位移设计方法（精选10篇）
位移设计方法 篇1
地震是一种破坏性极大的自然灾害,随着现代工业化和城市化的进程,一些国家和地区城市的人口、财富高度集中。由于不断进步的结构抗震设防措施,地震灾害造成的人员伤亡显著降低,但是造成的经济损失则令人震惊。历次强震的经验教训表明,地震所造成的巨大经济损失主要是由于房屋破坏和工程结构的倒塌所引起的。因此,结构工程的抗震设计显得尤为重要。
结构抗震设计的主要目的是针对未来强震,从工程上着眼,力求在最经济的条件下使机构具有足够的抗震性能,以保证人民的生命财产安全。结构抗震设计理论研究以机构动力学和工程学为基础,研究内容涵盖建筑材料、地基的动力性能、结构能力反映、结构的弹塑性及脆性破坏机制以及结构可靠性理论和工程设计等领域。
抗震理论的设防标准受社会经济发展条件的制约。过高的设防标准,是用过大的经济投资,换取高度的抗震效果;而过低的设防标准,则是用过低的抗震安全性能,减少当前的经济投资,但是增加了未来更大损失的风险。随着我国经济力量的发展,抗震设防水平将大力提高,以换取更大的安全。
1 抗震理论的发展[1,2]
现代抗震理论设计理论从20世纪初才开始建立起来,大致经历了以下过程:
1)静力理论。
静力理论认为地震对工程设计的破坏是由于地震产生的水平力在建筑上所作用的结果。静力法理论假定结构为嵌固在地面上的刚性结构,结构上任一质点的加速度等于地面运动的加速度,表达式为P=Wαmax/g=KW,其中,P为水平地震力;K为地震系数。显然这种设计大大增加了结构的刚度,在这种设计理念之下,结构的高度和跨度都受到严格的限制。静力法理论的缺点是没有考虑结构本身的动力特性,因此容易引起对地震活动的误解,从而不能准确判断在给定地震作用下的抗震能力。
2)反应谱理论。
反应谱理论考虑了结构的动力特性与地震的动特性之间的关系,同时又保持了原有静力理论形式。反应谱是描述地面运动及其结构相应的实用工具,作为地震工程的一个核心结构,反应谱提供了一种方便的手段来概括所有可能的线性单自由度体系对地面运动的某个特定分量的峰值反应。
反应谱方法利用了结构的振动特性(周期、振型和振型阻尼比)和用反应谱所表征的地面运动的动力特性,但是对结构分析采用的是静力学方法,因此反应谱方法是一种拟动力分析。
3)动力学理论。
动力学又称时程分析,这种理论把地震作为一个时间过程,选择能够反应地震及场地特征的地震加速度时程作为地震动输入,从而可以计算出每一时刻结构的地震响应。与反应谱方法相比,动力学方法具有更大的精确度,而且在给定的结构恢复力模型基础上能够获得结构非弹性阶段的响应。
然而,时程分析是一项极其复杂的计算工作,分析时往往需要更详尽并具针对性的场地信息,这一点在很多的实际工程场景中是很难实现的,另外,时程分析会输出每一时刻的结构位移和内力响应,对于这些信息的统计和分析需要花费很大的精力,并难以形成直接指导结构的信息。因此时程分析虽然是更加真实的结构动力学分析,但是难以满足大部分规范要求和工程设计要求,应用面难以扩展。
4)基于性能的抗震设计理论。
基于性能的抗震设计,是通过设计使结构在不同的水准地震作用下的响应难以满足预期的抗震性能指标,使结构遭受地震作用时具有确定的安全性能,更有效、可靠地抵抗地震。这种方法要求在结构设计中从以往只注重结构安全,向全面注重结构的性能、安全和经济等诸多方面发展。
基于性能的抗震理论设计理论是以结构抗震分析性能分析为基础,根据设防标准的不同,将结构的抗震性能划分为不同的等级,设计者可以根据具体情况的不同,确定合理的抗震性能目标。目前常用的基于性能的设计方法有能力谱法、等效位移系数法、N2法和直接基于位移的方法。
2 多级设防目标的基于位移的抗震设计方法
我国现行的《建筑抗震设计规范》对建筑结构采用“三水准、两阶段”方法作为抗震设防目标,其要求是“小震不坏、中震可修、大震不倒”。即“一般情况下,遭遇第一水准烈度(众值烈度)时,建筑处于正常的使用状态,从结构分析角度,可视为弹性体系,采用弹性反应谱进行弹性分析;遭遇第二水准烈度(基本烈度)时,机构进入非弹性工作阶段,但非弹性变形或结构体系的损坏控制都在可修复的范围;遭遇第三水准烈度(罕见地震)时,结构有较大的非弹性变形,但控制在规定的范围内,以免倒塌。
为了实现以上的设计要求,在设计过程中可以分为两个阶段:1)根据小震下结构的目标位移确定刚度需求,并根据目标屈服位移计算结构的强度要求,取第一水准的地震动参数,由第一水准的目标位移计算结构的屈服基底剪力。然后将地震作用效应和其他作用效应进行组合,对构件截面进行配筋设计。2)根据结构的周期及屈服位移确定结构的延性需求。取第三水准的地震动参数,计算结构的延性需求。通过量化的变形能力指标对构件进行延性设计。
由此可见,第一阶段的设计,是通过控制结构的刚度来实现第一水准的目标位移,以控制“小震不坏”的变形;第二阶段的设计,是通过量化的变形指标对构件进行延性设计,利用结构的变形能力满足“中震可修、大震不倒”的要求。
至于相关的参数设计可以参照相关的文献[3,4]。
这种直接基于量化的性能水平有效地实现了多级性能目标的抗震设防,并且概念简单,计算简单,在实际的工程中可以广为应用。
3结语
本文介绍了结构抗震理论的发展历程和相关的研究理论,着重以基于性能的抗震设计理论为基点,考虑了直接基于位移的性能的理论,给出了实现“三水准”的两阶段设计方法,这种设计方法遵照国家的建筑设计规范,计算简单,可以在工程应用中得到广泛推广。
参考文献
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[6]杨彩云.谈框架节点的抗震设计[J].山西建筑,2009,35(5):64-65.
位移设计方法 篇2
诱导效应是有机化学中最重要的效应之一,本文给出一套新的`中性基团诱导效应参数(IG).结合极化效应指数(PEI),以及α,β,γ结构参数,提出核磁共振“内屏蔽”和“外屏蔽”的概念及碳谱位移“内屏蔽”和“外屏蔽”模型,由此定量描述了饱和醇类化合物13C NMR化学位移:CS=-2.3+[20.696 7(ΣΔI)+18.386 5(ΣΔPEI)-0.011 1(ΣΔI/ΣΔPEI)+1.239 7(ΣΔPEI/ΣΔI)-5.800 9NαC+4.260 4NβC-1.758 3-3.346 0NγC+32.376 3].相关系数R为0.994 7,LOO法交互检验系数RCV=0.992 7,模型具有优良的预测性和稳定性.
作 者：聂长明 姜赛红 林达 李忠海 武亚新 文松年 NIE Chang-ming JIANG Sai-hong LIN Da LI Zhong-hai WU Ya-xin WEN Song-nian 作者单位：聂长明,姜赛红,林达,武亚新,文松年,NIE Chang-ming,JIANG Sai-hong,LIN Da,WU Ya-xin,WEN Song-nian(南华大学,化学化工学院,湖南,衡阳,421001)
李忠海,LI Zhong-hai(中南林学院,食品科学与工程学院,湖南,长沙,410004)
位移设计方法 篇3
关键词：基坑；自由测站；水平位移监测方法；平稳运营
21世纪以来，我国经历了2008年全球金融危机、2011年欧洲债务危机，外部金融环境日益动荡，内部市场条件不断变化，为切实提高自身核心竞争力，促进企业平稳向上发展，各大中小建筑企业进行全面技术革新。基坑水平位移测算、地质勘探、地形监测逐步向信息化监控管理迈进。伴随全球经济一体化进程不断加快，城市高层建筑、地下工程日益增多，地铁、地下车库这类工程均需开挖基坑，势必会对周围建筑稳定造成影响。自由测站水平位移监测方法的应用，可有效解决因基坑开挖引起周边土体变形导致工作基点不稳定、影响监测精度等问题。
笔者通过对自由测站水平位移检测方法、全站仪自由测站观测原理、应用范围进行仔细分析，力求客观全面分析问题，解决问题，改善传统视准线法、测小角法，精度不高，应用范围窄、成本高等弊端，切实为我国建筑业进一步发展提供一定参考意见，推动我国社会主义特色经济建设走向可持续发展道路。
一、全站仪自由测站法原理、使用范围分析研究
2001年我国加入世贸组织（World Trade Organization WTO）以后，受到国际知名建筑企业冲击，我国建筑行业内部市场条件发生重大变化，逐渐由原来的粗放型转变为集约型经营，传统基坑水平位移监测方法依然难以满足当前建筑质量，工程效率，施工安全等多方面要求，全站仪自由测站法的运用，在一定程度上切实提高基坑计算效率，减小监测误差。
1.1全站仪自由测站观测原理、适用范围
1.1.1全站仪自由测站法观测原理
传统基坑水平位移监测要利用经纬仪对基准点和观测点距离和角度分别测量，监测耗时长、操作不便、且数据精度较低。全站仪自由测站法监测，以极坐标法为基础，对基准点和观测点同时进行角度和距离测算。
应用全站仪高精度的特性，在基坑附近设置观测站，可根据实际要求任意设置观测点，并对变形监测点方向距离，根据极坐标法计算出坐标及方位角定向，建立自由坐标系。进而在观测站上观测基准点与变形监测点的方向距离。全站仪内自由测站观测程序通过基准点、测站点坐标周期性变化，监测变形体观测点位移变化。
1.1.2全站仪自由测站法适用范围
适用于较为狭小场地、施工障碍多等复杂地理环境，主要解决因基坑开挖引起周边土体变形，导致施工不稳定影响监测精度的关键问题，可满足一级深坑、二级深坑、三级深坑精度要求，对高铁、地铁、大型地下车库、人防工程等建筑位移监测有良好效果。
二、自由测站法水平位移监测中应用及精度分析
2.1自由测站点坐标系统形成分析
根据图1所示，距离自由设站点P一定距离内设置多个基准点Ki（i=1、2、3、…、n），在自由设站点架设全站仪，瞄准基准点方向分别测量其方向值和距离，利用间接平差方法计算p点坐标。两个基准点间形成一条近似平行于基坑的基准线，该基准线在水平面内水平投影为坐标系X轴方向，相应垂直于X轴方向为Y轴。
2.2自由测站法坐标计算公式分析
基坑设置全站仪后，观测基准点选取K1、K4，自由设站点到K1、K4间的距离分别为S1、S4，仪器中心P点与K1、K4两基准点夹角为α，在全站仪三轴中心引出新的做别系P—X'Y'。
①、K1点坐标为Xk1=S1*cos^n 、Yk1=S1*sin^n；
②、K2点坐标为，XK2=S2*COS（α+β）、Yk2=S2*sin（α+β）
③、K1、k2两点水平投影在Y轴上则Xk1=Yk1。可根据上述分析出任意观测点Kn坐标为：Xkn=Sn*COS（α+β）=X'k1 、Ykn=Sn*sin（α+β）=Y'k1，根据K1和其他基准点坐标可得到所需水平位移。
2.3自由测站法精度分析
①、实际测算交会角度越大，自由测站点位精度越高，即测站点点位精度与交会角成正比。临界角度为40度，点位精度提高放缓，自由设站点P在两基点之间时，点位精度达到最大值，监测过程中需增加后视点，以减少监测误差。
②、根据测定设站点P点坐标，利用全站仪自由设置模块程序，分析可得水平位移精度误差，由自由设站点误差和极坐标法测量误差两部分引起。为较少误差影响可通过增设多余监测、增加控制点数、切实提高水平位移监测精度，提高检测可靠性。
③、自由测站水平位移监测法可根据基坑实际情况，监测需求，随时架设，随时测量，与测小角法与视准线法不同，不用考虑测站对中误差，只需考虑测角误差，可有效避开障碍，灵活设站。
④、自由测站法监测优点在于应用范围较广，位移监测精度较高，可快速高效反馈变形信，既能保证精度符合要求同时，切实提高作业效率。
结语
本文通过对自由测站的水平位移监测方法进行全面研究，仔细分析了全站仪自由测站法原理、使用范围、自由测站点坐标系统形成过程，着重探讨自由测站法坐标计算公式与监测精度，明确自由测站法精度高、工作效率强、应用范围广等特点，切实为今后建筑基坑施工水平位移高精测绘提供一定参考意见。展望“十二五”规划，我国建筑企业唯有制定详细发展目标，不断总结经验，才能在激烈的市场竞争中，平稳、向上发展。
参考文献
[1]张建坤；王金明；贾亮；自由设站法进行基坑监测的精度分析[J]；测绘工程；2011（4）：5
[2]骆旭佳；高飞；胡小华；刘小伟；全站仪自由设站在测绘中的应用[J]；勘察科学技术；2010（01）：10—11
[3]王玉民；浅谈高层建筑基坑工程监测方法[J]；赤峰学院学报（自然科学版）；2010（02）：4
基于位移的结构抗震设计方法研究 篇4
关键词：基于位移,抗震,按延性系数设计的方法,直接基于位移的设计方法,能力谱设计方法
1. 引言
在强震作用下, 结构 (或构件) 的位移 (或变形) 比力 (或强度) 更能直接反映结构的破坏状态, 因此90年代以来, 基于位移的抗震设计方法受到越来越多的重视并且得到了发展。
基于位移的抗震设计 (Displacementbased Seismic Design, DBSD) 是指在不同强度水准的地震作用下, 以结构的位移响应为目标进行结构及构件设计, 使结构达到预定的功能 (或性能) 。结构和构件在地震作用下的破坏程度总是与结构的位移响应和结构的实际变形能力有关, 因此从结构抗震角度而言, 可以用位移来控制结构在地震作用下的破坏程度, 采用基于位移的设计方法是实现结构抗震性能目标的一条有效途径。
目前, 基于位移的抗震设计大致有三种思路和方法:控制延性系数的设计方法、直接基于位移的设计方法和能力谱法。
2. 按延性系数的设计方法
延性通常包括结构延性、构件延性和截面延性三个层次。对于个给定结构, 截面的延性系数大于构件的延性系数, 构件的延性系数大于结构的延性系数, 两者的关系与结构的塑性铰机制有关。按延性系数设计方法的实质, 是通过建立构件的位移延性系数或截面曲率延性系数与塑性铰区混凝土极限压应变的关系, 由约束箍筋来保证核心混凝土能够达到所要求的极限压应变, 从而使构件具有要求的延性系数[3]。
用位移延性系数描述构件的弹塑性变形能力的最大问题是如何定义结构或构件的屈服位移和极限位移, 不同的定义得到的延性系数可能差别很大。
3. 直接基于位移的设计方法
直接基于位移的抗震设计 (d i r e c displacement—based seismic design) 是直接以位移为设计参数, 针对不同地震设防水准, 制定相应的目标位移, 并且通过设计, 使得结构在给定水准地震作用下达到预先指定的目标位移, 从而实现对结构地震行为的控制。从实现的角度讲, 直接基于位移的抗震设计理论主要包括三方面的内容, 即直接基于位移的抗震设计方法、位移需求估计方法和目标位移的确定[4]。
3.1 直接基于位移设计方法的基本步骤
(1) 根据结构体系, 确定结构层间屈服位移角; (2) 计算结构等效单自由度体系的目标位移; (3) 确定等效单自由度体系的等效质量和等效阻尼比; (4) 根据规范加速度反应谱, 建立对应于所求结构等效阻尼的设计位移反应谱, 求出结构的等效周期; (5) 确定等效单自由度体系的等效刚度; (6) 计算设计基底剪力和水平地震力; (7) 对原结构进行等效计算, 并计算在水平地震力作用下等效结构的地震效应, 根据此结果对构件配筋设计; (8) 验算原结构罕遇地震作用下的效应。
3.2 位移需求估计方法研究
从理论上讲, 非线性动力时程分析法是计算非弹性体系位移的最精确方法, 但由于地震动的随机性, 所以由单个地震记录得到的计算结果并不能有效地代表结构在地震作用下的行为。由于弹性反应谱在很大程度上能够代表大部分地震记录的特征, 因此使用与弹性反应谱相结合的位移需求估计方法越来越受到地震工程界的青睐。
3.2.1 单自由度 (SDOF) 体系
(1) 等效线性化方法 (methods based on equivalent linearization) 。等效线性化方法是将非弹性体系等效成具有等效刚度和等效粘滞阻尼比的弹性体系来进行位移求解的一种简化近似方法。总的来说, 可以分为两类: (1) 以最大变形处割线刚度为等效刚度的等效线性化方法; (2) 基于优化割线刚度的等效线性化方法。
(2) 位移修正系数法 (methods based ona displacement modification factor)
3.2.2 多自由度 (MDOF) 体系
(1) 替代结构法 (substitute.structure method) , 即把非弹性结构用一个线弹性结构来替代, 其中替代结构中的各构件刚度、阻尼比均采用等效线性化方法求得;
(2) 基于推倒 (pushover) 分析方法
推倒分析是在一组能够近似反应结构地震水平惯性力的单涮递增侧向荷载作用下, 逐步对结构进行弹塑性静力分析, 直到结构达到预先指定的目标位移或倒塌状态。这种方法可以得到结构从弹性阶段开始, 经历开裂、屈服直至倒塌破坏全过程的信息, 因而可以对已有结构的抗震性能作出良好的评价。但单纯的推倒分析并不能得到结构的地震响应, 通常要与反映地震特性的反应谱结合才能对结构的位移需求做出估计。目前主要有以下几种方法: (1) 能力谱方法; (2) 分项修正系数法 (FEMA一273, 1997) [5]; (3) 适应谱推倒分析方法; (4) 多模态推倒分析方法。
3.3 目标位移的确定
目标位移是性能目标的具体量化, 即以位移为性能参数的预期性能指标, 它是结构进行基于位移抗震设计的目标。一般来讲, 结构损伤是地震作用下破坏结构使用功能和导致结构倒塌的主要原因, 因而目标位移的确定多以此为基础。目前, 基于结构损伤的目标位移确定方法主要有: (1) 基于材料应变的目标位移确定方法; (2) 基于Park—Ang指标的目标位移确定方法; (3) 基于试验数据库的目标位移确定方法。
4. 能力谱法
能力谱法最早是由Freeman等提出来的, 其实质是目前采用的基于力的设计方法加位移变形的校核, 虽然方法本身的可靠性有待于实验验证和改进, 但比基于力的设计方法合理。该方法首先通过静力弹塑性分析 (pushover analysis) 计算基底剪力Vb-顶点位移μn曲线, 然后将Vb-μn曲线转换为谱加速度Sα-谱位移Sd曲线:
式中:Γ1和M1*分别为第一振型的振型参与系数和模态质量。
接着建立需求谱曲线。早期, 能力谱法采用的是弹性需求谱, 比较简单, 但是结果不尽如人意。非弹性需求谱在等效阻尼下比弹性需求谱的性能好, 且处理方便, 被广泛使用。目前, 常用两种方法来确定非弹性需求谱:一是通过强度折减系数对弹性需求谱进行折减;二是对谱进行统计研究, 直接获得非弹性需求谱。第2种直接获取, 比较准确, 但是实现起来相当复杂。第1种方法使用较多, 通过建立强度折减系数 (Rμ) 与延性系数 (μ) 的关系, 以弹性需求谱为基础, 求出非弹性需求谱, 其中μ需要根据结构的弹塑性变形及滞回耗能来确定[6,7]。
式中:Sαe——拟加速度反应谱;
Sde——拟位移反应谱。
然后确定结构的等效阻尼比, 最后检验结构的抗震能力。
5. 结语
将位移作为控制结构行为的参数, 不仅可以与以应变为基础的损伤极限状态联系到一起[8,9,10], 而且在宏观上还可以对结构的整体行为进行合理的控制, 比如P—△效应、相邻结构物的碰撞等。另外, 目标位移可以任意指定, 而不仅仅是针对破坏极限状态, 因而可以实现结构的多级性能设计。因此近几年来, 直接以位移为设计参数的抗震设计方法越来越受到重视并且得到了很大的发展, 逐渐成为了实现基于性能抗震设计思想的一条有效途径。
参考文献
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《位移和的关系》教学设计 篇5
1、引入课题设问
1、上节学过的质点的概念是如何定义的，何种情况下物体可看成质点呢？设问
2、教师原地转一圈，后问动否？路程和位移的区别何在？师阐述：质点是一种理想化的模型，它是科学的抽象与近似，用来简化、代替实际物体。能否看成质点，应视具体的问题而定，不能以大小一概而论，因为大小总是相对的。路程虽可精确地反映物体在某时刻的运动情况，但在表示物体在一段时间内位置的变化时却不成功，为此引入位移。注意路程与位移无可比性。但可比较路程与位移的大小，它们的关系是s路≥s位。阐述物理思想：物理学研究物质运动的规律，采用分解的思想，即由简单到复杂、由低级到高级。物体常见的运动形式有直线运动、抛体运动、圆周运动、振动和波。我们首先研究在诸多运动形式中最基本的最简单的----直线运动描述图景：蜗牛缓缓地爬，清晨老人在散步，路上行人骑着自行车，汽车在奔驰，飞机在航线上飞行等等。这些运动有何相似的特点呢？
2、新授交待课本上研究的是汽车的运动，原因之一是运动的可测量性，二是汽车代表了社会的进步。指导学生阅读课本p22第一段，当中提问：①研究目的是什么？（研究位移随时间的变化关系）②研究方法是什么？（通过测量s、t分析）③如何设计表格，记录数据？（两行五组数据）④对数据如何处理，数据反映了什么？师提示：数据处理的常用方法是列表法及逐差法。学生：感觉每通过100米所用的时间不一样，再一想又发现差不多。在差不多相等的时间内，物体的位移相等。师启发：差不多的原因是由于运动本身所致，还是由于人的测量引起的呢？能否用科学的物理语言代替通俗的生活语言，这反映一个人的科学素养。结论：在实验允许的误差范围内，物体在相等时间内通过的位移相等。
2、1匀速直线运动（1）定义：在任何相等时间内，质点通过的位移都相同的运动。（2）内涵与外延师强调指出：①指出知识定义的科学性和严密性；匀速直线运动实为一种理想化的运动形式，理论上的匀速直线运动，无论如何对时间进行划分，在任意小的时间标准内考察，质点通过的位移都要相同。故要精确判断汽车的运动，需增加测量的精度，但实际中测量到一定的精度即可。②研究汽车的意义在于找到了前面所述的几种运动间的本质联系。它们遵循相同或相近的规律。由特殊到一般、个性到共性，分析与概括、归纳与演绎便是物理学研究问题的思维方法。③位移的矢量性使匀速直线运动可简称为匀速运动。匀速运动中位移与发生这段位移的时间成正比，这区别于变速直线运动。
2、2图像表述（1）作图的规范化要求师提出如下问题：要求学生阅读课本第23页第四段及方框内文字，然后回答问题。归纳学生回答后，师总述：①作图步骤：建坐标，标箭头、原点、物理量符号、单位；对坐标轴标度；描点并连线。对课本中的图象还原，一步一步展示作图的过程并提出要求。②强调：描点后，观察点的分布规律，发现几乎都在一条直线上。此时应用一条直线尽可能多地串起点，实在画不到线上则应该使点均匀分布在线的两侧，实质是取了平均值。个别较远的点可能是测量错误，应予以舍弃。不能迁就个别的点，将射线画成折线或曲线。当然，今后的学习过程中，会遇到将描出的点用平滑的曲线相连的情形。交待作图中采取的这些措施是为了减小实验中人为测量引起的误差。这是处理数据时作图法优于列表法的原因之一。③描出的点是有限的，但反映出了点的分布规律，组成线后延伸至无穷远处，点就是无限的了。从有限到无限，此时就能对未知的运动作出科学的预见。（2）渗透科学思想方法教育物理作为一门实验学科，它以定量的可重复的实验为依据，抓住影响实验结果的主要的因素，使实际问题抽象为理想化的模型，对实验的现象、数据不是简单的罗列，而是对其进行分析、综合、归纳和演绎，借助于图象分析，再推理形成系统的理论，使之概括化、公式化，并进行科学预言，为新发现提供指导性线索。可见，质疑、分析、归纳与概括、内插和外推，由个性（个性现象）高度抽象、概括出具共性普遍特征和一般意义的东西，再用之去指导实践，分析个别的事物和现象，便是物理学使用的最基本的研究方法和程序。科学方法论中还包含：科学需要证据、科学是逻辑和想象的结合体、科学需尊重实验数据、科学是一种预见和假设、科学不依赖权威并避免偏见等。（3）图象特点分析讲授：由数据到图象，由图象再到公式，是将由实验结果上升到理论高度的过程。①启发同学们思考：能否把刚才描出的图线写为数学上的函数形式？学生总结出匀速直线运动的公式表述：s=vt②让一位学生上黑板在汽车位移时间图线上定性作出老人匀速散步的位移图线。引导学生比较分析两图线的特点：（1）共同点（过坐标原点的直线）（2）不同点（倾斜的程度----斜率）设问：（1）图线直否意义？图线是否一定过坐标原点？什么是匀速直线运动位移图线的本质特征？（2）斜率大小的意义？小结：图线直不直反映了运动的匀不匀，而如果出发时不在坐标原点，则图线可不过原点。倾斜程度反映了运动的快慢。越斜则说明在相同时间内的位移越大，即运动越快。（3）图像的识别→分析物理过程讲授：位移-时间图象反映的是物体的位置坐标随时间的变化关系（或位置与时间的一一对应关系），而位置对坐标原点来说就是位移，这与某一段时间内发生的位移是不同的。时间轴无负轴，而位移轴有正负，因位移是矢量，故t轴上方的位移表示正方向，t轴下方的位移表示对坐标原点的另一方向即负方向。故位移图线只能描述直线运动。图线上每点对应一坐标（t,s）,由图线可求出某一时刻质点所处的位置或到达某一位置的时刻。图线上一截线段的含义则是在时间（t2-t1）内质点发生（s2-s1）的位移。由此可知，若图线是弯曲的，则说明在相同的时间内质点发生的位移是不同的，表明质点做的是变速直线运动。图线若是平的，则表明位置不随时间变化，物体是静止的。图线若是向下倾斜，则表明随着时间的增大，质点的位置离坐标原点越来越近，质点在做与规定正方向相反的直线运动。2.3师生活动（为帮助学生理解图象，做如下游戏，可将抽象的图象变得形象和生动。）由感性认识上升至理性认识，这是认识的第一次飞跃。而由理性认识再用以指导实践活动则是认识的第二次飞跃。教师从学生的角度在讲台的正面画一直线，在讲台的中央标上坐标原点，规定向右为位移的正方向。后在黑板上画下几个s-t坐标。（1）让学生注意观察老师的运动情况，后在图中画出位移图线。①教师从讲台中央分别向左和向右匀速走②教师从讲台的左边匀速走到右边③教师从讲台的中央走到右边后站住（接着往回走到中央）对学生作出的图给予评定，图线从略。（2）在黑板画出如下所示的图象，要求学生上讲台表演与图象相对应的运动。其后在图的下面用简洁的文字总结。另外，也可画出两条图线，让两位学生上台表演追及和相向运动问题。学生通过这种方式来接触、了解图象，一方面兴趣大增，同时由于亲自参与，对图象理解得非常深刻。
3、典型例题例
位移设计方法 篇6
1 设计要点
相对于需要反复进行计算, 设计工作量较大的传统设计方法, 现今多使用基于位移的抗震设计, 利用建筑机构的位移状态, 确定好建筑每一结构的承受限值。首先选择建筑结构的移延性要求要合理, 满足实际情况。之后运用一系列的抗震措施是建筑结构的延性能力不断完善, 达到防震的目的。具体要求如下面几方面:
1.1 弱梁强柱
所谓的弱梁强柱就在地震中形成的一种梁铰机构, 它是利用核心筒结构和框架结构构建而成。塑性变形先于柱出现并且由梁端控制。柱的抗弯能力大大增加。由于较早出现的梁端塑性铰, 加大的塑性转动只有在非线性位移程度达到最大时会出现。反之, 因为柱端塑性铰比较晚所以较小的塑性转动在每当非线性位移大最大程度时就会出现。如此, 一个较大的塑形能源消耗以及稳定的塑形耗能就会出现。
1.2 弱弯强剪
相对于较小的结构建立部位, 较大的结构建立部位在梁端没有大塑性变形极限的情况下会出现非延性破坏。当一个部分出现了剪切的破坏之后, 那这个部分就会失去了本来具有的抵抗力。当一处柱端剪切破坏了之后, 同样也会导致全部就够的损坏。在发生这样的情况下, 想让建筑避免坍塌, 需要增加梁端、节点、柱端的组合剪力值。
1.3 抗震防线的设置
抗震防线设计成最大化是建筑结构的基本要求与基础。当设计抗震防线时, 设计人员需要规范、全面的分析其每一个要点, 注重结构的分析。同时在设计完成以后, 要利用实验进行测试、评估。评测不仅要监控器监控必要的时候还需要人力监督, 力保抗震防线设计的合理、标准、规范。
1.4 建筑结构层移延性设计
要点有两个:布置屈服区、加强结构薄弱处。由于同属于精密的工序, 在完成两项工作的时候设计人员要把握好控制方位, 加强精度, 保证一系列施工的要求。设计团队要寻找出能够实现最大效率的实施工程的设计方案。布置屈服区之前, 需要客观的评价结构的参数, 然后部署必须符合设计的要求。屈服区的布置决定了建筑结构的强度, 在布置中需要时刻监控, 规范完善布置的工作。布置完成以后还需要模拟测试地震环境下布置区的合理性。
2 建筑结构层等位移延性反应抗震设计方法
2.1 设计方法的提出
本文以地震时, 钢筋混凝土的框架结构屹立不倒为例。在设计方案的提出中, 需要考虑以下几个步骤:
首先要确定结构在大震作用下的目标位移, 对于初步确定了几何尺寸的钢筋混凝土框架结构, 层屈服位移角:
式中:θy, i为第i层层间屈服角;εy为梁的纵筋屈服应变;hb, i为第i层梁高度;Lb, i为第i层梁的跨度。
其次, 根据规范加速度反应谱, 建立不同延性系数下的位移反应谱, 然后根据等效单自由度的顶点位移, 确定等效单自由度的自振周期。再者, 对基底剪力沿竖向的分配, 最后对结构内力分析, 然后按照目前我国建筑抗震设计规范进行抗震设计。
2.2 抗震设计的例题
某钢筋混凝土框架结构, 有7层2跨度, 1、2层柱截面是550mm×550mm;3、4层柱截面是500mm×500mm;5、6层柱截面是450mm×450mm;最高层为400mm×400mm。框架结构为300mm×550mm。只有1层为4.5m, 其余层为4m高度。总体跨度为6.5m。设该混凝土框架结构为8度的设防烈度, Ⅱ类的场地类别, 使用C30类型的混凝土施工。箍筋为I级钢筋, 纵筋为Ⅱ级钢筋。7层为25KN/m的荷载, 其余楼层为35KN/m, 为2级设防。利用公式, 并根据抗震设计的规则, 选择PKPM开展抗震设计, 计算建筑结构的柱、梁的配筋。最后用地震工程模拟的开放体系 (Open Sees) 来开展时程的分析, 测算建筑结构层的移延性反应抗震。
从测算中我们发现, 利用比较恰当的设计办法, 可以让建筑结构在地震作用的影响下产生均匀分布。每一建筑层都可以合理的耗散地震能, 不会将地震能集中于某一个楼层之内。在往后的验算抗震设计变形时, 需要计算层间的最大位移, 也要验算好每一层位移的距离差值, 控制在合理范围之内。
通过测算结果我们发现, 要想让建筑结构对地震作用下分布的均匀, 那必须利用一些恰当的设计方法。为了不将地震的能量同时集中在一个楼层中, 整栋建筑的每一层都可以合理的耗散地震能, 要控制好每一层位移的距离, 也需要精密的计算。
3 结论
相对于需要反复进行计算, 设计工作量较大的传统设计方法, 现今多使用基于位移的抗震设计, 利用建筑机构的位移状态, 确定好建筑每一结构的承受限值。建筑结构直接位移的地震设计方法是本文采用的方法, 在地震作用中建筑每个层面都会保持集体一致的层面移动, 建筑结构不会超过合理的极限。同时, 在地震发生的影响中每一种材料都发挥了抗震的功能, 抗震的主体是整个建筑而不是某一层, 这样是一种经济又安全的设计。本文通过设计方法公式和实例发现, 抗震设计能够验算出建筑楼层的层间最大位移值和最小位移值。从中得出的差值, 控制在合理范围之内, 就能保证建筑结构层等位移延性反应抗震设计的科学合理性。
参考文献
[1]马宏旺.建筑结构层等位移延性反应抗震设计方法[J].上海交通大学学报.2008 (6) .
[2]刘齐茂, 燕柳斌.多高层建筑结构层间位移和层剪力的动力可靠度计算[J].西北地震学报.2009 (3) .
位移设计方法 篇7
混凝土结构抗震性能设计理论研究中的基于混凝土结构位移的抗震设计理论是在最初混凝土结构设计中, 就以其结构位移作为主要控制参数进行结构设计, 与现行规范中的先以结构强度进行结构设计后对结构进行变形验算相比, 它更能直观的表示出结构在地震作用下的性能;其设计概念与理论清晰从而可以较好的把握结构在地震作用下的变形, 进而保证结构设计的安全。我国的抗震设计规范对混凝土框架结构在地震作用下的要求为:小震不坏, 中震可修, 大震不倒。业主从建筑的安全、功能和经济等方面考虑, 可以提高规范规定的结构性能目标, 对此, 结构工程师有能力也必须负责任的携手业主共同确定完成。本文结合工程实例对直接基于位移的混凝土框架结构抗震设计进行分析计算, 并结合多自由度体系向单自由度体系的转换公式, 阐述其计算方式及使用方法。
1 工程实例
如图1所示结构为某7层框架结构中的一榀横向框架, 结构纵向开间为3.0 m。框架底层计算高度4.0 m, 其余各层层高3.3 m;抗震设防烈度为7度, Ⅱ类场地, 设计地震分组为第三组, 框架抗震等级四级, 周期折减系数取0.7 (考虑墙体对结构刚度的影响) , 混凝土强度等级C30, 容重25 k N/m3, 弹性模量3.0×104;受力钢筋采用HRB400级钢筋, 箍筋采用HPB300级钢筋;楼面恒载为3.0 k N/m2 (含板自重) , 活载为2.0 k N/m2;屋面恒载为4.5 k N/m2, 活载为0.5 k N/m2 (不上人屋面) 。使用PKPM结构设计软件对图1的混凝土框架结构进行设计, 依据规范计算得到该混凝土框架结构的周期为0.57 s, 基底剪力为101.8 k N, 层间最大位移30.8 mm。其构件的截面尺寸见表1。
mm
2 限定位移设计
经过大量可靠的实验研究表明钢筋混凝土框架结构层间结构变形、结构高度以及结构破坏程度都与混凝土框架结构的层间位移角有很大的关联。因此本文通过采用位移角来量化混凝土框架结构的性能水平。经过试验并结合各方面的因素, 层间位移角限值分别对应三种不同的使用结果。即建筑结构使用良好, [θ]≤1/550;保证人身安全, [θ]≤1/200;防止结构倒塌, [θ]≤1/50。根据PKPM的计算结果, 框架结构各个楼层的重力荷载代表值为:W1=536.8 k N, W2=526.2 k N, W3=526.2 k N, W4=517.5 k N, W5=508.9 k N, W6=508.9 k N, W7=169.5 k N。对于结构的目标性能取建筑结构使用良好的层间位移角限值1/550 (结构计算参数见表2, 表3) 。得等效单自由度体系的等效位移为:。可得等效单自由度体系的等效质量为:。
假设结构底层为薄弱层, 则底层位移为u1=[θ]h=4 000/550=7.27 mm, 又由ζ1=z/h=4/ (4+3.3×6) =0.168。依据等截面剪切悬臂柱在任意截面Z处的侧移uζ公式:, 将u1与ζ1代入公式可以得出框架结构各层侧移ui, 计算结果见表2。众多国内外土木工程界的专家和学者对钢筋混凝土框架结构等效阻尼比的取值进行了深入广泛的研究, 研究出了多种计算方式方法, 本文采用Gulkan和Sozen提出的计算公式, 其中, ζ0表示混凝土框架结构的粘滞阻尼比, 一般取5%。μ表示混凝土框架结构位移延性特征值, 取1。。将等效阻尼比代入以下三个式子中:。解之得:衰减指数γ=0.9, 阻尼调整系数η1=0.02, η2=1.0, 将等效单自由度体系的等效位移以上述相关数据导入下列公式:
解之得:Teff=1.74 s, 符合要求, 故而等效单自由度的周期为1.74 s, 将单自由度的等效周期Teff和等效质量meff代入下述公式:。故框架结构底部总剪力为:Vb=Keff·ueff=87.93 k N。楼层侧向力和层间剪力分配见表4。
通过采用直接基于位移的抗震设计方法可以得出在同等级的地震作用下, 按直接基于位移的方法设计的结构能保证相应的设防水准下结构的层间变形小于给定的目标位移角, 比采用规范按强度设计的结构更能有效地控制结构在地震作用下的变形 (即对位移角的主动控制与被动控制) , 直观地满足业主对建筑的不同使用性能的要求。
3 结语
本文采用直接基于位移性能的抗震设计方法是近年来混凝土框架结构工程中研究比较广泛的一种方法。
通过层间位移角的参数控制, 可充分发挥结构工程师的积极主动性, 满足业主对结构不同性能目标的要求。
直接基于位移的抗震设计方法设计概念清晰, 方法简便, 能直观的体现混凝土框架结构在地震作用下的性能。
摘要：在分析现行规范规定的抗震设计方法的基础上, 阐述了基于位移的抗震设计理论框架, 结合基于位移模式的弹塑性理论公式分析计算, 论述了直接基于位移的抗震设计方法, 并以具体工程为例, 通过计算分析, 得出了一些结论。
关键词：位移,混凝土框架结构,计算
参考文献
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[2]Medhekar M S, Kennedy D T L.Displacement-based seismic design of buildings-theory[J].Engineering Structures, 2000 (5) :201-209.
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[5]罗文斌, 钱稼茹.钢筋混凝土框架结构基于位移的设计[J].土木工程学报, 2003 (7) :22-29.
基坑水平位移监测方法分析 篇8
关键词：基坑,水平位移,监测方法,极坐标法
1 概述
在经济和科技蓬勃发展下,各种地下工程和高层建筑也越来越多,人们对建筑物的性能提出了更高的要求。基坑开挖,作为工程必不可少的环节,随着其开挖深度的增加,自身围岩稳定性降低的同时,对周边建筑物的影响也随之增加,可能会出现基坑塌方或者周边建筑物倒塌的潜在危害,所以对基坑进行水平位移监测必不可少。
水平位移监测主要是在可能产生不稳定滑坡(边坡)或者挖土工程周围的侧向运动方面应用,除此之外,也可用来监测软土地基处理等等。对于一个工程的水平位移监测而言,因为考虑到监测的工作量比较大,而且对测量结果的精确度要求也比较高,所以,在测量的过程中,通常是采用在施工场地周围布设基准控制网的方式。在基准控制网中包括基准点、工作基点和测点。基准点一般选用远离场地而且相对稳定的,随着基坑的开挖或者工程施工坐标不会产生变化的点。工作基点作为施工场地的临时控制点是场地周围便于监测而且相对稳定的工作基点,随着基坑的开挖,为了满足规定的精度要求,必须对工作基点包括基准点,定期进行检测,并与初始测量结果进行比较,有必要时进行修正。如果因为施工要求,基准点发生变化,需重新设定符合要求的基准点。
2 常用水平位移监测方法分析
常用的水平位移监测的方法有:测小角法、自由测站法和视觉线法[1]。
2.1 测小角水平位移监测方法
在施工场地比较开阔或者基坑形状比较规则的情况下,多用小角法来测垂直于基坑维护方向的位移。而作为小角法的基准点一般是布设在待测区内一定方向和一定距离以外,监测点的分布则应该尽可能与工作基点在同一直线上,这样一方面降低操作难度,另一方面也可减少误差。监测点和基准点布置如图1,而把监测点和基准点的连线作为零方向,用经纬仪在基准点处测得基准点与零方向的角度变化值Δa(如图2),则可计算得出水平方向的位移量ΔL[2]。
其中,Δa为角度变化量;ρ为换算单位,ρ=3600×180/π=260265;S为工作基点到监测点的距离,单位m。
由小角法的原理可以看出,水平位移的观测精度主要由水平角度a和距离S的观测误差来确定[3]。由此可以得出观测误差为
式中:mδ为水平位移误差,m△α为测角误差,ms为测距误差。
由上式可以看出距离误差相对于水平角误差对位移误差的影响很小,通常可以忽略。这种方法的优点在于方法简单、实际操作方便。但是也存在诸多不足,譬如,抗干扰性较差,而且对工程场地的质量提出了更高的要求,宜选择开阔的场地。
2.2 自由测站法的水平位移检测方法
自由测站法是在测量角度和距离的基础上,通过在基坑附近设置观测站以及观测点,确定坐标和方位角方向并建立自由坐标系。全站仪架设在观测站处,选择一个固定点作为基准点,分别观测各变形观测点的方向和距离,并将每次测量结果与第一次测量结果相比较,即可得出水平位移的变化值。
操作图示如图3,全站仪架设在点P,P点为待测点,A、B为已知点。分别照准A、B两点,便可测出测站P到点A、B的方向值γ1、γ2以及距离大小S1、S2,据此就可以求出测站点P的坐标[4]。
自由测站法相比于小角法精度上有了很大提高,可用于较为复杂的工程环境,如大型地下车库和人防工程等建筑基坑位移监测。而且在基坑开挖导致周边土体变形的问题上发挥了很大的作用。
极坐标法是在自由测站法的基础上确定各观测点的平面坐标值。极坐标法的原理[5]为:在确定测站P点坐标以后,通过全站仪观测出观测点i的水平角βi和水平距离Si,通过观测值(βi,Si)计算出平面坐标(xi,yi)。公式如下:
两边全微分,则有:
其中:(xp,yp)为测站点P的坐标;αPA为基准线PA的方位角。两次的观测结果差(δxi,δyi)就是i的水平位移。
则观测误差为:mi2+m2xi+m2yi
2.3 视准线水平位移监测方法
视准线法即在两个固定基准点设置经纬仪的视线作为基准线,在其视准线范围内选择多个位移观测点,并定期对观测点和基准线之间的距离进行观测,以此来求出观测点的水平位移量的方法[6]。视准线法因其操作简单、成本较少,因此得到了广泛应用。但是因其测量过程中视线过长,可能导致观测目标模糊,进而影响观测的准确性。
3 不同水平位移检测方法对比
自由测站法、测小角法、视准线法三种方法相比,测小角法和视准线法受基坑形状和建筑检测精度的影响较大,而且只能满足特定方向和特定角度的监测,自由测站法则不受土体变形影响,可监测变形体附近的观测点,而且自由测站法多与极坐标法结合使用。视准线法和测小角法的精度多受大气环境、监测环境以及选用仪器的影响,相比之下全站仪的使用则更加简便和高效,很大程度上提高了测量的精度和可靠性[7]。
简而言之,每种方法都各有利弊,在运用过程中应该因地、因时选择最快捷、经济、可靠的方法。
4 工程实例
以西安某高层建筑深基坑为例。此基坑开挖深度为:主楼为.37m,车库为13.27m。基坑工程安全等级为一级。拟建场地地形较平整,地貌单元属黄土梁洼,工程±0.00对应绝对标高为421.20m。基坑主要采用护坡桩加锚索支护,局部采用土钉墙支护方案。根据相关规范和施工设计图纸的要求,该监测项目的预警值为:地下车库20mm,主楼10mm。基坑形状和大小、基准点、测站点和各个观测点的布置如图4所示。
水平位移监测点的设置原则:选择在基坑边坡支护结构冠梁上,沿基坑周边布置,基坑周边中部、阳角处布置监测点。具体做法是将0.5~1m钢筋打入土体,钢筋顶端留10~15cm用混凝土稳固,顶部用电钻或钢锯做监测标志。监测点间距不大于20m,每边监测点数目不应少于3个。共布设监测点21个,实际监测点布置可以根据现场情况做适当调整。
P点开挖基坑附近一个已知高程及其坐标的点,将其作为观测站,在远离基坑一定距离选择相对稳定的A、B两点作为基准点,A、B两点相距98.451m。
监测仪器选用PENTAX R-322全站仪。标称精度指标分别为:测角2″,测距2+2ppm。采用自由测站法结合极坐标法,首先将全站仪架于P点,结合清华三维平差软件确定出基准点A、B的坐标,之后就对各个观测点逐一观测,形成闭合回路。为了保证监测的精确度,在每次监测观测点之前先将全站仪架于A点,复核P点坐标是否发生变化,而且在闭合回路中的每一个观测点观测时都应该进行盘左和盘右观测,以减少观测误差。部分观测结果见表1。
从表1数据看出,观测点S4初始发展速率比较快,水平位移比较大。考虑基坑开挖深度比较大,工期比较长,应及时采取加固措施,避免因基坑局部变形过大影响施工安全[8]。
5 结束语
伴随着我国经济的不断发展,人们对土地资源更高效的利用的意识也越来越强烈,高层建筑以及地下空间也拥有更大的发展潜力和前景。同时,深基坑的支护技术以及施工过程中相应的变形监测也显得尤为重要。本文简要分析了基坑水平监测常用的方法,明确了测小角法、视准线法以及自由测站法各自的原理和优缺点,并通过实例分析说明了极坐标法在工程中的应用。
参考文献
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[5]杨雪峰,刘成龙,罗雁文.基于自由测站的基坑水平位移监测方法探讨[J].测绘科学,2011,36(5):153-154.
[6]郭美奇,陈赫.基坑水平位移监测中全站仪坐标法与经纬仪视准线法的精度比较[A].吉林省土木建筑学会.吉林省土木建筑学会2014年学术年会论文集[C].吉林省土木建筑学会:,2014:3.
[7]熊春宝,潘延玲,岳树信.基坑水平位移监测的方法比较与精度分析[J].城市勘测,1996(04):14-21.
浅谈大坝水平位移监测方法的应用 篇9
从施工到运行,大坝自身一直处于变形状态,这就要求我们从外观各方面对其进行监测来实时动态地关注大坝的变形情况,进而指导安全施工和规避风险的发生。这其中需要用到水平位移监测,目前常用的方法有前方交会法、视准线法、精密全站仪坐标法。
1 水平位移监测方法的应用
1.1 前方交会法
如果变形观测点散布在变形体上或者在变形体附近无合适的基准点可供选择时,常用前方交会法来进行观测,这时基准点选择在面对变形体的远处。
1.1.1 测角前方交会
A、B两点为工作基点,P点位变形观测点,通过在已知点A、B上设站观测得到交会角α和β,则根据测角前方交会可求得P点的坐标:
第一次观测时,测得两水平夹角为α1和β1,由上式计算得P点坐标;第二次观测时,测得两水平夹角为α2和β2,由上式计算P点坐标,那么在此两期变形观测期间,即可求得P点的位移量及位移方向。
1.1.2 测边前方交会
A、B为两个工作基点,且两点间距离S已知,测边交会时,可在A、B两点架设测距仪,分别测出水平距离a、b,根据余弦定理公式得:
然后代入测边前方交会公式可得P点坐标:
测边前方交会精度的变化受图形结构的影响较小,测距时主要受仪器测距误差(固定误差和比例误差)的影响,可选取合适的仪器提高观测精度,而测角前方交会精度受图形影响较大,需要综合考虑交会角度、距离和大气折光的影响,所以测边交会在实际使用中会更好些,相对精度更高些,此外,对某些特殊变形点仅靠测角交会或者测边交会不能满足其精度要求时,可采用边角交会法,这样可以有效提高观测精度。
1.2 视准线法
在视准线的一端点安置经纬仪,在另一端点安置照准标志,瞄准后经纬仪视线形成一基准线,利用此基准线来观测监测点垂直基准线横向位移的方法就是视准线法。视准线法包括活动觇牌法和小角度法,能够精确测定观测点偏离基准线的偏离值。
1.2.1 活动觇牌法
观测大坝水平位移视准线法,目前多采用固定端点设站法,即建立一条固定视准线法来测定各监测点的偏离值。
如图1所示,点X1、X2为校核基点,点A、B是视准线两端工作基点,T1、T2、T3为水平位移观测点。观测时将经纬仪置于A点,将固定觇标安置在B点,瞄准后将水平制动装置制动。在观测点上安置活动觇牌竖直转动经纬仪,分别转至T1、T2、T3三个点附近,指挥司觇员旋转微动螺旋,使活动觇牌标志中心与视准线重合,记录数据。然后变换度盘再次测量,通过平均数得出该监测点相对视准线的距离,具体观测次数需按工程精度要求来定。
在计算水平位移量时应考虑工作基点的位移情况,通过两端校核基点(相对稳定,定期与监测网联测)来检核工作基点的变化量,然后根据距离分配原则将水平位移变形量分配到各监测点上,进而更加准确的反应监测点的实际偏移量。
此种方法观测简单,计算方便,在大坝水平位移监测中得到了广泛的应用。然而这种方法也存在不少缺点,特别是在坝体较长的情况下照准误差成倍增加甚至难以观测,且各位移观测精度相差较大。受外界条件影响较大,而且监测点的位移量不能超出该系统的最大偏距值,否则无法进行观测。
因此在此基础上派生出了多种多样的视准线观测方法,如分段视准线、中点设站法、连续设站法、逐点设站法等,都使观测精度有了较大的提高。
1.2.2 小角法
小角法是水平位移监测中常用的方法,通过测定基准线方向与观测点的视线方向之间的微小角度从而计算观测点相对于基准线的偏离值,根据偏离值在各观测周期中的变化确定位移量。
如图2所示,如需观测某方向上的水平位移△T1T'1,在监测区域一定距离以外选定工作基点A、B,水平位移监测点的布设应尽量与工作基点在一条直线上。在B点上安置经纬仪,在A点安置觇牌,用测回法观测水平角∠ABP作为初始值β1,按观测频率第二次测得水平角为β2,得到一段时间内观测点T1与基准点连线间角度变化值△β=β2-β1,因为△β非常微小,可根据下式计算T1点的水平位移量:
δ=△β×S2/ρ
式中:S2为观测点T1至工作基点B的距离,ρ=206265″。
从图中可以看出,小角法测定的水平位移具有单一方向性,并且此方向一定是基准线的垂直方向。通常基准线按临近而平行于大坝轴线布置,而观测点则应布设在基准线方向上,各测点偏离基准线的角度不应超过30",上述规定目的在于有效发挥小角度法测量的优势:即在观测时不转动仪器照准部,而只用全站仪(经纬仪)的微动机构照准读数。实践证明,这样可以有效提高测角精度。
1.3 全站仪坐标法
采用全站仪坐标法,可直接测定任意方向位移监测点的坐标,通过计算两次坐标的变化量就可确定位移量。用全站仪坐标法进行大坝水平位移监测通常不需要频繁搬站,一站可以测很多点,可节约大量观测时间,能有效排除大坝施工干扰及周边土体变形的影响,通过相邻周期坐标计算可以快速、准确地获取监测点的位移量和累计位移量。
如图3所示,AB为基准线,在A(XA,YA)点架设全站仪测出监测点P相对基准线的水平角β和平距D,然后利用极坐标法计算P点的坐标:
通过两期观测结果之差(,)可以反映出在两个方向上监测点P点的位移变化情况。
通常情况下,为了更加直观的反映位移监测点相对坝体的位移情况,同时减轻计算工作量和更好的避免数据输入产生的错误,可建立独立坐标系(即大地坐标转施工坐标),独立坐标系坐标轴的方向宜取与大坝的轴线方向一致,这样以后每次观测得测点的坐标变化量就是监测点沿大坝轴线方向或者垂直方向的位移量。
2 结语
每一种方法都有自己的特点,我们在选用水平位移监测方法的时候,既要考虑到精度可行性,也要考虑到经济等方面的问题。在满足精度要求的前提下,尽量使用简单实用经济的方法。对于不同的现场,有不同的特点,不一定采用一种方法,可以采用两种或者两种以上方法结合来进行水平位移的监测。
摘要：大坝在施工和蓄水期间稳定性极易受到影响而产生变形,通过水平位移监测可分析判断坝体的水平位移和稳定性变化情况。随着大坝监测技术的进一步发展,大坝水平位移的监测方法也呈多样化,主要介绍几种常用的水平位移监测方法,为指导监测提供参考。
关键词：大坝,水平位移,监测方法,应用
参考文献
[1]张正禄.工程的变形监测分析与预报[M].北京:测绘出版社,2007.
凤凰颈闸垂直位移观测方法的探讨 篇10
凤凰颈闸位于无为大堤24+030处, 始建于1953年, 是一座钢筋砼箱涵式2孔闸。闸长45.3 m, 闸孔宽、高为5.3 m×4 m, 钢平面闸门卷扬式启闭。主要用于防洪排涝, 可排涝、灌溉良田100多万亩。凤凰颈闸运行几十年以来, 在安徽省防汛、抗旱中发挥了重要作用。从1997年至于今, 一直没有垂直位移观测资料。2005年凤凰颈闸上划安徽省长江河道管理局管理, 为了加强管理, 确保凤凰颈闸运行安全, 安徽省长江河道管理局管理决定自2006年起每年高水位和枯水期各进行一次垂直位移观测。该工程对完善当地流域防洪体系, 保障当地经济、社会的发展和稳定具有重要作用。
2 垂直位移观测点布置
用水准仪观测建筑物垂直位移时, 需埋设变形监测基点、工作基点和垂直位移观测点, 现分述如下。
(1) 变形监测基点。理论上变形监测基点的布设可选择以下两种方法:一是远设, 即将基准点设在远离变形体的地方;二是深埋, 即将基准点深埋至基岩。然而实际监测工作中上述方法都是难以实现的, 因此, 实际工作中是在监测点和基准点之间增设工作基点。为了便于校测, 监测基点埋设的数量不得少于三个。变形监测基点的高程应从精密水准点引测, 每隔1~2年校测一次。
(2) 工作基点。工作基点一般埋设在建筑物两岸的基岩或坚实的土基上, 且与观测点之间距离较近的地方。其安装数量视垂直位移校点的布置情况而定。工作基点每年至少应校测一次。
(3) 垂直位移观测点。垂直位移观测点应布置在闸室、闸顶、岸、翼墙、闸墩上, 如果闸身较长, 可在伸缩缝两侧各布设一个观测点。点的数量应能反映整个闸体及其附属体变形情况, 并满足变形分析的需要。
凤凰颈闸共布设垂直位移观测点2 2个, 测压管井4座, 工作基点为水文站路边水文700, 水文702, 水文703 (如图1) 。
3 垂直位移观测
垂直位移观测的方法一般用几何水准测量法。为提高测量精度, 垂直位移观测一般采用“三级点位、两级控制”方式;即将垂直位移观测的布点分为三级:变形监测基点、工作基点、垂直位移观测点。垂直位移观测分为两级进行: (1) 变形监测基点——工作基点。 (2) 工作基点——垂直位移观测点。
观测前首先校核已知变形监测基点的高程, 然后测得变形监测基点与工作基点的高差, 并构成附合高程路线 (即布置工程控制网) , 观测的精度要求每KM往返水准测量高差中数的偶然中误差不大于0.5 mm。凤凰颈闸垂直位移观测使用国家二等水准测量进行。
垂直位移观测应符合现行国家水准测量规范要求, 水准测量等级及相应精度应符合 (表1) 的规定。
垂直位移观测应严格依照规范中“水准观测”的有关规定进行操作, 一、二等水准均按环线往、返施测, 由往测转向返测时, 两支标尺互换位置, 水准点偶数站上桩, 垂直位移点总站数为偶数。某一测段由同一个人观测。观测时间规定为:日出后与日落前半小时内不宜观测, 太阳中天前后两小时不宜观测。观测方法为:往测奇数站照准标尺读数顺序为“后视标尺的上下丝2后视标尺的基本分划 (中丝) 2前视标尺的基本分划 (中丝) 2前视标尺的上下丝2前视标尺的辅助分划 (中丝) 2后视标尺的辅助分划 (中丝) ”, 即“后前前后”, 而往测偶数站为“前后后前”;返测时奇、偶数站分别和往测时偶、奇数站同观测顺序。一、二等水准限差的规定要求见表2。
2006年9月至2012年2月, 对凤凰颈闸主体工程连续进行了1 2次垂直位移变形观测, 各测次闭合差见表3。
垂直位移观测根据二、三等水准观测记录数据和水准线路构成的闭合条件采用严密平差方法推求各节点高程, 各测段根据平差后高程按测站数进行改正计算, 求得垂直位移监测点各测次的高程。并绘制垂直位移纵断面图分布图, 各监测点的垂直位移过程曲线图。
4 数据处理与变形分析
4.1 数据处理
垂直位移观测根据二等水准观测记录数据和水准线路构成的闭合条件进行平差, 求得垂直位移监测点各测次的高程。为了增强监测数据的可比性, 每次观测所采用的仪器、方法和观测路线一致, 采用垂直位移点第一次观测计算的高程为初始值, 依据各监测点垂直位移量和时间的关系绘制监测点垂直位移过程曲线。
4.2 变形分析
4.2.1 分析依据
垂直位移观测采用Zeiss Dini12电子数字水准仪 (标称精度为±0.3 mm/km_按二等水准测量。根据国家二等水准测量每公里高差中数偶然中误差和全中误差的精度指标衡量垂直位移观测的精度, 并根据误差分布规律和误差传播规律分析测量误差对工程变形观测的影响规律和影响程度, 进而分析工程的变形规律和变形程度。
4.2.2 变形分析
凤凰颈闸共布设了22个垂直位移观测点, 2006年9月至2012年2月进行了连续12次观测, 垂直位移监测结果显示观测点垂直位移累计量变化范围为-5.88 mm~11.01 mm。垂直位移累计量最大为B02点, 累计位移量11.01 mm (2010年06月28日) , 垂直位移累计量最小为B12点, 累计位移量-0.08 mm (2011年1月13日) ;单次垂直位移量最大为B17, 垂直位移量5.65 mm (2007年01月25日) , 最小为AD、B02、B07点, 垂直位移量为0 (2012年2月11日。从观测点的垂直位移过程可以看出, 绝大部分观测点呈现出升降变化的同步和整体性特点, 且同测次相互之间较差很小。
总体来看, 桥面表现为下沉, 外侧略大于内侧, 闸体略有反弹, 应加强观测。
5 几点认识和体会
(1) 水闸变形观测是一项精密、细致的工作, 应严格按照国家有关测量规范进行操作, 观测人员需要熟练掌握操作规程, 加强安全生产意识, 认真落实安全措施。
(2) 为保证观测的准确性, 施测过程中采取如下措施:观测在成像清晰、稳定时进行;仪器前、后视距用皮尺丈量, 视距为20 m~30 m且前后视距相等;前视各点观测完毕后, 回视后视点, 最后闭合于水准点上。在观测过程中, 我们遵循了“五定”原则, 即基准点和垂直位移观测点的点位稳定;所用仪器、设备稳定;观测人员稳定;观测时的环境条件相对稳定;观测路线、镜位、程序和方法固定。以上措施能尽量减少观测误差的主观不确定性, 能保证各次复测结果与首次观测结果的可比性一致, 使所观测的垂直位移量更真实。
(3) 随着时间的推移, 经资料分析, 水闸垂直位移稳定后, 可适当减少测次。
(4) 出现连续降雨、地震等不利气象因素可能导致建筑物基础的稳定性发生变化时, 应加强监测。
参考文献
[1]黄声亨, 尹晖, 蒋征.变形监测数据处理 (Ⅱ) [M].湖北:武汉大学出版社, 2010.
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