2022年测量学在工程建筑中的应用 .pdf

测量学在工程建筑中的应用1 控制测量控制测量是施工的基础， 对建筑物的控制测量一般布设成方格网形式，为了便于施工，其坐标系采用建筑坐标系，坐标轴平行于建筑物的主轴线。 工程控制网的布设， 一般遵循从整体到局部、分级布网、逐级控制的原则。在工程开始施工前， 首先通过测量把施工图纸上的建筑物在实地进行放样定位以及测定控制高程，为下一步的施工提供基准。这一步工作非常重要，测量精度要求非常高，关系整个工程质量的成败。 假设在这一环节里面出现了过失，那将会造成重大质量事故， 带来的经济损失是无法估量。在施工行业里也发生过类似工程质量事故：图纸上建筑物的正北方向变成了正南方向，事故的处理结果是：把已经建好的房子重新砸掉，再从零开始。可见建筑物的定位测量是多么的重要。在基础施工阶段， 基础桩位的施工更加需要准确的工程测量技术保证。根据施工标准的要求， 承台的桩位的允许偏差值很小。一旦桩位偏差超过标准要求，将会引起原承台设计的变化，从而增加了工程成本。 严重的桩位偏差将会导致桩位作废，需要重新补桩等处理措施，一方面影响了施工的进度，另一方面，改变了原来的受力计算，对建筑物埋下了质量的隐患。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 13 页在土方开挖及底板基础施工过程中，由于设计要求，底板、承台、底梁的土方开挖是要尽量防止挠开工作面以下的土层，因此周密、 细致的测量工作能控制土方开挖的深度及部位，防止超挖及乱挖。 从而能保证垫层及砖胎膜的施工质量，对与采用外防水的工程意义尤为重大。另外垫层及桩头标高控制测量的精度，是保证底板钢筋绑扎是否超高，底板混凝土施工平整度的最有效措施。工程测量在基础施工阶段的另外一个重点是基础墙柱钢筋的定位放线，在这一个环节里面，容不得有半点过失。否则将导致严重的质量事故发生。对于结构复杂，面积较大的工程，只有周密、细致的进行测量放线方能保证墙柱插筋质量，防止偏位、移位等情况的发生。2 工程放样放样是测量工作者把设计的待建建筑物的位置和形状在实地标定出来， 在建筑工程测量中也叫定位。如果设计人员已经给了各建筑物的主要角点坐标，或者给定了一些特征点坐标以及建筑物的形状和大小，测量人员找到与设计同一坐标系的控制点，进行控制测量， 将坐标系统引到待建建筑物的场地附近，采用全站仪的放样功能， 很容易测出待建建筑物的实地位置。测量放样负责人逐一将标注数据与记录结果比照，验证标注数据和所放样点位无误。3 准备工作精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 13 页阅读设计图纸， 校算建筑物轮廓控制点数据和标注尺寸，记录审图结果。 选定测量放样方法并计算放样数据或编写测量放样计算程序、绘制放样草图并由第二者独立校核准备仪器和工具，使用的仪器必须在有效的检定周期内。给仪器充电， 检查仪器常规设置：如单位、坐标方式、补偿方式、棱镜类型、棱镜常数、温度、气压等。使用有内存的全站仪时，可以提前将控制点包括拟用的测站点、 检查点和放样点的坐标数据输入仪器内存并检查。4 极坐标法放点在控制点上架设全站仪并对中整平，初始化后检查仪器设置：气温、气压、棱镜常数；输入调入测站点的三维坐标，量取并输入仪器高，输入调入后视点坐标，照准后视点进行后视。如果后视点上有棱镜，输入棱镜高，可以马上测量后视点的坐标和高程并与已知数据检核。瞄准另一控制点， 检查方位角或坐标；在另一已知高程点上竖棱镜或尺子检查仪器的视线高。利用仪器自身计算功能进行计算时，记录员也应进行相应的对算以检核输入数据的正确性。在各待定测站点上架设脚架和棱镜，量取、记录并输入棱镜高，测量、记录待定点的坐标和高程。以上步骤为测站点的测量。在测站点上按步骤1 安置全站仪， 照准另一立镜测站点检查坐标和高程，记录员根据测站点和拟放样点坐标反算出测站点至放样点的距离和方位角。测量放样负责人逐一将标注数据与记录结果比对，同时检查点位间的几何尺寸关系精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 13 页及与有关结构边线的相对关系尺寸并记录，以验证标注数据和所放样点位无误。填写测量放样交样单。5 误差处理施工放样的成果通常是即刻( 或数小时后 ) 交付使用，往往不能等待再去检查成果的正确性。这就要求放样作业人员在作业中处处要有自我校核条件，以便及时发现错误，及时纠正。尽量防止误差出现一般工程放样的平差工作都是在现场进行的，因此，常将这类在现场消除测量误差的方法统称为现场平差。如在测放一个方向线时，采用正、倒镜定点，而后在现场取两方向线的中点作为最后方向值等方法。 在所有建筑领域中， 对测量放样的精度要求具有严密性和松散性两个方面的特性。严密性指工程建筑物必须保持其构件严密的相互关系，即在放样中具有较大误差时，则会有损于工程质量。松散性指松散的建筑部位，彼此间联系松驰。这类工程部位， 虽在设计图纸上有三维尺寸的规定，但在施工时，可予以不同程度的伸缩， 因其放样后果对工程建设的影响远比严密性的部位要宽松得多。在放样工作中采取适当的措施，使严密区段保证严密性，以满足建筑标准要求， 而将由于控制测量所带来的误差平摊于工程部位松散的区段中，使它对工程质量不产生任何影响，从而到达现场平差的目的。 它和一般平差任务不同之处是：误差并未消除，不过是将其挤放于一个对工程质量不产生影响的区段，而将精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 13 页其“吸收”罢了。可采用以下平差手段到达这一目的：第一，对严密部位， 一般采用本身主轴线为基本控制去进行放样。即不管控制网布设的精度如何，一旦利用其测设主轴线后，该工程部位就以该轴线为基础了，这样就保证了建筑物的相对严密性 ; 第二，所有轴线的测设，应在主轴线的基准上进行，以防止再由控制网测设，而将控制网本身的测设误差带入严密区段; 第三，在施工过程中， 所有轴线的测设定位， 应具有一次性，切忌反复变更造成轴系的混乱。6 复测工作测量复测 ( 检查测量 ) 是保证建筑工程质量必不可少的一项工作。复测的目的是检查建筑物( 构筑物 ) 平面位置和高程数据是否符合设计要求。 以往发生的施工测量事故，大都是无视复测工作所造成的。施工测量人员要对设计图纸上的尺寸进行全面的校核，校对总平面上的建筑物坐标和相关数据，检查平面图和基础图的轴线位置、标高尺寸和符号等是否相符，分段长度是否等于各段长度的总和。矩形建筑物的两对边尺寸是否一致，局部尺寸变更后，是否给其他尺寸带来影响。建筑物定位后， 要根据定位控制桩或龙门桩，复测建筑物角点坐标、平面几何尺寸、标高与设计图纸上的数据是否吻合，是否满足工程精度要求，建筑物的方向是否正确，有无颠倒现象，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 13 页有没有因现场运输车辆将桩碰动，造成位置偏移等现象，发现问题要及时纠正。施工现场引进水准点后，要进行复测并应往返观测两次。测设 0 水准点时， 一定要校核好图纸上每个数据，防止用错高程而造成整栋建筑物高程降低或升高的严重后果。对外业实测记录， 应换另外一名测量员进行全面复核。可用加法复原检查法，利用校对公式或采取其他方法查原始计算项目，发现错误及时解决。 7 建筑标高测量标高是建筑物竖向定位的依据。标高的测量常使用水准仪进行。对于任何一个待测点， 需找到一个已知点才可以测量。对于两点距离较近的情况， 将水准仪架设两点大概的中间，在已知点立好塔尺，水准仪进行读数记录a1，再将塔尺立到待测点上读数记录 b1。假设已知点高程为X，那么待测点高程Y=X+a1-b1。如果距离远的话， 不能一次测出来， 刚说的这个程序为一个测站，Y=X+a1-b1这样算出来的只是转点的高程。同样的程序，同样的算法，直到塔尺立的不是转点，而是待测点的时候，工作就完成了。8 垂直度测量垂直度测量是建筑工程测量的重要组成部分。垂直度测量是指利用仪器在一个测站上完成向上向下作垂直投影或提供一条精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 13 页垂直线，将平面上的坐标， 经过竖向传递， 标定在要求的位置上，保证建筑物的垂直度。 线锤铅直投测法是交为常见也是使用最多的方法。9 变形监测测量 1工程变形监测的基础知识变形监测就是利用专用的仪器和方法对变形体的变形现象进行持续观测、 对变形体变形性态进行分析和变形体变形的发展态势进行预测等的各项工作。其任务是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、 大小、及位置变化的空间状态和时间特征。在精密工程测量中，最具代表性的变形体有大坝、桥梁、高层建筑物、边坡、隧道和地铁等。变形监测的内容， 应根据变形体的性质和地基情况决定。对水利工程建筑物主要观测水平位移、垂直位移、渗透及裂缝观测，这些内容称为外部观测。 为了了解建筑物 ( 如大坝 ) 内部结构的情况，还应对混凝土应力、钢筋应力、温度等进行观测，这些内容常称为内部观测， 在进行变形监测数据处理时，特别是对变形原因做物理解释时，必须将内、外观测资料结合起来进行分析。变形监测的首要目的是要掌握水工建筑物的实际性状，科学、准确、及时的分析和预报水利工程建筑物的变形状况，对水利工程建筑物的施工和运营管理极为重要。变形监测涉及工程测量、工程地质、水文、结构力学、地球物理、电脑科学等诸多学科的知识，它是一项跨学科的研究， 并正向边缘学科的方向发展。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 13 页变形监测工作的意义主要表现在两个方面：首先是掌握水利工程建筑物的稳定性，为安全运行诊断提供必要的信息，以便及时发现问题并采取措施；其次是科学上的意义，包括根本的理解变形的机理， 提高工程设计的理论， 进行反馈设计以及建立有效的变形预报模型。2变形监测数据处理根据变形观测数据绘制变形过程曲线是一种最简单而有效的数据处理方法， 由过程曲线可作趋势分析。如果将变形观测数据与影响因子进行多元回归分析和逐步回归计算，可得到变形与显著性因子间的函数关系， 除作物理解释外， 也可用于变形预报。多元回归分析需要较长的一致性好的多组时间序列数据。假设仅对变形观测数据， 可采用灰色系统理论或时间序列分析理论建模， 前者可针对小数据量的时间序列，对原始数列采用累加生成法变为生成数列，因此有减弱随机性、 增加规律性的作用。如果对一个变形观测量(如位移 ) 的时间序列， 通过建立一阶或二阶灰微分方程提取变形的趋势项，然后再采用时序分析中的自回归滑动平均模型ARMA ，这种组合建模的方法，可分性好且具有以下显著优点：将非平稳相关时序转化为独立的平衡时序；具有同时进行平滑、 滤波和推估的作用； 模型参数聚集了系统输出的特征和状态； 这种组合模型是基于输出的等价系统的理想动态模型。把变形体视为一个动态系统，将一组观测值作为系统的输精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 13 页出，可以用卡尔曼滤波模型来描述系统的状态。动态系统由状态方程和观测方程描述， 以监测点的位置、 速率和加速率参数为状态向量， 可构造一个典型的运动模型。状态方程中要加进系统的动态噪声。 卡尔曼滤波的优点是勿需保留用过的观测值序列，按照一套递推算法， 把参数估计和预报有机地结合起来。除观测值的随机模型外， 动态噪声向量的协方差阵估计和初始周期状态向量及其协方差阵确实定值得注意。采用自适应卡尔曼滤波可较好地解决动态噪声协方差的实时估计问题。卡尔曼滤波特别适合滑坡监测数据的动态处理；也可用于静态点场、 似静态点场在周期的观测中显著性变化点的检验识别。对于具有周期性变化的变形观测时间序列，通过 Fourier变换， 可将时域内的信息转变到频域内分析，例如大坝的水平位移、桥梁的垂直位移都具有明显的周期性。在某一观测时刻的观测值数字信号可表示为许多个不同频率的谐波分量之和，通过计算各谐波频率的振幅， 最大振幅以及所对应的主频率等，可揭示变形的周期变化规律。假设将变形体视为动态系统，变形视为输出，各种影响因子视为输入，并假设系统是线性的，输入输出信号是平稳的， 则通过频谱分析中的相干函数、频响函数和响应谱函数估计，可以分析输入输出信号之间的相干性，输入对系统的奉献( 即影响变形的主要因素及其频谱特性) 。3变形的几何分析与物理解释传统的方法将变形观测数据处理分为变形的几何分析和物精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 13 页理解释。 几何分析在于描述变形的空间及时间特性，主要包括模型初步鉴别、模型参数估计和模拟统计检验及最正确模型选取3个步骤。变形监测网的参考网、相对网在周期观测下，参考点的稳定性检验和目标点和位移值计算是建立变形模型的基础。变形模型既可根据变形体的物理力学性质和地质信息选取，也可根据点场的位移矢量和变形过程曲线选取。此外，前述的时间序列分析，灰色理论建模、 卡尔曼滤波以及时间序列频域法分析中的主频率和振幅计算等也可看作变形的几何分析。变形的物理解释在于确定变形与引起变形的原因之间的关系，通常采用统计分析法和确定函数法。统计分析法包括多元回归分析、灰色系统理论中的关联度分析以及时间序列频域法分析中的动态响应分析等。 统计分析法以实测资料为基础，观测资料愈丰富、质量愈高，其结果愈可靠，且具有“后验”性质，它与变形的几何分析具有密切的关系，是测量工作者最熟悉和乐于采用的方法。确定函数法是根据变形体的物理力学参数，建立力 ( 荷载) 和变形之间的函数关系如位移场的微分方程，在边界条件已知时，采用有限元法解微分方程，可得到变形体有限元结点上的变形。采用有限元法，可以计算混凝土大坝、矿山地表以及滑坡在外力 ( 外表力和体力 ) 作用下的位移值。 这种方法不需要监测数据( 监测数据仅作检验用)，具有“先验”性质。只要有限元划分得当，变形体的物理力学参数( 如杨氏弹性模量，泊松比，内摩擦角、内聚力以及容重等) 选取得较好，该法无疑是一种多快好精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 13 页省的方法，目前有许多有限元计算软件如COSMOS/M 供用。但变形体的物理力学参数确实定和所建立的微分方程都带有一定的假设，有时用有限元法计算的值与实测值有较大的差异，这就导致了将两种方法相结合的综合分析法，以及根据实测值按一定理论反求变形体物理力学参数的反演分析法，通过反演解算， 重新用有限元法作修正计算。相对于有限元法， 条分法用于边坡稳定性分析、计算和评价更为简单，其中萨尔码(SARMA) 法应用最普遍，根据力学模型、几何条件和静力平衡方程，对平衡条件作迭代计算，可定量的得到边坡稳定性评价指标稳定安全系统。一般要求对条分法和有限元法同时使用。上述方法对大多数测量工作者来说较为陌生， 用确定函数法进行地变形的物理解释和预测属于学科交叉领域，需要与地质和工程结构方面的人员合作。4变形分析与预报的系统论方法用现代系统论为指导进行变形分析与预报是目前研究的一个方向。 变形体是一个复杂的系统，它具有多层次高维的灰箱或黑箱式结构，是非线性的，开放性( 耗散) 的，它还具有随机性，这种随机性除包括外界干扰的不确定性外，还表现在对初始状态的敏感性和系统长期行为的混沌性。此外，还具有自相似性、突变性、自组织性和动态性等特征。按系统论方法， 对变形体系统一般采用输入输出模型和动力学方程两种建模方法进行研究，前者系针对黑箱或灰箱系统建模，前述的时序分析、卡尔曼滤波、灰色系统建模、神经网络模精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 13 页型乃至多元回归分析法都可以视为输入输出建模法。采用动力学方程建模与变形物理解释中确实定函数法相似，系根据系统运动的物理规律建立确定的微分方程来描述系统的运动演化。但对动力学方程不是通过有限元法求解，而是在对系统受力和变形认识的基础上， 用低阶的简化的在数学上可解和可分析的模型来模拟变形过程， 模型解算的结果基本符合客观事实。例如用弹簧滑块模型模拟地震过程的混沌状态和高边坡的粘滑过程，用单滑块模型模拟大坝的变形过程，用尖点突变模型解释大坝失稳的机理。对动力学方程的解的研究是系统论分析方法的核心，为此引入了许多与动力系统有关的基本概念，这些概念与变形分析和预报密切相关，它们是：状态空间或相空间( 称解空间 ) 、相轨线、吸引子、相体积、李亚普诺夫指数和柯尔莫哥洛夫熵等。例如相轨线代表相点运动的迹线，每一个相点代表状态向量( 变形、速率或影响因子 ) 在某一时刻的解；吸引子代表系统的一种稳定的运动状态，它可以是一个稳定的相点位，环或环面，也可以是相空间的一个有限区域， 对于局部不稳定的非线性系统，将出现分数维的奇怪吸引子， 表示系统将出现混沌状态。李亚普诺夫指数描述系统对于初始条件的敏感特征，根据其符号可以判断吸引子的类型以及轨线是发散的还是吸引( 收敛) 的。柯尔莫哥洛夫熵则是系统不确定性的量度， 由它可导出系统变形平均可预报的时间尺度。对变形观测的时间序列( 如位移量 ) 进行相空间重构， 并按一定的算法计算吸引子的关联维数，柯尔莫哥洛夫熵和李亚普诺精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 13 页夫指数等，可在整体上定性地认识变形的规律。另外，也可根据监测资料， 反演变形体系统的非线性动力学方程。系统论方法还涉及变形体运动稳定性研究，这种稳定性在数学上可转化为微分方程稳定性的研究，主要采用李亚普诺夫提出的判别方法。系统论方法涉及到许多非线性科学学科的知识，如系统论、控制论、信息论、突变论、协同论、分形、混沌理论、耗散结构等。上述理论远不是工程测量工作者所能掌握的，将系统论方法与变形分析与预报相结合的研究只是初步的，希望有更多的青年学者加入到这一研究领域来。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 13 页