小議土木工程建筑物變形的預報技術

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眾所周知，因變形體具有極其多樣和復雜的變形機理，故在實際研究當中，為能夠有效模擬、逼近以及準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，這對于災害的防治及相關工程的設計，都有極其重要的作用?？偟目磥恚幚砗头治鲎冃螖?shù)據(jù)、及對各方面變形進行物理解釋和預報，這就是變形分析所涉及的主要研究內容；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。

一、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系建立起來，并對其中的變形成因進行相應的解釋，主要有以下這幾種方法：

1統(tǒng)計分析法。通過回歸模型的建立，對所觀測的效應量（變形）及原因量（影響因素）之間的相關性進行分析，來完成荷載-變形之間關系數(shù)學模型的建立。具有“后驗”性質的統(tǒng)計分析法，在當前變形成因分析法當中應用得比較廣泛；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。

2確定函數(shù)法。這種方法主要采用有限元法，通過一定的假設條件，結合變形體相關的物理性質及力學性質，基于應力與應變之間的關系把荷載與變形之間的函數(shù)模型建立起來，再應用所構建的函數(shù)模型來對變形體在一定荷載作用下可能發(fā)生的變形進行預報。這個具有“先驗”性質的函數(shù)模型，在相關物料概念方面，具有比統(tǒng)計模型來得更準確的優(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混合模型法。基于確定性模型和統(tǒng)計模型這兩種模型而發(fā)展起來的。若原音量與效應量具有較明確的關系，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有關它們之間的函數(shù)關系，即使應用相應的物理理論進行計算也無法給予確定、②與效應量具有不很確定的關系，則應采用統(tǒng)計模式來進行分析，在此基礎上再跟實際值加以擬合而把模型建立起來。例如，我國曾有學者在進行壩體形態(tài)分析過程中，應用混合模型分析法進行分析，獲得了比較理想的效果。此外，在應用混合模型進行建筑物變形分析和預報過程中，還可應用反分析法；這種反分析是在把系統(tǒng)識別理論進行仿效的基礎上，以正分析成果為其證據(jù)，來進行相應的理論分析，通過反求來把建筑物及周圍材料的參數(shù)、相關規(guī)律及信息等向建筑物相關設計單位、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。

二、變形的幾何分析方法

1時間序列分析。相關研究表明，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)相關序列向平穩(wěn)相關系列進行轉變；第二，有關隨機動態(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，在此基礎上再對建筑物的變形進行預報。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，并完成模型的構建；若時間序列屬于比較小的數(shù)據(jù)量，則進行建模可應用灰色系統(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，如果能以多點關聯(lián)變形分析法來對各測點之間的相關性進行分析，則對建筑物的監(jiān)測分析和預報將獲得更好效果。

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，則可應用Fourier（付立葉）變換把時域信息向頻域進行轉化并加以分析，在此基礎上，把各個諧波頻率的振幅計算出來，并把最大振幅所對應的主頻確定出來，這樣就可完成變形變化周期的確定。若輸出為測點的變形，輸入為跟測點有關的環(huán)境量，通過估計頻率響應函數(shù)、響應譜函數(shù)及其相關的函數(shù)，就可把輸出與輸入之間的相關性求得出來，以此把對變形產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的物理解釋，在此基礎上并對建筑物的變形進行相應的預報。

3小波分析法。科學的發(fā)展，促使了自然、社會等多學科的相互交叉，從而形成了小波理論這一多學科交叉結晶，在當前被廣泛應用于各種工程和科研之中；應用這種分析方法，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，有關周期性的變形，應用小波變換同樣可進行準確探測；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造出來，為土木工程建筑物的變形分析及預報提供了良好的條件。

三、結束語

總之，進行土木工程建筑物變形分析和預報，這是一項相當復雜的系統(tǒng)工程；總結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，在此基礎上，進一步對土木工程建筑物變形分析與預報技術進行更為深入的研究和總結，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。（本文作者：婁真 單位：河南省省直機關房屋建設開發(fā)公司）