橋梁工程變形監(jiān)測

§13—4橋梁工程變形監(jiān)測一、概述大型橋梁，如斜拉橋、懸索橋自20世紀(jì)90年代初期以來在我國如雨后春筍般的開展。這種橋梁的結(jié)構(gòu)特點是跨度大、塔柱高,主跨段具有柔性特性。在這類橋梁的施工測量中,人們已針對動態(tài)施工測量作了一些研究并取得了一些經(jīng)驗。在竣工通車運(yùn)營期間,如何針對它們的柔性結(jié)構(gòu)與動態(tài)特性進(jìn)行監(jiān)測也是人們十分關(guān)心的另一問題。盡管目前有些橋梁已建立了了解結(jié)構(gòu)內(nèi)部物理量的變化的“橋梁健康系統(tǒng)”,它對于了解橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化、分析變形原因無疑有著十分重要的作用。然而,要真正到達(dá)橋梁平安監(jiān)測之目的,了解橋梁的變化情況,還必須及時測定它們幾何量的變化及大小。因此,在建立“橋梁健康系統(tǒng)”的同時,研究采用大地測量原理和各種專用的工程測量儀器和方法建立大跨度橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)也是十分必要的。二、變形監(jiān)測內(nèi)容根據(jù)我國最新頒發(fā)的“公路技術(shù)養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)”中的有關(guān)規(guī)定和要求,以及大跨度橋梁塔柱高、跨度大和主跨梁段為柔性梁的特點,橋梁工程變形監(jiān)觀測的主要內(nèi)容包括:1)橋梁墩臺沉陷觀測、橋面線形與撓度觀測、主梁橫向水平位移觀測、高塔柱擺動觀測；2)為了進(jìn)行上述各工程的測量,還必須建立相應(yīng)的水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)與沉陷基準(zhǔn)網(wǎng)觀測。三、系統(tǒng)布置1〕橋墩沉陷與橋面線形觀測點的布置橋墩(臺)沉陷觀測點一般布置在與墩(臺)頂面對應(yīng)的橋面上；橋面線形與撓度觀測點布置在主梁上。對于大跨度的斜拉段,線形觀測點還與斜拉索錨固著力點位置對應(yīng)；橋面水平位移觀測點與橋軸線一側(cè)的橋面沉陷和線形觀測點共點。2〕塔柱擺動觀測點布置塔柱擺動觀測點布置在主塔上塔柱的頂部、上橫梁頂面以上約1.5ｍ的上塔柱側(cè)壁上,每柱設(shè)2點。3〕水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)點布置水平位移觀測基準(zhǔn)網(wǎng)應(yīng)結(jié)合橋梁兩岸地形地質(zhì)條件和其他建筑物分布、水平位移觀測點的布置與觀測方法,以及基準(zhǔn)網(wǎng)的觀測方法等因素確定,一般分兩級布設(shè),基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)在岸上穩(wěn)定的地方并埋設(shè)深埋鉆孔樁標(biāo)志；在橋面用橋墩水平位移觀測點作為工作基點,用它們測定橋面觀測點的水平位移。4〕垂直位移監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)布置為了便于觀測和使用方便,一般將岸上的平面基準(zhǔn)網(wǎng)點納入垂直位移基準(zhǔn)網(wǎng)中,同時還應(yīng)在較穩(wěn)定的地方增加深埋水準(zhǔn)點作為水準(zhǔn)基點,它們是大橋垂直位移監(jiān)測的基準(zhǔn)；為統(tǒng)一兩岸的高程系統(tǒng),在兩岸的基準(zhǔn)點之間應(yīng)布置了一條過江水準(zhǔn)線路。四、方法與成果精度1〕GPS定位系統(tǒng)測量平面基準(zhǔn)網(wǎng)為了滿足變形觀測的技術(shù)要求,考慮到基準(zhǔn)網(wǎng)邊長相差懸殊,對基準(zhǔn)網(wǎng)邊長相對精度應(yīng)到達(dá)不低于1/120000和邊長誤差小于±5mm的雙控精度指標(biāo)；由于工作基點多位于大橋橋面,它們與基準(zhǔn)點之間難以全部通視,可采用GPS定位系統(tǒng)施測。為了在觀測期間不中斷交通,且避開車輛通行引起儀器的抖動和干擾GPS接收機(jī)的信號接收,對設(shè)置在橋面工作基點的觀測時段應(yīng)安排在夜間作業(yè),盡可能使其符合靜態(tài)作業(yè)條件以提高觀測精度。2〕精密水準(zhǔn)測量建立高程基準(zhǔn)網(wǎng)和沉陷觀測高程基準(zhǔn)網(wǎng)與橋面沉陷觀測均按照“國家一、二等水準(zhǔn)測量標(biāo)準(zhǔn)”的二等技術(shù)規(guī)定要求實施。并將垂直位移基準(zhǔn)網(wǎng)點、橋面沉陷點、過江水準(zhǔn)線路之間構(gòu)組成多個環(huán)線。高程基準(zhǔn)網(wǎng)的觀測采用精密水準(zhǔn)儀；高程基準(zhǔn)網(wǎng)中的過江水準(zhǔn)測量,可采用三角高程測量方法，用2臺精密全站儀同時對向觀測。3〕全站儀坐標(biāo)法觀測橫向水平位移眾所周知,直線型建筑物的水平位移常采用基準(zhǔn)線法觀測,它的實質(zhì)測定垂直于基準(zhǔn)線方向的偏離值。為充分發(fā)揮現(xiàn)代全站儀的優(yōu)點,橋面水平位移觀測可采用類似基準(zhǔn)線法原理的坐標(biāo)法,以直接測定觀測點的橫坐標(biāo)。武漢長江二橋采用該法觀測橫向水平位移，根據(jù)對全橋136個觀測點的結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計分析,在未顧及視線長度不等對Ｙ坐標(biāo)的精度影響的條件下,求得Ｙ坐標(biāo)的精度為±,遠(yuǎn)高于橋梁監(jiān)測技術(shù)中的精度要求(±3mm)。4)智能型全站儀(測量機(jī)器人)測定高塔柱的擺動″,±(1mm+1×10-6D)。它可以實現(xiàn)自動尋找和精確照準(zhǔn)目標(biāo),自動測定測站點至目標(biāo)點的距離、水平方向值和天頂距,計算出3維坐標(biāo)并記錄在內(nèi)置模塊或計算機(jī)內(nèi)。由于它不需要人工照準(zhǔn)、讀數(shù)、計算,有利于消除人差的影響、減少記錄計算出錯的幾率,特別是在夜間也不需要給標(biāo)志照明。該儀器每次觀測記錄一個目標(biāo)點不超過7ｓ,每點觀測4測回也僅30ｓ。一周期觀測10個點以內(nèi)一般不會超過5min，其觀測速度之快是人工無法比較的。武漢長江二橋采用該法測定高塔柱的擺動，為了評定該法的精度,利用車流量很少的夜間觀測成果進(jìn)行了統(tǒng)計分析。仿照橋面水平位移觀測的統(tǒng)計分析方法,對視線長度為800ｍ的觀測點,根據(jù)夜間6周期的觀測資料進(jìn)行了統(tǒng)計分析計算,求得mx=、my=,它說明該法具有較高的精度,可以滿足塔柱動態(tài)觀測的精度要求。五、成果整理分析觀測成果的整理分析主要包括:每期觀測后計算基準(zhǔn)點的坐標(biāo)、高程及其變化量；橋墩、橋面沉陷觀測點、線形點的高程及變化量；橋面水平位移觀測點的Ｙ坐標(biāo)及橫向位移。根據(jù)這些變形量繪制了相應(yīng)的變形曲線。六、南京長江二橋變形監(jiān)測實例1〕工程概況南京長江第二大橋是國家“九五”重點建設(shè)工程，位于現(xiàn)南京長江大橋下游11公里處，全長，由南、北汊大橋和南岸、八卦洲及北岸引線組成。其中：南汊大橋為鋼箱梁斜拉橋，橋長2938米，主跨為628米，該跨徑在建時居同類橋型中“國內(nèi)第一，世界第三”；北汊大橋為鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋，橋長2172米，主跨為3×165米，該跨徑在國內(nèi)亦居領(lǐng)先。全線還設(shè)有4座互通立交、4座特大橋、6座大橋。該橋設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為雙向六車道高速公路；設(shè)計速度為100公里/小時；設(shè)計荷載為汽——超20，掛——120；路基寬，橋面寬32米〔不含斜拉索錨固區(qū)〕。全線設(shè)有監(jiān)控、通訊、收費(fèi)、照明、動靜態(tài)稱重等系統(tǒng)，并設(shè)有南汊主橋景觀照明，南、北汊橋公園和八卦洲效勞區(qū)。為了建立南京長江二橋全線結(jié)構(gòu)物的竣工線型和位置基準(zhǔn)，并對南汊大橋、北汊大橋及八卦洲引線〔軟土地基〕等重要路段、橋墩進(jìn)行位移監(jiān)測，為今后大橋維修、驗收等工作留下起始數(shù)據(jù)，需要對南京長江二橋進(jìn)行變形監(jiān)測。2〕監(jiān)測內(nèi)容和方法(1)索塔及根底對索塔主要監(jiān)測塔根底位移〔三維〕和塔頂水平變化〔二維〕。對于南汊大橋，塔根底位移監(jiān)測點布置在約9m高程面的塔柱上，塔頂水平變化監(jiān)測點布置在塔頂柱體上，上、下游塔柱和塔柱南北側(cè)各布置一測點，如圖13-1所示。南北塔共計布置17個監(jiān)測點，其中北塔為9個點；對于北汊大橋，根底位移監(jiān)測點設(shè)在江中22#、23#、24#、25#四個橋墩的墩柱上，每個橋墩的上、下游墩柱各布一個點，共計8個點，點位也設(shè)在約9m高程面上，如圖13-2所示。索塔及根底變位情況為每三個月觀測一期。測量使用瑞士Leica高精度TC2003全站儀，以三維前方交會法進(jìn)行角度觀測四測回，觀測方法如圖13-1和圖13-2所示。南、北汊大橋皆以竣工時恢復(fù)的首級控制網(wǎng)為基準(zhǔn)，經(jīng)平差計算獲得三維坐標(biāo)，為便于塔柱變位方向分析，平差計算采用橋軸坐標(biāo)系。圖13-1圖13-1南汊大橋索塔變位監(jiān)測點位置及觀測示意圖梁下監(jiān)測點標(biāo)志塔頂監(jiān)測點水面南塔長江監(jiān)測點標(biāo)志北塔水面水面監(jiān)測點標(biāo)志橋面長江橋墩橋墩上游柱橋軸線下游柱橋墩橋墩圖13-2北汊大橋橋墩變位監(jiān)測點位置及觀測示意圖(2)橋面線形〔撓度〕橋面線形包括橋面標(biāo)高及橋中線，在南京長江二橋主橋施工期間，南汊大橋和北汊大橋的軸線和標(biāo)高均控制在±5mm范圍內(nèi),橋面上按一定的間距設(shè)有監(jiān)測點。橋面鋪裝完畢后,觀測點全部遭埋沒。因此，必須重新建立橋面線型監(jiān)觀測點，并做周期性的監(jiān)測。由于南汊大橋和北汊大橋橋軸線均是橋軸坐標(biāo)系的X軸，且當(dāng)時施工中的施工控制精度均較高，此外，南京長江二橋首級控制網(wǎng)已得到了全面恢復(fù)，因此，可以認(rèn)為南汊大橋和北汊大橋的橋軸線仍是橋軸坐標(biāo)的X軸。今后維修等工作假設(shè)需檢測橋軸線，僅需通過首級控制網(wǎng)的控制點即可進(jìn)行檢查，橋軸線監(jiān)測點可不考慮恢復(fù)，僅需重新建立標(biāo)高〔撓度〕監(jiān)測點。新建的橋面標(biāo)高監(jiān)測點沿全橋布設(shè)，每隔40米設(shè)一個點，主橋〔鋼箱梁〕段點位布在橋梁中央分隔帶護(hù)攔上，利用防護(hù)攔的鉚釘頭作為觀測標(biāo)志，共設(shè)28個點；引橋為上、下游幅結(jié)構(gòu)，因此，每隔40米上、下游幅各設(shè)一個點，點位設(shè)在大橋防撞護(hù)攔一側(cè)路邊上，采用圍棋子做測量標(biāo)點，用強(qiáng)力膠將其粘貼在路面上，四周用紅色油漆標(biāo)注。南引橋共布42個點，北引橋共布46個點。測點布設(shè)位置示意圖見圖13-3和圖13-4。橋面標(biāo)高為每三個月觀測一期。觀測采用精密幾何水準(zhǔn)測量方法，以二等水準(zhǔn)精度和要求進(jìn)行。水準(zhǔn)基點設(shè)在兩岸橋下墩臺上。圖13-3南汊大橋橋面撓度監(jiān)測點位置示意圖圖13-3南汊大橋橋面撓度監(jiān)測點位置示意圖注：間隔點每隔一個表示監(jiān)測點長江八卦洲北引橋段鋼箱梁段北塔水面南塔南引橋段南引線圖圖13-4北汊大橋橋面撓度監(jiān)測點位置示意圖北引線八卦洲(3)主梁及主塔應(yīng)力對橋梁施工時施工監(jiān)控設(shè)置的應(yīng)力觀測斷面的觀測點繼續(xù)進(jìn)行應(yīng)力觀測,研究主梁及主塔的應(yīng)力變化。(4)斜拉索索力對全橋244根斜拉索用頻率法測量斜拉索索力變化情況。以上觀測工程在交工驗收后第1年內(nèi)每半年觀測1次,以后每年觀測1次。假設(shè)出現(xiàn)地震、風(fēng)暴等特殊荷載或結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常情況,需增加觀測次數(shù)。3〕精度分析〔1)全站儀測量的精度分析全站儀測量空間點三維坐標(biāo)中誤差為:式中符號及意義說明如下:(1)Ｖ代表豎直角觀測值,Ａ為坐標(biāo)方位角,Ｓ為斜距觀測值,Ｒ為地球半徑,ρ=206265″；(2)MXP，MYP和MHP分別為觀測點ｐ的三維坐標(biāo)中誤差；(3)MXN，MYN和MHN分別為測站三維坐標(biāo)中誤差的平面分量和高程分量,包括控制點本身點位中誤差和架設(shè)儀器誤差。由于每次觀測時都采用同一測站和后視方向,因此,控制點本身誤差不影響觀測點精度,同時在固定觀測墩上使用強(qiáng)制對中器,儀器對中誤差可控制在mm之內(nèi),故該項誤差可忽略不計;(4)MS為測距中誤差,由儀器標(biāo)稱精度確定:MS=a+b·S(ａ為固定誤差,ｂ為比例誤差系數(shù))；(5)MV和MA分別為豎直角和坐標(biāo)方位角中誤差,因全站儀具有豎軸補(bǔ)償器,故,)MV=MA=Mβ(Mβ為水平角觀測中誤差,,μ為儀器標(biāo)稱精度)沒；(6)ＭＫ為大氣折光系數(shù)代表性誤差,一般取MK；(7)Mi為棱鏡對點中誤差,Mr為棱鏡高量測中誤差,因監(jiān)測點棱鏡用強(qiáng)制對中器固定在橋塔頂部,此兩項誤差可忽略不計,故Mi=Mr=0。將上式中平面誤差局部合并得:當(dāng)取距離最大為500ｍ,豎直角最大為20°,采用測距標(biāo)稱精度為±(1+1×10-6·Ｓ)mm,測角標(biāo)稱精度為±1″,補(bǔ)償器精度為±″的全站儀觀測一測回,代入上式計算,可以得出:MXY=±m(xù)m,MH=±m(xù)m。在實際工程中,全站儀實際觀測精度一般要比標(biāo)稱精度低,假設(shè)假定實際測角精度為±2″,測距精度為±(2+2×10-6·Ｓ)mm,補(bǔ)償器精度為±″,觀測一測回,代入上式計算,可以得出:MXY=±m(xù)m,MH=±m(xù)m,假設(shè)觀測二測回,那么:MXY=±m(xù)m,MH=±m(xù)m?？梢?增加觀測測回數(shù)或縮短觀測距離,可以提高精度。2)沉降變形觀測的精度分析假設(shè),和,分別為ｊ點和ｋ點在第ｉ和ｉ-1周期觀測所得的高程中誤差,那么ｊ點和ｋ點的沉降量中誤差分別為:于是ｊ點和ｋ點不均勻沉降量的中誤差為:由于每周期觀測時,均采用同一觀測方案,由同一臺儀器和同一組人員,在外界環(huán)境大致相同的條件下進(jìn)行觀測,故假設(shè):那么有:南京長江二橋塔根底承臺上的監(jiān)測點距最遠(yuǎn)基準(zhǔn)點不超過600ｍ,精密水準(zhǔn)測量每測站水準(zhǔn)路線長一般不超過60ｍ,那么由基準(zhǔn)點到監(jiān)測點的測站數(shù)為ｎ=600/60=10,所以:式中Ｍ站為每一測站精密水準(zhǔn)所測高差的中誤差。采用每公里觀測高差中誤差為±m(xù)m的精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測,那么:Ｍ站=±×0.06=±m(xù)m,于是每一監(jiān)測點沉降量的中誤差為:故采用每公里觀測高差中誤差為±0.3ｍｍ的精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測,符合《國家一、二等水準(zhǔn)測量標(biāo)準(zhǔn)》上對儀器的要求,足以把大于±1.0ｍｍ的不均勻沉降量反映出來。4〕局部觀測結(jié)果及其分析〔1〕南汊大橋索塔變位觀測結(jié)果列于表13-1，從9期的坐標(biāo)變化量來看，塔頂變位較大，在2002年6月的測量中出現(xiàn)過最大變化量值：X方向〔南北向〕為+〔向南〕，Y方向〔東西向〕為＋〔向下游〕。這是索塔柱受日照、風(fēng)力作用所至，屬正?，F(xiàn)象。對塔根底9期監(jiān)測的坐標(biāo)〔X、Y、Z〕變化量均在±以內(nèi)變動，但也偶發(fā)出現(xiàn)較大的最大變化量，其量值X方向為－〔向北〕，Y方向〔東西向〕為＋〔向上游〕，H方向〔垂直向〕為＋〔向下〕，該變化量主要由測量誤差帶來，并非是塔根底發(fā)生了位移。因為，在對橋墩所采用的前方交會測量方法雖是變形監(jiān)測中常規(guī)和有效的方法，對塔柱觀測所使用的儀器也是目前世界最高精度的測量儀器，但由于所監(jiān)測的點均在江中，人無法直接到達(dá)，另外還存在許多不利因素，如交會角較小、交會距離長、大氣折光和水汽蒸發(fā)等等，這些因素均大大降低了測量精度。以“北塔南向下游梁下”點為例，監(jiān)測點離岸上兩控制點距離分別為1014m和1011m，交會角為16°，根據(jù)誤差理論分析可知，僅觀測誤差就達(dá)±，假設(shè)考慮大氣折光等其他因素，測量誤差還將更大些。因此，可以認(rèn)為南北索塔根底未出現(xiàn)明顯變位。從對索塔下橫梁上門洞內(nèi)水準(zhǔn)點〔鋼箱梁吊裝前建立的〕聯(lián)測結(jié)果(見表2.4)，其差值較小，也可以認(rèn)為索塔根底未出現(xiàn)沉降位移?！?〕南汊大橋橋面線形〔撓度〕表13-2為南汊大橋的主橋段〔鋼箱梁段〕測點高程的各期觀測值。從8期結(jié)果比較可以看出，主橋段標(biāo)高變化在-23.4~+之間。綜合8期的觀測結(jié)果可以看出，橋梁線形〔標(biāo)高〕明顯有季節(jié)性的變化規(guī)律，隨著環(huán)境溫度的變化而升降，這種變化量值在鋼箱梁段尤為明顯，最大處近3cm。將各期觀測結(jié)果用Excel圖形顯示橋面線形變化曲線可以看出，南汊橋橋面未產(chǎn)生撓曲變化。表13-1南汊橋索塔變位監(jiān)測數(shù)據(jù)點號位置符號坐標(biāo)觀測值〔m〕本期增量〔mm〕累計增量〔mm〕第一期〔2001．3〕第二期〔2001．6〕第三期〔2001．9〕第四期〔2001．12〕第五期〔2002．3〕第六期〔2002．6〕第七期〔2002．9〕第八期〔2002．12〕第九期〔2003．3〕NS上上南塔南向上游塔頂X710YNS下上南塔南向下游塔頂X5YNS上下南塔南向上游梁下XYHNS下下南塔南向下游梁下XYHNN上上南塔北向上游塔頂XYNN下上南塔北向下游塔頂XYNN上下南塔北向上游梁下XYHNN下下南塔北向下游梁下XYHBS上上北塔南向上游塔頂XYBS下上北塔南向下游塔頂X809