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摘要：高层建筑动态特性监测是高层建筑工程项目的一项重要工作，关系到高层建筑的安全、稳定使用。本文对高层建筑动态特性监测方法展开了探讨，对基于微波干涉测量技术的高层建筑动态特性监测方法进行了介绍，并结合实例，验证了该方法的有效性。
关键词：高层建筑；动态特性；监测
引言
随着我国城市建设的快速发展以及建筑施工技术的不断进步，高层建筑在城市建設中得到了越来越广泛的应用，人们对高层建筑的安全性能也越来越重视。其中，高层建筑动态特性的监测能够对高层建筑的状态进行实时监测，从而能够及时发现问题并解决，确保高层建筑的安全、稳定。基于此，笔者对高层建筑动态特性的监测方法进行了介绍。
1.微波干涉测量技术简介
近景摄影测量技术、加速度传感器法、全站仪法、激光铅直仪法均是建筑工程上较为常见的监测技术，但是它们的自动化程度较低、精度不高而不适合应用于动态监测。全球定位系统（GPS）技术因具有测量精度高、全天候测量、快速测量、自动化测量等特点而被广泛应用到对高耸结构物的动态特征进行监测。但是GPS所测得的数据中具有较大的多路径效应误差与随机噪声，较难分析数据，而微波干涉测量技术（ISBS-S技术）可有效弥补GPS技术之不足。微波干涉测量技术（ISBS-S技术）是一种应用较为广泛的远程监测系统，集成了Interferometry技术（干涉测量技术）与SF-CW技术（步进频率连续波技术）。微波干涉测量技术（ISBS-S技术）由意大利佛罗伦萨大学与意大利IDS公司通过6年的艰苦努力得出的科研成果，具有较多的应用特点：第一，ISBS-S技术的动态监测标称精度为0.01mm；第二，ISBS-S技术的距离分辨率为50cm，最大的测量距离可以达到1000m；第三，ISBS-S技术的处理能力、控制能力较强，且易于操作人员进行操作；第四，ISBS-S技术的最高采样频率为200Hz，且易于安装；第五，ISBS-S技术不太容易受到天气的影响，进而能够实现24h实时监测。
1.1步进频率连续波技术
SF-CW技术（步进频率连续波技术）是系统在统一时间内向外发射出n个电磁波，且发射的步进频率各不相同。SF-CW技术能够实现长距离传输电磁波的功效，并且还能够让距离向分辨率Δr达到最高值，Δr的计算公式如公式（1）所示。
1.2干涉测量技术
干涉测量技术的工作原理为：目标位移的变化情况是通过对接收的电磁波与发射的电磁波之间的相位差进行测量来予以确定，通过对相位差φ进行对比，即可得出目标径向变形量d，如公式（2）所示。
ISBS-S技术能够全天候24h、大范围、远距离地监测目标区域，并且还可实现高精度监测目标物体的变形量。与此同时，ISBS-S技术可不在目标物附近安装光学目标或传感器的前提下可远距离观测目标物，尤其是能够精确监测那些变化较小的目标物（如高塔、高层建筑、桥梁等），位移测量结果精度甚至可以达到亚毫米级。
2.微波干涉测量技术的测量精度
2.1 ISBS-S技术的理论测量精度
2.2 ISBS-S技术的实际测试精度
将ISBS-S系统架设在试验场地，并且在仪器旁边20m处设置一个目标物，对目标物进行模拟变形。与此同时，目标物的变形量采用精度为0.02mm的游标卡尺来进行精确调节，对比分析ISBS-S系统测得的变形值与调节结果。为了确保整个试验过程的准确性，每次测试重复4次。目标物的变形量为3mm和4mm时，ISBS-S精度测试结果如表1所示。
3.应用案例分析
3.1 A高层建筑概况
A高层建筑由4个部分组成，分别是悬臂、裙楼、塔楼，整个建筑物的主体结构为钢结构，钢材是其主要建材，用钢量达12万吨。
3.2试验方案
采用环境激励法来开展试验，输出响应为A高层建筑的变形量，输入信号为一系列环境因素（包括施工荷载、风荷载、地脉动荷载等），振动特性通过分析A高层建筑的结构频谱来获取。优点：环境激励法既不会影响到A高层建筑的正常施工，又不需要配备过多的额外设备。缺点：输入的环境激励能量较小，很难准确获得A高层建筑结构高阶振型的振动特性，所激发的振动只是低阶振型的振动特性。
（1）采样频率
基于奈奎斯定理来看，fδ（试验的采样频率）应该要大于或者等于2倍fc（A高层建筑的最高自振频率）。为了对高层建筑原始振动信号进行准确采集，实际的采样频率通常应为4～5倍最高自振频率。由于环境激励法所激发的振动只是低阶振型的振动特性，A高层建筑的最高振动频率必然低于10Hz，所以，为了能够对原始振动信号进行准确采集，可将ISBS-S的采样频率设置为40Hz。
（2）观测区域及试验时间
由于A高层建筑的悬臂处于悬空状态，所以，务必要对其安全性进行评估。ISBS-S系统放置在悬臂的正下方，务必要瞄准悬臂，设置1号监测点。试验时间为2016年4月1日，持续时间为300s。
3.3试验结果与分析
（1）试验结果
干涉处理雷达影像（由ISBS-S系统获取），即可得到干涉图。因为ISBS-S系统固定于地面，基线与地平面相平，可设置为0，所以干涉图中的相位信息Δφ不包括建筑结构的形状信息，只有误差和变形信息。视线向的一维变形值dφ
可通过公式（4）所示。
利用与ISBS-S系统配套的SW软件可进行数据处理作业，分别可得出悬臂的加速度数据、速度数据和变形数据。本文由于篇幅有限，对A高层建筑悬臂的动态特性仅以1号监测点的监测结果来进行分析，图1为1号监测点的变形曲线，图2为1号监测点的速度曲线，图3为1号监测点的加速度曲线。由图可知，本试验的最大变形值仅为0.39mm，其标准差为±0.08mm，主要原因在于：输入信号为一系列环境因素（包括施工荷载、风荷载、地脉动荷载等），其能量较小，自然就不会导致输出信号（A高层建筑的变形量）的数值较大。由此可见，本次试验所得的数据是较为准确、可靠的，可得到较高质量的观测效果，适用于分析高层建筑结构的自振特性。
（2）频谱分析
频谱分析的主要目的在于通过傅里叶变换将原本较为复杂的时域信号分解为多个谐波分量（均为单一性），以此来获得信号的相位信息、谐波信息和频率结构。通过傅里叶变换来分析1号监测点的位移时间序列，即可得到1号监测点的频谱图，如图4所示。其最小频率为0.2Hz，最大频率为1.2Hz，最高振型（第3阶振型）的振动频率为0.381Hz。其次为第2阶振型，振动频率为0.322Hz，再次为第1阶振型，振动频率为0.239Hz。
（3）结果对比分析
将本试验的ISBS-S实测值与通过理论计算所得出的结果进行比较，如表2所示。由表2可以看出，第2阶振型和第3阶振型的ISBS-S实测值与自振频率计算值基本无差异，差异率低于1%。而第1阶振型的ISBS-S实测值与自振频率计算值有所差异，自振频率计算值要大于ISBS-S实测值，差异率为7%，但属于误差可接受范围。
4.结论
综上所述，微波干涉测量技术具有高精度、高频率、操作方便、可实现实时监测等优点，得到了广泛的应用。本文介绍了一种基于微波干涉测量技术的高层建筑动态特性监测方法，经过实际案例验证分析，该方法能够有效实现对高层建筑动态特性的实时监测，从而确保高层建筑的安全运行，具有一定的推广应用价值。
参考文献：
[1]超高层建筑GPS实时动态监测技术研究[J].刘贺春，郭秋.测绘与空间地理信息.2016（09）
[2]动态监测系统在高层建筑纠偏中的应用[J].张三福，邓正定.甘肃科技.2016（08）
关键词：高层建筑；动态特性；监测
引言
随着我国城市建设的快速发展以及建筑施工技术的不断进步，高层建筑在城市建設中得到了越来越广泛的应用，人们对高层建筑的安全性能也越来越重视。其中，高层建筑动态特性的监测能够对高层建筑的状态进行实时监测，从而能够及时发现问题并解决，确保高层建筑的安全、稳定。基于此，笔者对高层建筑动态特性的监测方法进行了介绍。
1.微波干涉测量技术简介
近景摄影测量技术、加速度传感器法、全站仪法、激光铅直仪法均是建筑工程上较为常见的监测技术，但是它们的自动化程度较低、精度不高而不适合应用于动态监测。全球定位系统（GPS）技术因具有测量精度高、全天候测量、快速测量、自动化测量等特点而被广泛应用到对高耸结构物的动态特征进行监测。但是GPS所测得的数据中具有较大的多路径效应误差与随机噪声，较难分析数据，而微波干涉测量技术（ISBS-S技术）可有效弥补GPS技术之不足。微波干涉测量技术（ISBS-S技术）是一种应用较为广泛的远程监测系统，集成了Interferometry技术（干涉测量技术）与SF-CW技术（步进频率连续波技术）。微波干涉测量技术（ISBS-S技术）由意大利佛罗伦萨大学与意大利IDS公司通过6年的艰苦努力得出的科研成果，具有较多的应用特点：第一，ISBS-S技术的动态监测标称精度为0.01mm；第二，ISBS-S技术的距离分辨率为50cm，最大的测量距离可以达到1000m；第三，ISBS-S技术的处理能力、控制能力较强，且易于操作人员进行操作；第四，ISBS-S技术的最高采样频率为200Hz，且易于安装；第五，ISBS-S技术不太容易受到天气的影响，进而能够实现24h实时监测。
1.1步进频率连续波技术
SF-CW技术（步进频率连续波技术）是系统在统一时间内向外发射出n个电磁波，且发射的步进频率各不相同。SF-CW技术能够实现长距离传输电磁波的功效，并且还能够让距离向分辨率Δr达到最高值，Δr的计算公式如公式（1）所示。
1.2干涉测量技术
干涉测量技术的工作原理为：目标位移的变化情况是通过对接收的电磁波与发射的电磁波之间的相位差进行测量来予以确定，通过对相位差φ进行对比，即可得出目标径向变形量d，如公式（2）所示。
ISBS-S技术能够全天候24h、大范围、远距离地监测目标区域，并且还可实现高精度监测目标物体的变形量。与此同时，ISBS-S技术可不在目标物附近安装光学目标或传感器的前提下可远距离观测目标物，尤其是能够精确监测那些变化较小的目标物（如高塔、高层建筑、桥梁等），位移测量结果精度甚至可以达到亚毫米级。
2.微波干涉测量技术的测量精度
2.1 ISBS-S技术的理论测量精度
2.2 ISBS-S技术的实际测试精度
将ISBS-S系统架设在试验场地，并且在仪器旁边20m处设置一个目标物，对目标物进行模拟变形。与此同时，目标物的变形量采用精度为0.02mm的游标卡尺来进行精确调节，对比分析ISBS-S系统测得的变形值与调节结果。为了确保整个试验过程的准确性，每次测试重复4次。目标物的变形量为3mm和4mm时，ISBS-S精度测试结果如表1所示。
3.应用案例分析
3.1 A高层建筑概况
A高层建筑由4个部分组成，分别是悬臂、裙楼、塔楼，整个建筑物的主体结构为钢结构，钢材是其主要建材，用钢量达12万吨。
3.2试验方案
采用环境激励法来开展试验，输出响应为A高层建筑的变形量，输入信号为一系列环境因素（包括施工荷载、风荷载、地脉动荷载等），振动特性通过分析A高层建筑的结构频谱来获取。优点：环境激励法既不会影响到A高层建筑的正常施工，又不需要配备过多的额外设备。缺点：输入的环境激励能量较小，很难准确获得A高层建筑结构高阶振型的振动特性，所激发的振动只是低阶振型的振动特性。
（1）采样频率
基于奈奎斯定理来看，fδ（试验的采样频率）应该要大于或者等于2倍fc（A高层建筑的最高自振频率）。为了对高层建筑原始振动信号进行准确采集，实际的采样频率通常应为4～5倍最高自振频率。由于环境激励法所激发的振动只是低阶振型的振动特性，A高层建筑的最高振动频率必然低于10Hz，所以，为了能够对原始振动信号进行准确采集，可将ISBS-S的采样频率设置为40Hz。
（2）观测区域及试验时间
由于A高层建筑的悬臂处于悬空状态，所以，务必要对其安全性进行评估。ISBS-S系统放置在悬臂的正下方，务必要瞄准悬臂，设置1号监测点。试验时间为2016年4月1日，持续时间为300s。
3.3试验结果与分析
（1）试验结果
干涉处理雷达影像（由ISBS-S系统获取），即可得到干涉图。因为ISBS-S系统固定于地面，基线与地平面相平，可设置为0，所以干涉图中的相位信息Δφ不包括建筑结构的形状信息，只有误差和变形信息。视线向的一维变形值dφ
可通过公式（4）所示。
利用与ISBS-S系统配套的SW软件可进行数据处理作业，分别可得出悬臂的加速度数据、速度数据和变形数据。本文由于篇幅有限，对A高层建筑悬臂的动态特性仅以1号监测点的监测结果来进行分析，图1为1号监测点的变形曲线，图2为1号监测点的速度曲线，图3为1号监测点的加速度曲线。由图可知，本试验的最大变形值仅为0.39mm，其标准差为±0.08mm，主要原因在于：输入信号为一系列环境因素（包括施工荷载、风荷载、地脉动荷载等），其能量较小，自然就不会导致输出信号（A高层建筑的变形量）的数值较大。由此可见，本次试验所得的数据是较为准确、可靠的，可得到较高质量的观测效果，适用于分析高层建筑结构的自振特性。
（2）频谱分析
频谱分析的主要目的在于通过傅里叶变换将原本较为复杂的时域信号分解为多个谐波分量（均为单一性），以此来获得信号的相位信息、谐波信息和频率结构。通过傅里叶变换来分析1号监测点的位移时间序列，即可得到1号监测点的频谱图，如图4所示。其最小频率为0.2Hz，最大频率为1.2Hz，最高振型（第3阶振型）的振动频率为0.381Hz。其次为第2阶振型，振动频率为0.322Hz，再次为第1阶振型，振动频率为0.239Hz。
（3）结果对比分析
将本试验的ISBS-S实测值与通过理论计算所得出的结果进行比较，如表2所示。由表2可以看出，第2阶振型和第3阶振型的ISBS-S实测值与自振频率计算值基本无差异，差异率低于1%。而第1阶振型的ISBS-S实测值与自振频率计算值有所差异，自振频率计算值要大于ISBS-S实测值，差异率为7%，但属于误差可接受范围。
4.结论
综上所述，微波干涉测量技术具有高精度、高频率、操作方便、可实现实时监测等优点，得到了广泛的应用。本文介绍了一种基于微波干涉测量技术的高层建筑动态特性监测方法，经过实际案例验证分析，该方法能够有效实现对高层建筑动态特性的实时监测，从而确保高层建筑的安全运行，具有一定的推广应用价值。
参考文献：
[1]超高层建筑GPS实时动态监测技术研究[J].刘贺春，郭秋.测绘与空间地理信息.2016（09）
[2]动态监测系统在高层建筑纠偏中的应用[J].张三福，邓正定.甘肃科技.2016（08）