桥梁工程变形监测方案

1、桥梁工程变形监测方案一、概述大型桥梁,如斜拉桥、悬索桥自20世纪90年代初期以来在我国如雨后春笋般的开展.这种桥梁的结构特点是跨度大、塔柱高,主跨段具有柔性特性.在这类桥梁的施工测量中,人们已针对动态施工测量作了一些研究并取得了一些经验.在竣工通车运营期间,如何针对它们的柔性结构与动态特性进行监测也是人们十分关心的另一问题.尽管目前有些桥梁已建立了了解结构内部物理量的变化的“桥梁健康系统,它对于了解桥梁结构内力的变化、分析变形原因无疑有着十分重要的作用.然而,要真正到达桥梁平安监测之目的,了解桥梁的变化情况,还必须及时测定它们几何量的变化及大小.因此,在建立“桥梁健康系统的同时,研究采用大地测

2、量原理和各种专用的工程测量仪器和方法建立大跨度桥梁的监测系统也是十分必要的.二、变形监测内容根据我国最新颁发的“公路技术养护标准中的有关规定和要求,以及大跨度桥梁塔柱高、跨度大和主跨梁段为柔性梁的特点,桥梁工程变形监观测的主要内容包括：1桥梁墩台沉陷观测、桥面线形与挠度观测、主梁横向水平位移观测、高塔柱摆动观测；2为了进行上述各工程的测量,还必须建立相应的水平位移基准网与沉陷基准网观测.三、系统布置1桥墩沉陷与桥面线形观测点的布置桥墩台沉陷观测点一般布置在与墩台顶面对应的桥面上；桥面线形与挠度观测点布置在主梁上.对于大跨度的斜拉段,线形观测点还与斜拉索锚固着力点位置对应； 桥面水平位移观测点与

3、桥轴线一侧的桥面沉陷和线形观测点共点.2塔柱摆动观测点布置塔柱摆动观测点布置在主塔上塔柱的顶部、上横梁顶面以上约m的上塔柱侧壁上,每柱设2点.3水平位移监测基准点布置水平位移观测基准网应结合桥梁两岸地形地质条件和其他建筑物分布、水平位移观测点的布置与观测方法,以及基准网的观测方法等因素确定,一般分两级布设基准网布设在岸上稳定的地方并埋设深埋钻孔桩标志；在桥面用桥墩水平位移观测点作为工作基点,用它们测定桥面观测点的水平位移.4垂直位移监测基准网布置为了便于观测和使用方便,一般将岸上的平面基准网点纳入垂直位移基准网中同时还应在较稳定的地方增加深埋水准点作为水准基点,它们是大桥垂直位移监测的基准；为

4、统一两岸的高程系统,在两岸的基准点之间应布置了一条过江水准线路.四、方法与成果精度1GP流位系统测量平面基准网为了满足变形观测的技术要求,考虑到基准网边长相差悬殊,对基准网边长相对精度应到达不低于1/120000和边长误差小于士5mm勺双控精度指标；由于工作基点多位于大桥桥面,它们与基准点之间难以全部通视,可采用GP淀位系统施测.为了在观测期间不中断交通,且避开车辆通行引起仪器的抖动和干扰GPS接收机的信号接收,对设置在桥面工作基点的观测时段应安排在夜间作业,尽可能使其符合静态作业条件以提升观测精度.2精密水准测量建立高程基准网和沉陷观测高程基准网与桥面沉陷观测均根据“国家一、 二等水准测量标

5、准的二等技术规定要求实施.并将垂直位移基准网点、桥面沉陷点、过江水准线路之间构组成多个环线.高程基准网的观测采用精密水准仪；高程基准网中的过江水准测量,可采用三角高程测量方法,用2台精密全站仪同时对向观测.3全站仪坐标法观测横向水平位移众所周知,直线型建筑物的水平位移常采用基准线法观测,它的实质测定垂直于基准线方向的偏离值.为充分发挥现代全站仪的优点,桥面水平位移观测可采用类似基准线法原理的坐标法,以直接测定观测点的横坐标.武汉长江二桥采用该法观测横向水平位移,根据对全桥136个观测点的结果进行了统计分析,在未顾及视线长度不等对Y坐标的精度影响的条件下,求得Y坐标的精度为0.48mm,远高于桥

6、梁监测技术中的精度要求3mm4智能型全站仪测量机器人测定高塔柱的摆动塔柱摆动可观测采用当代最先进的智能型全站仪TCA2022其标称精度为,土1mm+1x10-6D.它可以实现自动寻找和精确照准目标,自动测定测站点至目标点的距离、水平方向值和天顶距,计算出3维坐标并记录在内置模块或计算机内.由于它不需要人工照准、读数、计算,有利于消除人差的影响、减少记录计算出错的几率,特别是在夜间也不需要给标志照明.该仪器每次观测记录一个目标点不超过7s,每点观测4测回也仅30s.一周期观测10个点以内一般不会超过5min,其观测速度之快是人工无法比较的.武汉长江二桥采用该法测定高塔柱的摆动,为了评定该法的精度

7、,利用车流量很少的夜间观测成果进行了统计分析.仿照桥面水平位移观测的统计分析方法,对视 线 长 度 为800nl的 观 测 点 , 根 据 夜 间6周 期 的 观 测 资 料 进 行 了 统 计 分 析 计 算 , 求 得mx=0.034mmmy=0.61mm它说明该法具有较高的精度,可以满足塔柱动态观测的精度要求.五、成果整理分析观测成果的整理分析主要包括：每期观测后计算基准点的坐标、高程及其变化量；桥墩、桥面沉陷观测点、线形点的高程及变化量；桥面水平位移观测点的Y坐标及横向位移.根据这些变形量绘制了相应的变形曲线.六、南京长江二桥变形监测实例1工程概况南京长江第二大桥是国家“九五重点建设工

8、程,位于现南京长江大桥下游11公里处,全长21.337公里,由南、北汉大桥和南岸、八卦洲及北岸引线组成.其中：南汉大桥为钢箱梁斜拉桥,桥长2938米,主跨为628米,该跨径在建时居同类桥型中“国内第一,世界第三；北汉大桥为钢筋混凝土预应力连续箱梁桥,桥长2172米,主跨为3X165米,该跨径在国内亦居领先.全线还设有4座互通立交、4座特大桥、6座大桥.该桥设计标准为双向六车道高速公路；设计速度为100公里/小时；设计荷载为汽一一超20,挂一一120;路基宽33.5米,桥面宽32米不含斜拉索锚固区.全线设有监控、通讯、收费、照明、动静态称重等系统,并设有南汉主桥景观照明,南、北汉桥公园和八卦洲效

9、劳区.为了建立南京长江二桥全线结构物的竣工线型和位置基准,并对南汉大桥、北汉大桥及八卦洲I引线软土地基等重要路段、桥墩进行位移监测,为今后大桥维修、验收等工作留下起始数据,需要对南京长江二桥进行变形监测.2监测内容和方法1索塔及根底对索塔主要监测塔根底位移三维和塔顶水平变化二维.对于南汉大桥,塔根底位移监测点布置在约9m高程面的塔柱上,塔顶水平变化监测点布置在塔顶柱体上,上、下游塔柱和塔柱南北侧各布置一测点,如图13-1所示.南北塔共计布置17个监测点,其中北塔为9个点；对于北汉大桥,根底位移监测点设在江中22#、23#、24#、25#四个桥墩的墩柱上,每个桥墩的上、下游墩柱各布一个点,共计8

10、个点,点位也设在约9m高程面上,如图13-2所示.索塔及根底变位情况为每三个月观测一期.测量使用瑞士Leica高精度TC2022全站仪,以三维前方交会法进行角度观测四测回,观测方法如图13-1和图13-2所示.南、北汉大桥皆以竣工时恢复的首级限制网为基准,经平差计算获得三维坐标,为便于塔柱变位方向分析,平差计算采用桥轴坐标系.由于南汉大乔和北7限制精度均较高,止匕外,认为南汉大桥糊1双大桥睛标软缆糠雅迪酶触位置及勤测库意雒修等工作假设需检测桥轴线,仅需通图首级2制廨的掘椭!埋就幡领槌蓟置及卿雌蕾测点可不考虑恢复,仅需重新建立标高挠度监测点.新建的桥面标高监测点沿全桥布设,每隔40米设一个点,主

11、桥钢箱梁段点位布在桥梁中央分隔带护拦上,利用防护拦的韧钉头作为观测标志,共设28个点；引桥为上、下游幅结构,因此,每隔40米上、下游幅各设一个点,点位设在NCQ04NCQ04MCQD6MCQD6塔顶监测点麻将面线形挠度日 CQ04CQ04 中,高及桥中线,在南京长江二林嚏校呵工期以,南汉大桥和北汉大|桥的轴饯加标高均限制在土5mmS围内,桥面上?观测点全部遭埋没.因此,必须与蠹桥面线形 包恬桥面由面铺装完毕后下游柱线吸观测点,并做周期性梁一的监测,监测点标志为此施工中的施工左叉大桥桥轴线均惑瓣由坐标系大桥防撞护拦一侧路边上,采用围棋子做测量标点,用强力胶将其粘贴在路面上,四周用红色油漆标注.南

12、引桥共布42个点,北引桥共布46个点.测点布设位置示意图见图13-3和图13-4.桥面标高为每三个月观测一期.观测采用精密几何水准测量方法,以二等水准精度和要求进行.水准基点设在两岸桥下墩台上.囱13-3南汉大桥桥面挠度监测点位置示意图钢箱梁段南引桥段850n850n40n北引桥晟辛BCt对全桥244根斜拉索用频率法测量斜拉索索力变化情况.以上观测工程在交工验收后第1年网年年观溅汉优铸桃题髭I瓢9版位置示触现地震、 风暴等特殊荷载或结构出现异常情况,需增加观测次数.3)精度分析(1)全站仪测量的精度分析全站仪测量空间点三维坐标中误差为：式中符号及意义说明如下：(1)V代表竖直角观测值,A为坐标

13、方位角,S为斜距观测值,R为地球半径,p=206265；(2)MXP,MP和MP分别为观测点p的三维坐标中误差；(3)MXN,MN和MN分别为测站三维坐标中误差的平面分量和高程分量,包括限制点本身点位中误差和架设仪器误差.由于每次观测时都采用同一测站和后视方向,因此,限制点本身误差不影响观测点精度,同时在固定观测墩上使用强制对中器,仪器对中误差可限制在0.1mm之内,故该项误差可忽略不计；(4)MS为测距中误差,由仪器标称精度确定：Ms=a+b-S(a为固定误差,b为比例误差系数)；(5)MV和M分别为竖直角和坐标方位角中误差,因全站仪具有竖轴补偿器(6)MK为大气折光系数代表性误差,一般取M

14、=;(7)Mi为棱镜对点中误差,M为棱镜高量测中误差,因监测点棱镜用强制对中器固定在桥塔顶部,此两项误差可忽略不计,故M=M=0.将上式中平面误差局部合并得：当取距离最大为500m,竖直角最大为20.,采用测距标称精度为(1+1X10-6S)mm,测角标称精度为土1,补偿器精度为的全站仪观测一测回,代入上式计算,可以得出： MxY=3.71mm,M=3.83mm在实际工程中,全站仪实际观测精度一般要比标称精度低,假设假定实际测角精度为2 ,测距精度为土(2+2X10-6S)mm,补偿器精度为土 ,观测一测回,代入上式计算,可以得出：MXY=7.41mm,MH=6.82mm,假设观测二测回,那么

15、：MXY=5.24mm,MH=5.03mm可见,增加观测测回数或缩短观测距离,可以提升精度.2)沉降变形观测的精度分析假设MH,MH和M；,MH分别为j点和k点在第1和1-1周期观测所得的ii1ii1高程中误差,那么j点和k点的沉降量中误差分别为：于是j点和k点不均匀沉降量的中误差为：由于每周期观测时,均采用同一观测方案,由同一台仪器和同一组人员,在外界环境大致相同的条件下进行观测,故假设：那么有：南京长江二桥塔根底承台上的监测点距最远基准点不超过600m,精密水准测量每测站水准路线长一般不超过60m,那么由基准点到监测点的测站数为n=600/60=10,所以：式中M站为每一测站精密水准所测高

16、差的中误差.采用每公里观测高差中误差为土0.3mm的精密水准仪进行观测,那么:故,)MV=M=MB(MB为水平角观测中误差Mu,医为仪器标称精度)没;3V=mmX=0.018mm,于是每一监测点沉降量的中误差为：故采用每公里观测高差中误差为土mm的精密水准仪进行观测,符合?国家一、二等水准测量标准?上对仪器的要求,足以把大于土mm的不均匀沉降量反映出来.4局部观测结果及其分析1南汉大桥索塔变位观测结果列于表13-1,从9期的坐标变化量来看,塔顶变位较大,在2022年6月的测量中出现过最大变化量值：X方向南北向为+68.0mm向南,Y方向东西向为十63.7mm向下游.这是索塔柱受日照、风力作用所

17、至,属正常现象.对塔根底9期监测的坐标X、Y、Z变化量均在土10.0mm以内变动,但也偶发出现较大的最大变化量,其量值X方向为一11.0mm向北,Y方向东西向为十21.2mm向上游,H方向垂直向为十18.0mm向下,该变化量主要由测量误差带来,并非是塔根底发生了位移.由于,在对桥墩所采用的前方交会测量方法虽是变形监测中常规和有效的方法,对塔柱观测所使用的仪器也是目前世界最高精度的测量仪器,但由于所监测的点均在江中,人无法直接到达,另外还存在许多不利因素,如交会角较小、交会距离长、大气折光和水汽蒸发等等,这些因素均大大降低了测量精度.以“北塔南向下游梁下点为例,监测点离岸上两限制点距离分别为10

18、14m和1011m,交会角为16,根据误差理论分析可知,仅观测误差就达土12.2mm,假设考虑大气折光等其他因素,测量误差还将更大些.因此,可以认为南北索塔根底未出现明显变位.从对索塔下横梁上门洞内水准点钢箱梁吊装前建立的联测2果见表,其差值较小,也可以认为索塔根底未出现沉降位移.2南汉大桥桥面线形挠度表13-2为南汉大桥的主桥段钢箱梁段测点高程的各期观测值.从8期结果比较可以看出,主桥段标高变化在+15.2mm之间.综合8期的观测结果可以看出,桥梁线形标高明显有季节性的变化规律,随着环境温度的变化而升降,这种变化量值在钢箱梁段尤为明显,最大处近3cmi将各期观测结果用Excel图形显示桥面线形变化曲线可以看出,南汉桥桥面未产生挠曲变化.点号位置符号坐标观测值(m本期增量(mn)累计增量1(mm)第一期(2001.3)第二期(2001.6)第三期(2001.9)第四期(2001.12)第五期(2022.3)第六期(2022.6)第七期(2022.9)第八期(2022.12)第九期(2022.3)NS南塔X上南向:YNS南塔X下南向1YNS南塔X上南向rY下上游HNS南塔1X下南向Y下下游:HNN南塔X上北向1YNN南塔X下北向YNN南塔X上北向1Y下上游HNN南塔X下北向