橋梁工程變形監(jiān)測(cè)
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(lái)在我國(guó)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,主跨段具有柔性特性。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(yíng)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)也是人們十分關(guān)心的另一問(wèn)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(wú)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?jī)x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。
二、變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容
根據(jù)我國(guó)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(diǎn),橋梁工程變形監(jiān)觀測(cè)的主要內(nèi)容包括:
1) 橋梁墩臺(tái)沉陷觀測(cè)、橋面線形與撓度觀測(cè)、主梁橫向水平位移觀測(cè)、高塔柱擺動(dòng)觀測(cè)；
2) 為了進(jìn)行上述各項(xiàng)目的測(cè)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(cè)。
三、系統(tǒng)布置
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)。
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1.5ｍ的上塔柱側(cè)壁上,每柱設(shè)2點(diǎn)。
3）水平位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)布置
水平位移觀測(cè)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(cè)點(diǎn)的布置與觀測(cè)方法,以及基準(zhǔn)網(wǎng)的觀測(cè)方法等因素確定,一般分兩級(jí)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。
4）垂直位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)布置
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)之間應(yīng)布置了一條過(guò)江水準(zhǔn)線路。
四、方法與成果精度
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(zhǎng)相差懸殊,對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)邊長(zhǎng)相對(duì)精度應(yīng)達(dá)到不低于1/120000和邊長(zhǎng)誤差小于±5mm的雙控精度指標(biāo)；由于工作基點(diǎn)多位于大橋橋面,它們與基準(zhǔn)點(diǎn)之間難以全部通視,可采用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(kāi)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(cè)精度。
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(guó)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(guò)江水準(zhǔn)線路之間構(gòu)組成多個(gè)環(huán)線。高程基準(zhǔn)網(wǎng)的觀測(cè)采用精密水準(zhǔn)儀；高程基準(zhǔn)網(wǎng)中的過(guò)江水準(zhǔn)測(cè)量,可采用三角高程測(cè)量方法，用2臺(tái)精密全站儀同時(shí)對(duì)向觀測(cè)。
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)可采用類似基準(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)。武漢長(zhǎng)江二橋采用該法觀測(cè)橫向水平位移，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(zhǎng)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±0.48mm,遠(yuǎn)高于橋梁監(jiān)測(cè)技術(shù)中的精度要求(±3mm)。
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)可觀測(cè)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(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(guò)7ｓ,每點(diǎn)觀測(cè)4測(cè)回也僅30ｓ。一周期觀測(cè)10個(gè)點(diǎn)以內(nèi)一般不會(huì)超過(guò)5 min，其觀測(cè)速度之快是人工無(wú)法比擬的。
武漢長(zhǎng)江二橋采用該法測(cè)定高塔柱的擺動(dòng)，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(zhǎng)度為800ｍ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(dòng)態(tài)觀測(cè)的精度要求。
五、成果整理分析
觀測(cè)成果的整理分析主要包括:每期觀測(cè)后計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)、高程及其變化量；橋墩、橋面沉陷觀測(cè)點(diǎn)、線形點(diǎn)的高程及變化量；橋面水平位移觀測(cè)點(diǎn)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(zhǎng)江二橋變形監(jiān)測(cè)實(shí)例
1）工程概況
南京長(zhǎng)江第二大橋是國(guó)家“九五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，位于現(xiàn)南京長(zhǎng)江大橋下游11公里處，全長(zhǎng)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?yàn)殇撓淞盒崩瓨?，橋長(zhǎng)2938米，主跨為628米，該跨徑在建時(shí)居同類橋型中“國(guó)內(nèi)第一，世界第三”；北汊大橋?yàn)殇摻罨炷令A(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋，橋長(zhǎng)2172米，主跨為3×165米，該跨徑在國(guó)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向六車道高速公路；設(shè)計(jì)速度為100公里/小時(shí)；設(shè)計(jì)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(fèi)、照明、動(dòng)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(zhǎng)江二橋全線結(jié)構(gòu)物的竣工線型和位置基準(zhǔn)，并對(duì)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(cè)，為今后大橋維修、驗(yàn)收等工作留下起始數(shù)據(jù)，需要對(duì)南京長(zhǎng)江二橋進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。
2）監(jiān)測(cè)內(nèi)容和方法
(1)索塔及基礎(chǔ)
對(duì)索塔主要監(jiān)測(cè)塔基礎(chǔ)位移（三維）和塔頂水平變化（二維）。對(duì)于南汊大橋，塔基礎(chǔ)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在約9m高程面的塔柱上，塔頂水平變化監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)，如圖13-1所示。南北塔共計(jì)布置17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中北塔為9個(gè)點(diǎn)；對(duì)于北汊大橋，基礎(chǔ)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在江中22#、23#、24#、25#四個(gè)橋墩的墩柱上，每個(gè)橋墩的上、下游墩柱各布一個(gè)點(diǎn)，共計(jì)8個(gè)點(diǎn) ，點(diǎn)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(gè)月觀測(cè)一期。測(cè)量使用瑞士Leica高精度TC2003全站儀，以三維前方交會(huì)法進(jìn)行角度觀測(cè)四測(cè)回，觀測(cè)方法如圖13-1和圖13-2所示。南、北汊大橋皆以竣工時(shí)恢復(fù)的首級(jí)控制網(wǎng)為基準(zhǔn)，經(jīng)平差計(jì)算獲得三維坐標(biāo)，為便于塔柱變位方向分析，平差計(jì)算采用橋軸坐標(biāo)系。
