1 概述
大型斜拉橋是近代發(fā)展起來的新型橋梁，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(diǎn)是跨度大、塔柱高，斜拉段具有柔性特性。在這類橋梁的施工測(cè)量中，人們已針對(duì)動(dòng)態(tài)施工測(cè)量作了一些研究并取得了一些經(jīng)驗(yàn)。在竣工通車運(yùn)營期間，如何針對(duì)它們的柔性結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(duì)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(cè)之目的，了解橋梁的變化情況，還必須及時(shí)測(cè)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(shí)，研究采用大地測(cè)量原理和各種專用的工程測(cè)量儀器和方法建立大跨度橋梁的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也是十分必要的。本文結(jié)合已通車運(yùn)營的某長江大橋進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的實(shí)踐介紹了相應(yīng)的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
2 變形機(jī)理與監(jiān)測(cè)內(nèi)容
橋梁產(chǎn)生變形的原因，歸結(jié)起來有以下幾類：
?。?）自然條件及其變化，即橋墩臺(tái)地基的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、土壤物理性質(zhì)、大氣溫度、水位變化及地震等。
?。?）與橋梁本身相聯(lián)系的原因，動(dòng)荷載和風(fēng)力等。車輛動(dòng)荷載和人群動(dòng)荷載，本質(zhì)上是強(qiáng)迫共振現(xiàn)象，橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響橋面行車的舒適與安全，加大振動(dòng)變形，甚至使橋梁完全破壞；洪水、船舶、水中懸浮物、北方河中浮冰等等，都可能對(duì)橋墩產(chǎn)生撞擊，而使橋梁產(chǎn)生局部變形。
橋梁變形可分為靜態(tài)變形和動(dòng)態(tài)變形。靜態(tài)變形通常是指變形監(jiān)測(cè)的結(jié)果在某一周期的變形值，也就是說，它只是時(shí)間的函數(shù)。動(dòng)態(tài)變形是指在外力影響下產(chǎn)生的變形，它是以外力為函數(shù)，表示動(dòng)態(tài)系統(tǒng)對(duì)于時(shí)間的變化，其監(jiān)測(cè)結(jié)果表示橋梁在某時(shí)刻的瞬時(shí)變形。橋梁結(jié)構(gòu)在荷載和環(huán)境因素作用下產(chǎn)生的變形分成兩類：一類變形能反映結(jié)構(gòu)的整體工作狀況，如撓度、轉(zhuǎn)角、支座位移等，稱為整體變形，橋梁逐漸老化，表現(xiàn)最為明顯的是橋梁撓度變化；整體變形的能力能夠概括結(jié)構(gòu)整個(gè)工作的全貌，因此，在所有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，整體變形往往是最基本的。另一類變形能反映結(jié)構(gòu)的局部工作狀況，如纖維變形、裂縫、鋼筋的滑動(dòng)等，稱為局部變形。最能表現(xiàn)老化(或缺陷)的特征是裂縫，裂縫的部位、方向揭示橋梁老化(或缺陷)部位和性質(zhì)。
橋梁工程監(jiān)測(cè)分為施工監(jiān)測(cè)和運(yùn)營監(jiān)測(cè)。大跨度橋梁監(jiān)測(cè)是橋梁施工和運(yùn)營的重要組成部分，不論何種類型的橋梁，其施工監(jiān)測(cè)一般包括幾何參數(shù)監(jiān)測(cè)，主要為橋梁上部結(jié)構(gòu)的擾度、線形、傾斜及下部結(jié)構(gòu)的位移、沉降變形監(jiān)測(cè)等，結(jié)構(gòu)物理參數(shù)監(jiān)測(cè)包括橋梁各部分的應(yīng)力、應(yīng)變、徐變、混凝土溫度等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)包括有風(fēng)力、風(fēng)向、溫度、地震、交通荷載等因素監(jiān)測(cè)。
對(duì)斜拉橋索塔的變形監(jiān)測(cè), 現(xiàn)行城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范只要求對(duì)斜拉橋的墩、臺(tái)身及索塔的沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而現(xiàn)行公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范則不僅要求對(duì)墩、臺(tái)身及索塔的高程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且還要求監(jiān)測(cè)墩、臺(tái)身及索塔的傾斜度?？紤]到特大型、大型橋梁的重要性，不管是公路橋梁還是城市橋梁，在控制檢測(cè)中一般要求檢測(cè)墩、臺(tái)身及索塔高程和傾斜度。
3 變形觀測(cè)系統(tǒng)的布置
3. 1 橋墩沉陷與橋面線形觀測(cè)點(diǎn)的布置
橋墩( 臺(tái)) 沉陷觀測(cè)點(diǎn)一般布置在與墩( 臺(tái)) 頂面對(duì)應(yīng)的橋面上；橋面線形與撓度觀測(cè)點(diǎn)布置在主梁上。對(duì)于大跨度的斜拉段。線形觀測(cè)點(diǎn)還與斜拉索錨固著力點(diǎn)位置對(duì)應(yīng); 橋面水平位移觀測(cè)點(diǎn)與橋軸線一側(cè)的橋面沉陷和線形觀測(cè)點(diǎn)共點(diǎn)。
3. 2 塔柱擺動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)布置
塔柱擺動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)布置在主塔上塔柱的頂部、上橫梁頂面以上約1. 5 m 的上塔柱側(cè)壁上, 每柱兩點(diǎn)。
3. 3 水平位移監(jiān)測(cè)
橋面水平位移主要是指垂直于橋軸線方向的水平位移。主要由基礎(chǔ)位移、傾斜及外界荷載(風(fēng)、日照、車輛等)等引起，對(duì)大跨徑斜拉橋和懸索橋，風(fēng)荷載可使橋面產(chǎn)生大幅度擺動(dòng)，對(duì)橋梁安全運(yùn)營十分不利。測(cè)定水平位移的方法與橋梁形狀有關(guān)：直線形橋梁，一般采用基準(zhǔn)線法、測(cè)小角法等；曲線橋梁，一般采用三角測(cè)量法、交會(huì)法、導(dǎo)線測(cè)量法等。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(cè)點(diǎn)的布置與觀測(cè)方法，以及基準(zhǔn)網(wǎng)的觀測(cè)方法等因素，水平位移觀測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)分兩極布設(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(cè)點(diǎn)作為工作基點(diǎn)，用它們測(cè)定橋面觀測(cè)點(diǎn)的水平位移。
3. 4 垂直位移監(jiān)測(cè)
為了便于觀測(cè)和使用方便，一般將岸上的平面基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)納入垂直位移基準(zhǔn)網(wǎng)中，同時(shí)還應(yīng)在較穩(wěn)定的地方增加深埋水準(zhǔn)點(diǎn)作為水準(zhǔn)基點(diǎn)，它們是大橋垂直位移監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)；為統(tǒng)一兩岸的高程系統(tǒng)，在兩岸的基準(zhǔn)點(diǎn)之間還布置了一條過江水準(zhǔn)線路。定期測(cè)量橋墩臺(tái)或基礎(chǔ)高程，計(jì)算墩臺(tái)垂直位移。引橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)和水中橋墩監(jiān)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況布設(shè)成附合路線或閉合路線。引橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)在岸上，其施測(cè)方法與一般水準(zhǔn)測(cè)量方法相同；水中監(jiān)測(cè)點(diǎn)從一個(gè)墩到另一個(gè)墩的監(jiān)測(cè)，可采用跨河水準(zhǔn)測(cè)量，或跨墩水準(zhǔn)測(cè)量。即把儀器設(shè)站于一墩上，監(jiān)測(cè)后、前視兩相鄰橋墩，形成跨墩水準(zhǔn)測(cè)量，考慮其照準(zhǔn)誤差、大氣折光誤差等，必須采取措施提高監(jiān)測(cè)精度。垂直位移監(jiān)測(cè)方法主要：①精密水準(zhǔn)測(cè)量；②三角高程測(cè)量；③液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量(又稱連通管測(cè)量)；④壓力測(cè)量法；⑤GPS測(cè)量。
3.5 撓度監(jiān)測(cè)
主梁撓度變形是主梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變最靈敏、最精確的反映，橋梁撓度測(cè)量是橋梁檢測(cè)的重要組成部分，橋梁建成后，橋梁承受靜荷載和動(dòng)荷載，必然會(huì)產(chǎn)生撓曲變形，因此，對(duì)主梁進(jìn)行撓度監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確掌握主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)，此外，結(jié)構(gòu)損傷也將導(dǎo)致主梁撓度異常，通過對(duì)主梁撓度的監(jiān)測(cè)可判別這些損傷。
主梁撓度監(jiān)測(cè)的主要方法有：水準(zhǔn)測(cè)量法、全站儀測(cè)量法、專用撓度儀測(cè)量法、動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量法、液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量法、連通管測(cè)壓法等。前3種方法一般需封閉橋梁才能監(jiān)測(cè)，且測(cè)量時(shí)間較長，不利于橋梁運(yùn)行管理；液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量對(duì)測(cè)點(diǎn)高差要求較高，測(cè)量精度高，但測(cè)程較小，限制了該法的應(yīng)用。因此，目前大型橋梁長期撓度監(jiān)測(cè)主要采用動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量（RTK）和連通管測(cè)壓兩種方法。
4 變形觀測(cè)方法與成果精度
4. 1 GPS 定位系統(tǒng)測(cè)量平面基準(zhǔn)網(wǎng)
為了滿足變形觀測(cè)的技術(shù)要求, 考慮到基準(zhǔn)網(wǎng)邊長相差懸殊，對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)提出了邊長相對(duì)精度不低于1/ 12 萬、邊長誤差小于 5 mm的雙控精度指標(biāo)；鑒于工作基點(diǎn)均位于大橋橋面，它們與基準(zhǔn)點(diǎn)之間難以全部通視，確定采用GPS 定位系統(tǒng)施測(cè)。為了在觀測(cè)期間不中斷交通，且避開車輛通行引起儀器的抖動(dòng)和干擾GPS 接收機(jī)的信號(hào)接收。對(duì)設(shè)置在橋面工作基點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)段均安排在夜間作業(yè)。盡可能使其符合靜態(tài)作業(yè)條件以提高觀測(cè)精度。
4. 2 精密水準(zhǔn)測(cè)量建立高程基準(zhǔn)網(wǎng)和沉陷觀測(cè)
高程基準(zhǔn)網(wǎng)與橋面沉陷觀測(cè)均按照國家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范的二等技術(shù)規(guī)定要求實(shí)施。并將垂直位移基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)、橋面沉陷點(diǎn)、過江水準(zhǔn)線路之間構(gòu)組成了多個(gè)環(huán)線。高程基準(zhǔn)網(wǎng)的觀測(cè)采用了Leica NA3000 數(shù)字式水準(zhǔn)儀與條紋編碼水準(zhǔn)尺，它可以不需人工讀數(shù)，只需照準(zhǔn)條紋碼水準(zhǔn)尺便可以自動(dòng)的顯示讀數(shù)，減少了照準(zhǔn)誤差和人工讀數(shù)的誤差影響，有利于提高水準(zhǔn)測(cè)量的精度；橋面沉陷觀測(cè)采用了Ni007 自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀；高程基準(zhǔn)網(wǎng)中的過江水準(zhǔn)測(cè)量，采用2 臺(tái)全站儀同時(shí)對(duì)向觀測(cè)的測(cè)量方案。
4. 3 全站儀坐標(biāo)法觀測(cè)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(cè), 它的實(shí)質(zhì)測(cè)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(diǎn)，橋面水平位移觀測(cè)采用了類似基準(zhǔn)線法原理的坐標(biāo)法，以直接測(cè)定觀測(cè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)。根據(jù)對(duì)全橋136 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，在未顧及視線長度不等對(duì)Y 坐標(biāo)的精度影響的條件下，求得Y 坐標(biāo)的精度為
0. 48 mm，它遠(yuǎn)高于橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)中的精度要求(
3mm) 。
4. 4 智能型全站儀( 測(cè)量機(jī)器人) 測(cè)定高塔柱的擺動(dòng)
塔柱擺動(dòng)觀測(cè)采用當(dāng)代最先進(jìn)的智能型全站儀TCA1800，其標(biāo)稱精度為
，
( 2 mm+ 2
) 。它可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋找和精確照準(zhǔn)目標(biāo)，自動(dòng)測(cè)定測(cè)站點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的距離、水平方向值和天頂距，計(jì)算出3 維坐標(biāo)并記錄在內(nèi)置模塊或計(jì)算機(jī)內(nèi)。由于它不需要人工照準(zhǔn)、讀數(shù)、計(jì)算，有利于消除人差的影響、減少記錄計(jì)算出錯(cuò)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(cè)記錄一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)不超過7 s，每點(diǎn)觀測(cè)4 測(cè)回也僅30 s。一周期觀測(cè)9 個(gè)點(diǎn)( 一個(gè)后視定向點(diǎn)、8 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)) 不超過5 min。其觀測(cè)速度之快是人工無法比擬的。
塔柱擺動(dòng)觀測(cè)的周期視車流量的大小而定。在白天車流量較大時(shí)兩周期間隔僅5 min；而在夜間車流量小的時(shí)間段，兩周期的最長間隔達(dá)1 h。為了評(píng)定該法的精度, 利用車流量很少的夜間觀測(cè)成果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。仿照橋面水平位移觀測(cè)的統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)視線長度為800 m 的觀測(cè)點(diǎn)，根據(jù)夜間6 周期的觀測(cè)資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，求得
= 0.034 mm、
= 0. 61 mm, 它表明該法具有較高的精度, 可以滿足塔柱動(dòng)態(tài)觀測(cè)的精度要求。
5 結(jié)論與建議
?。?）橋梁的安全和健康狀態(tài)主要表癥為結(jié)構(gòu)的變形，運(yùn)營期外部監(jiān)測(cè)是對(duì)大跨度斜拉橋的實(shí)際健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，內(nèi)部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是尋找橋梁健康問題重要手段。因此，通過外部變形監(jiān)測(cè)可以進(jìn)一步地建立健全斜拉橋的出生與成長的健康狀況檔案，為大型橋梁工程建設(shè)管理積累經(jīng)驗(yàn)、收集資料，總結(jié)出實(shí)用的技術(shù)成果。
?。?）了解橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及其變化對(duì)于監(jiān)視橋梁安全無疑是十分重要的，但對(duì)于全面監(jiān)視與分析橋梁安全是不夠的，只有通過測(cè)定它們幾何量的變化，使之更直觀、更明了地判斷其安全狀態(tài)更是十分必要的。因此，采用現(xiàn)代大地測(cè)量原理和技術(shù)、方法，以及特種精密工程測(cè)量技術(shù)測(cè)定它們幾何量的變化就顯得更有必要。
?。?）本橋變形監(jiān)測(cè)中，盡管采用了現(xiàn)代測(cè)繪的最新技術(shù)和儀器，包括GPS 全球定位系統(tǒng)、測(cè)量機(jī)器人( 智能型全站儀) 、數(shù)字式水準(zhǔn)儀等，它們對(duì)測(cè)定和了解高塔柱的動(dòng)態(tài)變形規(guī)律起著相當(dāng)重要的作用。但我們認(rèn)為與信息化的時(shí)代要求相比，要使該系統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)化和實(shí)時(shí)顯示的目的尚有一段差距。我們也相信：只要在加大資金投入的基礎(chǔ)上，建立整套自動(dòng)化的實(shí)時(shí)大跨度斜拉橋的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是很快可以實(shí)現(xiàn)的。
