超高层建筑施工过程沉降特征分析
来源：《测绘科学》2017年7月
作者：袁长丰，刘颖，李聪明，王臣
第一作者简介：袁长丰，山东阳谷人，副教授，博士，主要研究方向为工程测量。
摘 要：针对监测超高层建筑沉降指导建筑施工的问题，从荷载、沉降和时间3者之间关系曲线出发，分析了某超高层建筑施工过程中4年的沉降监测数据，得到了该超高层建筑的沉降特征，并对转化层沉降在施工过程中沉降贡献率和滞后的剩余沉降进行了分析。结果表明：超高层建筑沉降的增加与时间、荷载呈非线性关系;沉降曲线可分为“凸” “凹”“直线”3个阶段;转换层沉降是沉降曲线由“凸”型转变为“凹”型的部分，要减慢转换层施工速度，让前期滞后荷载量的沉降得到释放;主体封顶后的滞后剩余沉降值和沉降稳定时间历程是评价建筑沉降稳定和安全性的主要因素。提出了沉降曲线的3个阶段，获得了各阶段沉降特征，构造了沉降曲线函数，为超高层建筑的安全施工提供了参考。
关键词：超高层建筑;沉降;转换层;滞后沉降
0 引言
超高层建筑具有超高和大体量荷载的特点，对其安全性要求非常高，施工过程中的沉降监测是建筑安全保障的重要环节。近些年，随着超高层建筑越来越多的出现，有关超高层建筑的沉降特征和规律方面研究得到不断重视，如针对软黏土地区超高层建筑沉降变形进行了沉降时变性模型研究[1];对上海中心大厦沉降观测的设计和监测数据分析[2];对超高层建筑沉降计算压缩模量的取值进行了研究[3];对高层建筑沉降进行了灰色预测研究[4]，根据建筑沉降时效的基本规律[5]，给出了相应的经验公式，结合沉降变形资料建立了曲线拟合和自回归模型，并实现了沉降预测的自动化[6]。在国外，文献[7-13]对高层建筑的底板不均匀沉降、长期沉降、沉降控制桩优化等作了分析和研究。本文结合青岛某超高层建筑在施工过程中的沉降监测，分析该超高层建筑在施工过程中的沉降特征，并就转换层施工引起的沉降和主体封顶后的滞后沉降特征进行分析，构造了沉降曲线函数，为今后类似工程设计和施工提供参考。
1 沉降监测的实施
青岛某超高层建筑是一座综合性智能化大厦，共70层，设计整体高度为228m，其中地下5层、地上65层，采用框架-核心筒结构。本工程的建筑变形测量等级为一级。测量使用TOPCON DL102-C电子水准仪，配以TOPCON S1-3条形码铟钢水准尺。TOPCON DL102-C电子水准仪。采用独立高程系统。在2倍开挖基坑范围之外布设3个基准点，在拟建场地附近建立较稳定工作基点，组成扩展网。每次观测先进行控制网闭合路线观测，然后进行监测网闭合路线观测，并进行平差计算。
沉降观测点的布设结合《建筑变形测量规范》(JGJ8—2007)[14]要求，应能全面反映建筑及地基变形特征，点位宜选设在下列位置：建筑的四角、核心筒四角、大转角处及沿外墙每10～20m处或每隔2～3根柱基上。参考设计图纸和规范要求，结合多年监测经验，本次沉降监测在超高层建筑共设置沉降观测点17个，位置如图1所示。各沉降观测点布设在±0.000标高以上200～300mm的承重柱、核心筒上。本工程沉降监测严格按照编制的工程施测方案及确定的观测周期进行观测。首次观测在观测点稳固后及时进行观测，观测2次，取2次观测的平均值作为初始数据。随着施工进度的增加，每增加两层观测一次;竣工后每个月观测一次。本沉降观测从2010年12月14日开始，截止到2014年9月25日，共计观测45期，历时1380d。
图1 沉降观测点布置
图2 沉降等值线图
从图2可知，该超高层建筑中心部分沉降较大，周边部分沉降相对较小。反映在图1中就是核心筒部分荷载大，沉降相对较大，周边部分由于荷载小，沉降相对较小，因此，沉降值大小与上部荷载相关。该超高层最大不均匀沉降符合建筑地基基础设计规范(GB50007—2011)要求。
2 施工过程沉降特征分析
2.1 建筑沉降、荷载与时间的关系
选取具有代表性的该超高层建筑沉降监测点4号、8号、10号和15号进行建筑沉降特征分析。其中，10号点是最大沉降点，沉降值为40.3mm，该点位于核心筒上;4号点位于楼体东北角承重柱上，8号点位于楼体南侧的承重柱上，15号点位于电梯井的外墙上，具体位置见图1所示。
根据沉降监测资料，绘出4个典型位置监测点的w-t-s(荷载、时间、沉降量)曲线图，如图3所示。其中：w(104t)为该超高层建筑荷载;t(d)为观测时间;s(mm)为该超高层建筑沉降值。按照沉降曲线走势和施工进程，可以把图3中沉降曲线分成3 个阶段、8 个部分。沉降曲线3 个阶段为“凸”型沉降阶段、“凹”型沉降阶段和“直线”型沉降阶段。3个阶段分别对应沉降缓慢增长过程、沉降快速增长过程和沉降趋于稳定过程。其中，沉降缓慢增长过程在曲线图3中包括①～③部分;沉降快速增长过程在曲线图3中包括④～⑦部分;沉降趋于稳定阶段在曲线图3中包括⑧部分。
图3中各阶段沉降特征具体分析如表1所示。
图3 w-t-s(荷载、时间、沉降量)曲线】
表1 各阶段沉降特征具体分析表
各阶段沉降和荷载在3个阶段占总量的对比见图4。从图4中可知，在“凸”型阶段沉降要滞后荷载一定比例，一般不超过同期荷载增加量的15%为宜;在“凹”形阶段要把前期滞后的沉降释放出来，在这个阶段一要确保释放前期滞后沉降不能给施工安全带来影响，即要控制释放速率，二是要确保第三阶段即直线阶段沉降量不能占总沉降量较大比值，以免影响建筑沉降稳定，一般不超过同期荷载增加量的10%为宜;在直线阶段，一般滞后沉降以不超过总沉降量的5%为宜。
图4 沉降和荷载在3个阶段占总量对比
2.2 转换层在沉降历程中的贡献
绘制沉降与时间关系曲线，如图5 所示。图5中细实线是平均沉降曲线。图5中沉降曲线“凸”型变为“凹”型发生在转换层(24层)出现前后，监测点的平均沉降速率变化较为明显。以10号点为例，出现转换层之前，10号点平均沉降速率为0.023mm/d，在转换层之后，10号点平均沉降速率为0.074mm/d，该点沉降速率增加3倍多。由此可以得出：转换层的存在对整个超高层建筑的沉降有着不可忽视的影响。因此，对超高层建筑的沉降监测而言，应特别注意转换层和核心筒的监测预报，以确保整个建筑的安全施工。
图5 实测沉降数据与时间关系曲线
从沉降历程来看，10号点在第③部分施工期间累计沉降7.3mm，占该点总沉降量的18.3%。在第④部分施工期间累计沉降4.6mm，是转换层施工期间沉降量的63%。可见，转换层施工至关重要，该阶段减慢施工进度，让前期滞后的沉降量得到释放，对实现后期沉降稳定贡献明显。针对本超高层案例，在转换层之前，沉降量占总沉降量百分比为20.84%，此时荷载占总荷载百分比为34.57%，沉降滞后荷载13.73%，在转换层之后，沉降量占总沉降量百分比为35.5%，荷载占总荷载百分比为46%，沉降滞后荷载10.5%，滞后的沉降得以释放，因此，建议转换成施工期间应该释放前期滞后的沉降量，根据经验，一般以5%为宜。
2.3 沉降曲线函数表达
考虑到在沉降过程中，沉降值一直处于增长过程，而沉降速率是变化的，从最初的0缓慢增加到最大值之后又开始降低，并最终沉降速率恢复到0。各部分沉降速率变化与观测时间关系如图6所示。
图6 各部分沉降速率与观测时间曲线
从图6可以看出，在观测577d后沉降速率达到最大，到2014年3月9日，观测1182d时，出现连续两期观测数据的沉降速率为0.001mm/d，即沉降已经进入稳定阶段，可以得出沉降速率最大值出现在0.5 T 左右，T 为总观测时间。参考文献[15]，构造沉降曲线函数表达式，见式(1)。
式中：w(t)是任意时刻的沉降值;w1(t)是沉降速度达到最大值之前的任意时刻的沉降值;w2(t)是沉降速度达到最大值之后的任意时刻的沉降值;we是最终沉降值;l为沉降速率达到最大值的时间，l=577d;T
为总观测时间，T
=1380d;k是沉降系数，选取本建筑物的沉降系数k=0.003。图7是通过式(1)计算的沉降曲线与选取的典型点沉降曲线对比，可以看出，式(1)可以很好地反映该建筑物沉降过程。
3 滞后的剩余沉降
研究主体封顶后的滞后剩余沉降具有现实工程意义，主要有两方面：一是评价建筑工程是否进入沉降稳定阶段;二是进入沉降稳定阶段的时间历程多长。通过判断沉降是否进入稳定阶段来决定工程安全性，通过进入稳定阶段的时间历程长短，可以判断剩余沉降占总沉降量比重，进而可以优化施工过程，为类似工程提供技术参考。
以10号点为例。图8为从荷载结束到沉降稳定的沉降曲线图。从2013年5月24日主体封顶后到2014年1月19日沉降进入到“直线”阶段，共历时239d。从图8可以看出，滞后的剩余沉降总计为0.8mm，占该点总沉降量的2%。
4 结束语
超高层建筑沉降的增加与时间、荷载呈非线性关系，荷载较大部分即核心筒沉降较大。沉降曲线一般经历“凸”“凹”“直线”3个阶段，在不同阶段，沉降值与荷载关系不同。
转换层对超高层建筑沉降有着重要影响。转换层出现前后，平均沉降速率有着较大的变化，增大的趋势很明显，是沉降曲线从“凸”向“凹”型转变部分。
在沉降曲线“凸”型阶段，滞后于荷载的沉降量要在沉降曲线“凹”型阶段得到释放，但要注意释放速率和释放总量，为主体封顶后建筑沉降稳定提供条件。
超高层建筑施工过程中，应加强转换层和核心筒的监测预报，在转化层施工过程中适当降低施工速度，让前期滞后的沉降释放出来，确保整个建筑的安全施工。
超高层建筑沉降是否稳定与主体封顶后的滞后剩余沉降值大小以及沉降时间历程相关。
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