橋梁工程變形監(jiān)測
2015-07-27
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發(fā)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,要真正達(dá)到橋梁安全監(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)規(guī)范”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)行上述各項目的測量,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)達(dá)到不低于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)測量規(guī)范”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±0.48mm,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
塔柱擺動可觀測采用當(dāng)代最先進(jìn)的智能型全站儀TCA2003,其標(biāo)稱精度為0.5″,±(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5 min，其觀測速度之快是人工無法比擬的。
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=0.034mm、my=0.61mm,它表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)項目，位于現(xiàn)南京長江大橋下游11公里處，全長21.337公里，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33.5米，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、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服務(wù)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)索塔及基礎(chǔ)
對索塔主要監(jiān)測塔基礎(chǔ)位移（三維）和塔頂水平變化（二維）。對于南汊大橋，塔基礎(chǔ)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，基礎(chǔ)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。
索塔及基礎(chǔ)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。
