婁 真

（河南省省直機關(guān)房屋建設(shè)開發(fā)公司，河南 鄭州 450003）

1 引言

隨著社會的發(fā)展、科技水平的快速提高，也大大加快了各類工程建設(shè)的進程，從而帶來了各種類型建筑（構(gòu)）物的層次不窮，諸如大型橋梁、各類水工建筑物及高層建筑物等等，隨著這些建筑（構(gòu)）物的日益增多，有關(guān)它們的質(zhì)量、安全等問題也日益引起公眾的關(guān)注。實踐表明，進行變形監(jiān)測，這是進行各類工程建筑物及其地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性檢查的一個極其重要的手段，因為通過變形監(jiān)測，可把變形體相關(guān)變形數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲得，并以此來對變形體在時間特性及空間狀態(tài)方面進行深入研究，從而能夠做到科學(xué)解釋變形成因，并在此基礎(chǔ)上進一步對變形狀況做出準(zhǔn)確預(yù)報?；诖?，以下結(jié)合進行土木工程建筑物變形監(jiān)測的重要性和必要性，就土木工程建筑物變形分析與預(yù)報技術(shù)進行著重探討。

2 關(guān)于土木工程建筑物變形監(jiān)測技術(shù)的簡要介紹

進行變形監(jiān)測最為關(guān)鍵的工作就是要把土木工程建筑物變形監(jiān)測的技術(shù)方案合理設(shè)計好；變形監(jiān)測技術(shù)經(jīng)過了十多年的發(fā)展過程，現(xiàn)已形成好幾種測量方法，以下進行一些簡要介紹，具體如下表所示：

①常規(guī)地面測量法利用常規(guī)儀器、通過角度、邊長及高程等的變化來對變形體所出現(xiàn)的各種變形進行相應(yīng)的測定；這種測量方法在當(dāng)前應(yīng)用較廣泛，對于變形形式不同、外界條件不同的變形測定均可適用。②特殊測量手段主要包括三種類型：即①準(zhǔn)直測量、②應(yīng)變測量、③傾斜測量；具有較為簡單的測量過程，能夠進行連續(xù)觀測及進行自動化觀測，在此基礎(chǔ)上，能把局部出現(xiàn)變形的信息進行準(zhǔn)確提供。③地面攝影測量技術(shù)在變形監(jiān)測中，這種技術(shù)手段應(yīng)用較早，但因其較近的攝影距離，較低的絕對精度，在實時攝影測量和數(shù)字?jǐn)z影測量出現(xiàn)之前，未能得到廣泛應(yīng)用；當(dāng)前，這種測量手段已在大型工程建筑物的變形監(jiān)測之中得到廣泛應(yīng)用。④GPS測量方法GPS這種全新空間定位技術(shù)，能夠極為方便地把三維網(wǎng)監(jiān)測構(gòu)建起來，實現(xiàn)了測繪技術(shù)從靜態(tài)向動態(tài)轉(zhuǎn)變，并且可以不受諸如站與站之間的通視的限制，因而可把這些工作諸如砍樹、建標(biāo)等省略下來，從而大大提高了工作效率。

3 關(guān)于土木工程建筑物變形分析與預(yù)報技術(shù)的探討

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展及計算機技術(shù)應(yīng)用水平的日益提高，使得應(yīng)用各種理論和方法來進行變形分析和變形預(yù)報成為可能性；眾所周知，因變形體具有極其多樣和復(fù)雜的變形機理，故在實際研究當(dāng)中，為能夠有效模擬、逼近以及準(zhǔn)確揭示出變形體的變形規(guī)律和動態(tài)特征，必須運用有效模型這種研究手段，這對于災(zāi)害的防治及相關(guān)工程的設(shè)計，都有極其重要的作用。總的看來，處理和分析變形數(shù)據(jù)、及對各方面變形進行物理解釋和預(yù)報，這就是變形分析所涉及的主要研究內(nèi)容；據(jù)此，可把變形分為兩部分：即變形的幾何分析和變形的物理解釋。

3.1 變形的物流解釋方法

這種方法最為主要的目的就是把變形體的變形及變形的形成原因之間的關(guān)系建立起來，并對其中的變形成因進行相應(yīng)的解釋，主要有以下這幾種方法：

3.1.1 統(tǒng)計分析法。通過回歸模型的建立，對所觀測的效應(yīng)量（變形）及原因量（影響因素）之間的相關(guān)性進行分析，來完成荷載-變形之間關(guān)系數(shù)學(xué)模型的建立。具有“后驗”性質(zhì)的統(tǒng)計分析法，在當(dāng)前變形成因分析法當(dāng)中應(yīng)用得比較廣泛；因具有不確定性和多樣性，這是變形因素所固有的特性，再加上自身有限的觀測資料，故對于回歸分析建模的準(zhǔn)確性帶來了極大的影響。對于回歸分析模型來說，其具有多種類型，具體如下表所示：

以研究手段來劃分①逐步回歸分析模型、②多元回歸分析模型、③主成分回歸分析模型、④嶺回歸分析模型。以統(tǒng)計模型的發(fā)展來劃分①模糊聚類分析模型、②時間序列分析模型、③灰關(guān)聯(lián)分析模型，④動態(tài)響應(yīng)分析模型。

3.1.2 確定函數(shù)法。這種方法主要采用有限元法，通過一定的假設(shè)條件，結(jié)合變形體相關(guān)的物理性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)，基于應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系把荷載與變形之間的函數(shù)模型建立起來，再應(yīng)用所構(gòu)建的函數(shù)模型來對變形體在一定荷載作用下可能發(fā)生的變形進行預(yù)報。這個具有“先驗”性質(zhì)的函數(shù)模型，在相關(guān)物料概念方面，具有比統(tǒng)計模型來得更準(zhǔn)確的優(yōu)勢，但也因存在著比較大的計算工作量，故對于用來計算的數(shù)據(jù)具有比較特殊的規(guī)定。

3.1.3 混合模型法?；诖_定性模型和統(tǒng)計模型這兩種模型而發(fā)展起來的。若原音量與效應(yīng)量具有較明確的關(guān)系，則進行計算以FEM,Finite,Element,Method（有限元法）為主，若對于這類原音量：①有關(guān)它們之間的函數(shù)關(guān)系，即使應(yīng)用相應(yīng)的物理理論進行計算也無法給予確定、②與效應(yīng)量具有不很確定的關(guān)系，則應(yīng)采用統(tǒng)計模式來進行分析，在此基礎(chǔ)上再跟實際值加以擬合而把模型建立起來。例如，我國曾有學(xué)者在進行壩體形態(tài)分析過程中，應(yīng)用混合模型分析法進行分析，獲得了比較理想的效果。此外，在應(yīng)用混合模型進行建筑物變形分析和預(yù)報過程中，還可應(yīng)用反分析法；這種反分析是在把系統(tǒng)識別理論進行仿效的基礎(chǔ)上，以正分析成果為其證據(jù)，來進行相應(yīng)的理論分析，通過反求來把建筑物及周圍材料的參數(shù)、相關(guān)規(guī)律及信息等向建筑物相關(guān)設(shè)計單位、施工單位進行反饋，以達到對建筑物進行變形監(jiān)測的目的。

3.2 變形的幾何分析方法

3.2.1 時間序列分析。相關(guān)研究表明，在變形監(jiān)測過程中，因來自于某個測點上的一系列觀測量正常會構(gòu)成一個具有離散特點的隨機時間序列，故可基于時間序列分析法來把ARMA（p階自回歸q階滑動平均模型）建立起來。相關(guān)實踐表明，以趨勢函數(shù)模型+ARMA或者動態(tài)數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行組合來來完成模型構(gòu)建會獲得更好的效果，這二者（即趨勢函數(shù)模型+ARMA和動態(tài)數(shù)據(jù)系統(tǒng)）將分別達到這兩個作用：第一，把非平穩(wěn)相關(guān)序列向平穩(wěn)相關(guān)系列進行轉(zhuǎn)變；第二，有關(guān)隨機動態(tài)系表達式的尋求過程可通過建模來進行處理；由于系統(tǒng)輸出的特征及狀態(tài)均集中在模型參數(shù)，故可對變形成因進行解釋，在此基礎(chǔ)上再對建筑物的變形進行預(yù)報。如果考慮到粗差所帶來的影響，則可把穩(wěn)健時間序列分析法加以引入，并完成模型的構(gòu)建；若時間序列屬于比較小的數(shù)據(jù)量，則進行建?？蓱?yīng)用灰色系統(tǒng)理論來操作，以累加生成法來加工原始數(shù)據(jù)，使其變成生成數(shù)列，以達到誰繼續(xù)減弱、規(guī)律性增強的良好效果。在進行時序分析過程中，通常先對單測點進行分析，如果能以多點關(guān)聯(lián)變形 分析法來對各測點之間的相關(guān)性進行分析，則對建筑物的監(jiān)測分析和預(yù)報將獲得更好效果。

3.2.2 頻譜分析法。對于變形時間序列，若具有周期性變化特征，諸如大壩的水平位移就具有一定的周期性特征，則可應(yīng)用Fourier（付立葉）變換把時域信息向頻域進行轉(zhuǎn)化并加以分析，在此基礎(chǔ)上，把各個諧波頻率的振幅計算出來，并把最大振幅所對應(yīng)的主頻確定出來，這樣就可完成變形變化周期的確定。若輸出為測點的變形，輸入為跟測點有關(guān)的環(huán)境量，通過估計頻率響應(yīng)函數(shù)、響應(yīng)譜函數(shù)及其相關(guān)的函數(shù)，就可把輸出與輸入之間的相關(guān)性求得出來，以此把對變形產(chǎn)生影響的主要因子找出來，從而可對建筑物的變形成因進行相應(yīng)的物理解釋，在此基礎(chǔ)上并對建筑物的變形進行相應(yīng)的預(yù)報。

3.2.3小波分析法?？茖W(xué)的發(fā)展，促使了自然、社會等多學(xué)科的相互交叉，從而形成了小波理論這一多學(xué)科交叉結(jié)晶，在當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于各種工程和科研之中；應(yīng)用這種分析方法，可在時頻域局部信號中完成有效信息的提取，再運用離散小波變換來進行分解和重構(gòu)變形觀測數(shù)據(jù)，這樣就把誤差進行有效分離，能對局部變形特征及整體變形趨勢進行更好的反映和體現(xiàn)。相比于付立葉變換，可發(fā)現(xiàn)小波分析法與之較為相似，有關(guān)周期性的變形，應(yīng)用小波變換同樣可進行準(zhǔn)確探測；在動態(tài)變形分析中，若采用小波分析法，則可把基于小波的多分辨卡爾曼濾波模型成功地構(gòu)造出來，為土木工程建筑物的變形分析及預(yù)報提供了良好的條件。

4 結(jié)束語

總之，進行土木工程建筑物變形分析和預(yù)報，這是一項相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程；總結(jié)和歸納變形分析在各種土木工程建筑物所進行的大量實踐及所取得的研究成果，在此基礎(chǔ)上，進一步對土木工程建筑物變形分析與預(yù)報技術(shù)進行更為深入的研究和總結(jié)，這對于確保我國各類土木建筑物的安全、促進我國建筑事業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展均具有極其重要的作用。

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[3]吳子安.工程建筑物變形觀測數(shù)據(jù)處理.[J].測繪出版社.2009.02