù)自動觀測的特點。圖3為全站儀水平位移監(jiān)測點示意圖。

圖3  施工期全站儀監(jiān)測點示意圖

3.1 GPS位移時程

GPS采樣頻率為5Hz，三臺GPS同時進行監(jiān)測，其中2臺流動站安裝在施工過程中主體結(jié)構(gòu)樓層頂部，1臺作為基準站放置在附近開闊地帶等靜止地面。GPS測試從上午10點半到次日下午14點半，共約28小時。

采集得到的GPS位移原始數(shù)據(jù)，采用Leica Spider軟件反演解算，再通過自編的MATLAB程序轉(zhuǎn)換成當?shù)氐淖鴺梭w系，以便能夠和全站儀測量數(shù)據(jù)相互核對，再轉(zhuǎn)換成與主體結(jié)構(gòu)兩個主軸方向一致的位移分量。

取其28小時中某一時段時間約25分鐘（白天）的GPS信號，得到施工期間樓層頂部兩臺GPS的X（南北方向）、Y（東西方向）兩個方向的位移時程曲線。其中GPS1號機測量得到的兩方向位移時程曲線如圖4所示，X方向水平位移變化在±5cm左右，Y方向位移變化在±3cm左右；GPS2號機得到的結(jié)果如圖5所示，X方向位移變化在±10cm左右，Y方向位移變化在±4cm左右。

圖4  GPS1兩方向位移變化時程

3.2全站儀位移時程

圖7  y方向位移時程

通過變換處理，將GPS信號數(shù)據(jù)經(jīng)過經(jīng)驗模態(tài)處理后，除去其位移趨勢項，再把其余IMF分量中其瞬時頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率相近的信號加以疊加，得出上述兩個時間段內(nèi)的動位移時程，圖8是GPS1測試點的動位移時程曲線，x方向水平動位移在±2cm之內(nèi)，y方向動位移在±2cm之內(nèi)；圖9是GPS2測試點的動位移時程曲線，x方向動位移在±6cm之內(nèi)，y方向動位移在±3cm之內(nèi)。由圖8~9可以看出，原有GPS測量信號經(jīng)過EMD分解后處理后，得到的動位移信號大致能反映建筑物在施工期的動力特征變化情況。

圖8   GPS1兩方向動位移時程

4.2 兩類儀器所測的水平位移功率譜密度分析

4.2.1全站儀實測數(shù)據(jù)功率譜分析

4.2.2  GPS實測位移經(jīng)處理后的水平動位移功率譜分析

首先將兩個流動站GPS1和GPS2實測數(shù)據(jù)，通過leica spider軟件解算后，再經(jīng)過模態(tài)分解，再把瞬時頻率與與施工期間塔樓自振頻率接近的部分IMF分量進行疊加，得到其動位移時程，再進行功率譜（PSD）分析得到流動站GPS1和GPS2水平動位移的功率譜圖。

表1 不同測試儀器識別結(jié)構(gòu)自振頻率（Hz）

1）運用GPS系統(tǒng)和全站儀測量系統(tǒng)，可以全天候自動對施工中的超高層建筑進行水平位移監(jiān)測，對施工期超高層建筑的位移監(jiān)測具有重要意義。

2）使用兩類不同位移測試儀器（全站儀和GPS）進行的位移監(jiān)測結(jié)果，經(jīng)過EMD處理后得到的動位移時程進行的功率譜分析，辨識得到的結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的自振頻率十分接近，驗證了這兩種不同測試方法在超高層建筑施工過程中，對結(jié)構(gòu)動力特性的識別結(jié)果是正確和有效的。

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