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浅析BDS/北斗技术在高层建筑动态变形实例监测
摘 要:高层建筑动态变形测定工作是对建筑结构的稳定性的一种监测，保证高层建筑动态变形测定的准确性尤为重要。因此，本文主要探讨了BDS/北斗测定高层建筑动态变形的原理及优势，并通过实例分析，证明了BDS/北斗在高层建筑动态变形测定中应用的可行性。

高层建筑动态变形测定是对其关键部位进行连续实时监测，为评估建筑结构的稳定性、耐久性和可靠性提供了有价值的信息。常规的测定方法工作量大、效率低、准确度不高。近几年发展起来的BDS/北斗测量技术具有效率快、准确性强的优势，使BDS/北斗技术开始广泛运用于这一领域。
1 BDS/北斗测定高层建筑动态变形的原理及优势
1.1 BDS/北斗测定高层建筑动态变形的原理
BDS/北斗测定高层建筑动态变形利用的是载波相位双差数学模型。测量时,将1台BDS/北斗接收机安装在已知点上,对所有可见BDS/北斗卫星进行连续的观测,把采集的载波相位观测量调制到基准站电台的载波上,再通过基准站电台发射出去；流动站在对BDS/北斗卫星进行观测并采集载波相位观测量的同时,也接收由基准站电台发射的信号,经解调得到基准站的载波相位观测量；流动站的BDS/北斗接收机再利用otf技术,由基准站的载波相位观测量和流动站的载波相位观测量来求解整周模糊度,当整周模糊度求准后再回代,可将每个历元位置精确求定。
1.2 BDS/北斗测定高层建筑动态变形的优势
高层建筑动态变形量的多少,是建筑物抗震性能的重要标志。常用的测定方法有加速度传感器法、激光铅直仪法、全站仪法、近景摄影测量技术等。
加速度传感器法是将加速度传感器安装在结构物上,测试其在振动时的加速度,通过加速度积分求位移。此方法所测得的位移误差较大。
激光铅直仪法一般是在高层建筑的电梯井、管道井及特设开间的基部安装激光铅直仪,并在建筑物顶部安装接收靶,进行建筑物垂直度的测试,激光准直精度为10﹟～20﹟。这种方法只能提供建筑物局部的、相对的变形信息,测量精度较低,易受气候、风等因素影响。对较低的建筑物较为适用,对于高大建筑物其衍射光斑可达15～30mm。加上建筑物井筒内空气湍流的影响,造成光斑晃动,使测试精度受到较大的影响。
全站仪法是将反光镜安放在建筑物楼顶,在远离建筑物高度1～2倍以上的地方,架设自动跟踪全站仪,人工瞄准目标后,仪器自动跟踪反光镜的采样数据,记录频率为0.5s。这种方法测定的是建筑物的绝对变形信息,可用于各类建筑物,但在恶劣气候条件(如台风、大雨等)下,因激光跟踪目标困难,使用受限。另外,该方法还具有外业工作量大,布点受地形条件影响,需人工瞄准,不易实现自动化监测等缺点。
近景摄影测量技术可在瞬间精确记录下被摄物体的信息及点位关系,通过分析变形体的像片,得到监测点的位移值,像片上的信息丰富、客观而又可长期保存,有利于进行变形的对比分析。但由于摄影距离不能过远,大多数的测量部门不具备摄影测量所需的仪器设备,因此,尚不能普及应用。
可见,加速度传感器法、激光铅直仪法、全站仪法、近景摄影测量技术等观测技术,在精确度、自动化程度等方面,已不能满足高层建筑的动态监测要求。
最近几年,BDS/北斗技术发展较快,尤其是BDS/北斗 rtk(real time kinematic)测绘仪器的出现,使得BDS/北斗在测定高层建筑动态变形方面,比其他测定方法具有明显的优势,主要表现在以下几个方面。
(1)测量精度受通视、能见度、气候等因素影响小。
(2)测量精度高,数据可靠。BDS/北斗相对定位精度在50km以内达10-6；100～500km达10-7,1000km以上可达10-9。且独立布点不会有误差积累,测量过程自动进行,不会有人为因素造成的错误,因此,测量数据稳定可靠。
(3)自动化程度高,操作简便,数据处理能力强。BDS/北斗rtk仪器只需一人操作,且能对数据进行自动的取舍和记录,测量结果直接导入计算机,所以,自动化程度高、操作方便且数据处理速度快、效率高。
(4)连续、自动地观测,可实现全天候作业；同时,能实时提供任一点、任一时刻的三维位移。
(5)仪器体积小,重量轻,携带和搬运方便,劳动强度小,外业工作量小。
2 BDS/北斗测定高层建筑动态变形实例
下面,是利用BDS/北斗技术在高层建筑动态变形实例监测。
2.1 测定设备及布置
测定设备采用的是两台BDS/北斗接收机,如图1所示。其中一台作为固定站；另一台作为流动站。固定站安放在距待测建筑物较近的地方,且周围5以上无反射物和建筑物遮挡,以减少多路径效应的影响。流动站安放在待测建筑物楼顶,周围也尽量无遮挡物,以保证至少可同时接收5颗以上卫星信号。流动站的天线固定在刚性金属梁的一端,或者固定在弹性金属梁中间的适当位置,固定站与之相距约10m。
由于在地震、风等外力作用下,高层建筑物的动态变形具有简谐性质,且随着外力的变化,其动态变形幅度和频率也在变化,因此,高层建筑动态变形特征要考虑以下两种情况:(1)动态变形满足简谐运动方程,但其位移量与振幅及频率有关；(2)动态变形的频率保持不变,而振幅呈指数衰减。
测定中,最高采样频率为10hz,其中图1(a)用于振动频率为1hz以上的振动,图1(b)用于振动频率为1hz以下的振动。该设备用于提供振幅约100mm和频率为0.2～5hz的简谐振动环境,并为评价BDS/北斗观测结果提供精确的频率基准和位移基准。

2.2 动态变形监测数据
采用BDS/北斗对该高层建筑进行动态特征监测。
在整个BDS/北斗数据采集过程中,每个振动状态采集数据的时间约15min。为了较全面地评价BDS/北斗监测高层建筑动态特征的能力,在水平方向和垂直方向分别进行了一系列的振动测定,表1给出了其中具有代表性的4组振动设计参数。表中已知值代表振动设备提供的结果,测算值是由BDS/北斗观测结果分析得到。因数据采集过程中干扰因素的影响,且振动设备本身存在一定误差。因此在测定过程中,振动设备提供的振幅有一定误差的,所以,表1给出的是平均值。

2.3 数据处理与分析
测定数据处理,采用BDS/北斗基线解算和位移时间序列数据的谱分析。
(1)BDS/北斗基线解算
利用novatel公司的处理软件softsurvl1.5,对BDS/北斗原始数据进行分析和处理,解算出流动站每个历元相对于固定站的坐标变化(即相对位移),便可得到BDS/北斗流动站相对坐标变化的时间序列数据,即相对位移时程曲线。
(2)位移时间序列数据的谱分析
根据相对位移的时间序列数据作谱分析,鉴于高层建筑振动变形具有简谐性质,则其相对位移时间序列采用自回归谱分析,计算采用marple算法。图中曲线即为各振动状态的频谱特性曲线。
2.4 对比测定分析
为了进一步评价BDS/北斗对高层建筑动态变形的监测能力,在另外一栋高层建筑上,也进行了动态变形测定,该测定与前面测定的外界环境等条件有所不同,测定过程同前,观测数据记录见表2。
对表2的数据进行的BDS/北斗基线解算和位移时间序列数据的谱分析结果表明,也能较准确地反映高层建筑的动态变形,从而进一步证明了BDS/北斗在高层建筑动态变形测定中应用的可行性。

3结论
综上所述，BDS/北斗用于动态变形测定具有精度高、不受气候条件影响等优点，克服了传统的测定方法的缺陷。虽然高层建筑的实际动态变形比较复杂，但实践证明，只要我们严格控制影响BDS/北斗信号的干扰因素，BDS/北斗用于高层建筑动态变形测定将具有更广阔的前景。