桥梁工程变形监测

§13—4桥梁工程变形监测一、概述大型桥梁，如斜拉桥、悬索桥自20世纪90年头初期以来在我国如雨后春笋般的发展。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探讨并取得了一些阅历。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非常关切的另一问题。尽管目前有些桥梁已建立了了解结构内部物理量的改变的“桥梁健康系统”,它对于了解桥梁结构内力的改变、分析变形缘由无疑有着非常重要的作用。然而,要真正达到桥梁平安监测之目的,了解桥梁的改变状况,还必需刚好测定它们几何量的改变及大小。因此,在建立“桥梁健康系统”的同时,探讨采纳大地测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非常必要的。二、变形监测内容依据我国最新颁发的“马路技术养护规范”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、高塔柱摇摆观测；2)为了进行上述各项目的测量,还必需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桥轴线一侧的桥面沉陷和线形观测点共点。2）塔柱摇摆观测点布置塔柱摇摆观测点布置在主塔上塔柱的顶部、上横梁顶面以上约1.5ｍ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记；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运用便利,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1）GPS定位系统测量平面基准网为了满意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达到不低于1/120000和边长误差小于±5mm的双控精度指标；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,可采纳GPS定位系统施测。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支配在夜间作业,尽可能使其符合静态作业条件以提高观测精度。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依据“国家一、二等水准测量规范”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纳精密水准仪；高程基准网中的过江水准测量,可采纳三角高程测量方法，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纳基准线法观测,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纳类似基准线法原理的坐标法,以干脆测定观测点的横坐标。武汉长江二桥采纳该法观测横向水平位移，依据对全桥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,远高于桥梁监测技术中的精度要求(±3mm)。4)智能型全站仪(测量机器人)测定高塔柱的摇摆塔柱摇摆可观测采纳当代最先进的智能型全站仪TCA2003,其标称精度为0.5″,±(1mm+1×10-6D)。它可以实现自动找寻和精确照准目标,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。由于它不须要人工照准、读数、计算,有利于消退人差的影响、削减记录计算出错的几率,特殊是在夜间也不须要给标记照明。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拟的。武汉长江二桥采纳该法测定高塔柱的摇摆，为了评定该法的精度,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800ｍ的观测点,依据夜间6周期的观测资料进行了统计分析计算,求得mx=0.034mm、my=0.61mm,它表明该法具有较高的精度,可以满意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、高程及其改变量；桥墩、桥面沉陷观测点、线形点的高程及改变量；桥面水平位移观测点的Ｙ坐标及横向位移。依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）工程概况南京长江其次大桥是国家“九五”重点建设项目，位于现南京长江大桥下游11公里处，全长21.337公里，由南、北汊大桥和南岸、八卦洲及北岸引线组成。其中：南汊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”；北汊大桥为钢筋混凝土预应力连续箱梁桥，桥长2172米，主跨为3×165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马路；设计速度为100公里/小时；设计荷载为汽——超20，挂——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，并设有南汊主桥景观照明，南、北汊桥公园和八卦洲服务区。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，并对南汊大桥、北汊大桥及八卦洲引线（软土地基）等重要路段、桥墩进行位移监测，为今后大桥修理、验收等工作留下起始数据，须要对南京长江二桥进行变形监测。2）监测内容和方法(1)索塔及基础对索塔主要监测塔基础位移（三维）和塔顶水平改变（二维）。对于南汊大桥，塔基础位移监测点布置在约9m高程面的塔柱上，塔顶水平改变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；对于北汊大桥，基础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个点，点位也设在约9m高程面上，如图13-2所示。索塔及基础变位状况为每三个月观测一期。测量运用瑞士Leica高精度TC2003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、北汊大桥皆以竣工时复原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，平差计算采纳桥轴坐标系。图13-1图13-1南汊大桥索塔变位监测点位置及观测示意图梁下监测点标记塔顶监测点水面南塔长江监测点标记北塔水面水面监测点标记桥面长江桥墩桥墩上游柱桥轴线下游柱桥墩桥墩图13-2北汊大桥桥墩变位监测点位置及观测示意图(2)桥面线形（挠度）桥面线形包括桥面标高及桥中线，在南京长江二桥主桥施工期间，南汊大桥和北汊大桥的轴线和标高均限制在±5mm范围内,桥面上按肯定的间距设有监测点。桥面铺装完毕后,观测点全部遭埋没。因此，必需重新建立桥面线型监观测点，并做周期性的监测。由于南汊大桥和北汊大桥桥轴线均是桥轴坐标系的X轴，且当时施工中的施工限制精度均较高，此外，南京长江二桥首级限制网已得到了全面复原，因此，可以认为南汊大桥和北汊大桥的桥轴线仍是桥轴坐标的X轴。今后修理等工作若需检测桥轴线，仅需通过首级限制网的限制点即可进行检查，桥轴线监测点可不考虑复原，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，主桥（钢箱梁）段点位布在桥梁中心分隔带护拦上，利用防护拦的铆钉头作为观测标记，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，点位设在大桥防撞护拦一侧路边上，采纳围棋子做测量标点，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。观测采纳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。图13-3南汊大桥桥面挠度监测点位置示意图注：图13-3南汊大桥桥面挠度监测点位置示意图注：间隔点每隔一个表示监测点长江八卦洲北引桥段钢箱梁段北塔水面南塔南引桥段南引线图图13-4北汊大桥桥面挠度监测点位置示意图北引线八卦洲(3)主梁及主塔应力对桥梁施工时施工监控设置的应力观测断面的观测点接着进行应力观测,探讨主梁及主塔的应力改变。(4)斜拉索索力对全桥244根斜拉索用频率法测量斜拉索索力改变状况。以上观测项目在交工验收后第1年内每半年观测1次,以后每年观测1次。若出现地震、风暴等特殊荷载或结构出现异样状况,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为坐标方位角,Ｓ为斜距观测值,Ｒ为地球半径,ρ=206265″；(2)MXP，MYP和MHP分别为观测点ｐ的三维坐标中误差；(3)MXN，MYN和MHN分别为测站三维坐标中误差的平面重量和高程重量,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纳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运用强制对中器,仪器对中误差可限制在0.1mm(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MA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,故,)MV=MA=Mβ(Mβ为水平角观测中误差,,μ为仪器标称精度)没；(6)ＭＫ为大气折光系数代表性误差,一般取MK=0.05；(7)Mi为棱镜对点中误差,Mr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,此两项误差可忽视不计,故Mi=Mr=0。将上式中平面误差部分合并得:当取距离最大为500ｍ,竖直角最大为20°,采纳测距标称精度为±(1+1×10-6·Ｓ)mm,测角标称精度为±1″,补偿器精度为±0.3″的全站仪观测一测回,代入上式计算,可以得出:MXY=±3.71mm,MH=±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,若假定实际测角精度为±2″,测距精度为±(2+2×10-6·Ｓ)mm,补偿器精度为±0.3″,观测一测回,代入上式计算,可以得出:MXY=±7.41mm,MH=±6.82mm,若观测二测回,则:MXY=±5.24mm,MH2)沉降变形观测的精度分析假设,和,分别为ｊ点和ｋ点在第ｉ和ｉ-1周期观测所得的高程中误差,则ｊ点和ｋ点的沉降量中误差分别为:于是ｊ点和ｋ点不匀称沉降量的中误差为:由于每周期观测时,均采纳同一观测方案,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:则有:南京长江二桥塔基础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途长一般不超过60ｍ,则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差的中误差。采纳每公里观测高差中误差为±0.3mmＭ站=±0.30ｍｍ×0.06=±0.018mm于是每一监测点沉降量的中误差为:故采纳每公里观测高差中误差为±0.3ｍｍ的精密水准仪进行观测,符合《国家一、二等水准测量规范》上对仪器的要求,足以把大于±1.0ｍｍ的不匀称沉降量反映出来。4）部分观测结果及其分析（1）南汊大桥索塔变位观测结果列于表13-1，从9期的坐标改变量来看，塔顶变位较大，在2002年6月的测量中出现过最大改变量值：X方向（南北向）为+68.0mm（向南），Y方向（东西向）为＋63.7mm（向下游）。这是索塔柱受日照、风力作用所至，属正常现象。对塔基础9期监测的坐标（X、Y、Z）改变量均在±10.0mm以内变动，但也偶发出现较大的最大改变量，其量值X方向为－11.0mm（向北），Y方向（东西向）为＋21.2mm（向上游），H方向（垂直向）为＋18.0mm（向下），该改变量主要由测量误差带来，并非是塔基础发生了位移。因为，在对桥墩所采纳的前方交会测量方法虽是变形监测中常规和有效的方法，对塔柱观测所运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，人无法干脆到达，另外还存在很多不利因素，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1014m和1011m，交会角为16°，依据误差理论分析可知，仅观测误差就达±12.2mm，若考虑大气折光等其他因素，测量误差还将更大些。因此，可以认为南北索塔基础未出现明显变位。从对索塔下横梁上门洞内水准点（钢箱梁吊装前建立的）联测结果(见表2.4)，其差值较小，也可以认为索塔基础未出现沉降位移。（2）南汊大桥桥面线形（挠度）表13-2为南汊大桥的主桥段（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，主桥段标高改变在-23.4~+15.2mm之间。综合8期的观测结果可以看出，桥梁线形（标高）明显有季节性的改变规律，随着环境温度的改变而升降，这种改变量值在钢箱梁段尤为明显，最大处近3cm。将各期观测结果用Excel图形显示桥面线形改变曲线可以看出，南汊桥桥面未产生挠曲改变。表13-1南汊桥索塔变位监测数据点号位置符号坐标观测值（m）本期增量（mm）累计增量（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顶X7465.61447465.57107465.57107465.57107465.65297465.54957465.59117465.62207465.585836.328.6Y2997.15012997.13022997.13022997.13022997.12072997.11222997.12102997.12092997.11654.333.6NS下上南塔南向下游塔顶X7465.61457465.64737465.64737465.64737465.64737465.54657465.61377465.63057465.588542.026.0Y3003.01343003.00433003.00433003.00433003.00433002.99713003.00193003.00313003.00013.013.3NS上下南塔南向上游梁下X7464.86287464.86597464.86007464.86147464.86207464.85627464.85997464.86097464.85862.44.2Y2986.84262986.83482986.83802986.83452986.83162986.82952986.83192986.83172986.83061.112.0H13.996513.990113.991413.990513.990514.000113.993713.992113.9961-4.00.4NS下下南塔南向下游梁下X7464.86977464.87317464.86607464.86887464.86737464.85667464.86427464.86587464.86124.68.5Y3013.18333013.17903013.17703013.16453013.16163013.16203013.16273013.16223013.16210.121.2H14.133614.137514.134414.133614.135114.148214.155614.145414.1518-6.7-18.2NN上上南塔北向上游塔顶X7473.12047473.11197473.14077473.17597473.15807473.13097473.15497473.15657473.143712.8-23.3Y2996.98792996.99482996.99992996.98892996.96952996.96432996.97422996.97192996.96813.819.8NN下上南塔北向下游塔顶X7473.11287473.10647473.14387473.16907473.17987473.15797473.16897473.17447473.16618.2-53.3Y3002.80383002.80693002.81853002.81013002.76673002.75613002.77763002.77223002.76418.039.7NN上下南塔北向上游梁下X7474.43617474.44217474.44127474.44037474.44387474.44387474.44267474.44327474.4435-0.3-7.4Y2986.93282986.93912986.93992986.92952986.92172986.92172986.92432986.92302986.92240.610.5H13.930413.921513.928113.929213.930613.930613.930113.930413.9305-0.1-0.1NN下下南塔北向下游梁下X7474.42917474.43427474.43427474.44067474.43967474.43967474.43997474.43987474.43970.1-10.6Y3013.11803013.12603013.12603013.11263013.11033013.11033013.11113013.11073013.11050.27.5H14.056114.053014.053014.046914.050314.050314.049214.049714.0500-0.36.1BS上上北塔南向上游塔顶X8094.14088094.15248094.16938094.16938094.16438094.14408094.15928094.16188094.15298.9-12.1Y2996.54722996.53002996.51112996.51112996.49642996.49432996.50062996.49852996.49642.150.8BS下上北塔南向下游塔顶X8094.09888094.15088094.15348094.17128094.13968094.05938094.12348094.13158094.095436.13.4Y3003.27753003.25973003.24113003.24993003.22503003.22243003.23243003.22873003.22563.251.9BS上下北塔南向上游梁下X8092.87168092.86208092.86498092.87228092.87238092.86618092.87028092.87138092.86872.62.9Y2986.78152986.77612986.77732986.77822986.78122986.77452986.77802986.77962986.77702.54.5H13.850313.858213.855313.859213.857313.844013.853513.855413.84975.70.6BS下下北塔南向下游梁下X8092.89348092.88198092.89028092.89148092.90048092.89078092.89428092.89738092.89403.3-0.6Y3013.21373013.20503013.20753013.20523013.21283013.21173013.20993013.21143013.2115-0.22.2H13.999214.012414.000014.002013.999613.996213.999313.999413.99781.61.4BN上上北塔北向上游塔顶X8101.67208101.68488101.66908101.61358101.62308101.72068101.65248101.63778101.6791-41.5-7.1Y2996.65872996.63912996.62522996.62322996.59852996.59502996.60562996.60202996.59853.560.2BN下上北塔北向下游塔顶X8101.67108101.67108101.68828101.68828101.62008101.71838101.67558101.64788101.6830-35.3-12.0Y3003.31313003.31313003.29963003.29963003.28733003.28733003.29143003.28943003.28831.024.8BN上下北塔北向上游梁下XYHBN下下北塔北向下游梁下XYHBN中北塔北向梁下中间X8101.32938101.32898101.32698101.32518101.32188101.33778101.32828101.32508101.3314-6.4-2.1Y2998.32472998.31922998.32432998.31722998.31472998.31272998.31492998.31482998.31371.011.0H33.965433.968633.979733.964933.965133.963533.964533.964833.96420.71.2说明：（1）平面坐标采纳桥轴坐标系，高程采纳黄海高程；（2）X方向平面位移：“＋”表示向南岸位移，“－”表示向北岸位移；（3）Y方向平面位移：“＋”表示向上游位移，“－”表示向下游位移；（4）H方向垂直位移：“＋”表示下沉，“－”表示上升。表13-2南汊桥主桥路面标高监测数据点号高程观测值（m）本期沉降量（mm）累积沉降量（mm）第一期（2001．6）第二期（2001．9）第三期（2001．12）第四期（2002．3）第五期（2002．6）第六期（2002．9）第七期（2002．12）第八期（2003．3）Z0131.371331.372131.370931.371331.370131.373331.371231.37050.70.8Z0232.465032.467232.465832.464032.461632.465532.463932.46162.33.4Z0333.744233.741733.739433.739133.743833.747333.742033.73813.96.1Z0435.078535.074935.065135.066535.078235.082335.072135.061710.316.8Z0536.426436.422636.411536.411236.426936.428936.418236.404313.922.1Z0637.786037.784437.776037.775337.778337.790537.778737.766212.519.8Z0739.194239.195539.194639.192039.188339.201539.192939.18676.27.5NTX39.017839.019539.019539.021639.021639.021639.021639.02160.0-3.8Z0840.522440.523940.533840.533640.512040.531240.525740.52124.51.2Z0941.676241.678341.696541.696041.658141.682141.679941.67029.66.0Z1042.664642.668842.689542.688042.641942.669042.667742.652914.711.7Z1143.369243.375943.389043.392343.343243.371643.368943.348120.821.1Z1243.909243.920943.931643.932243.882943.911243.907743.879128.630.1Z1344.224944.237244.235944.236744.189144.219344.213544.175038.549.9Z1444.297644.312744.308944.306544.263244.293544.285244.241343.956.3Z