全站儀自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在寧波招寶山大橋變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
2015-07-27
寧波招寶山大橋位于寧波市甬江入?？?，連接寧波鎮(zhèn)海市區(qū)和小港經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，其主橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋與連續(xù)梁結(jié)合組成的協(xié)作體系。大橋于1995年動(dòng)工興建，1998年3月主塔封頂，1998年8月中旬主梁邊跨合攏完成，同年9月底，懸澆主梁23號(hào)塊混泥土?xí)r，主梁16號(hào)塊處底版、斜腹板及直腹板發(fā)生壓潰破壞。后經(jīng)中鐵大橋局集團(tuán)一公司工程技術(shù)人員的加固修復(fù)，現(xiàn)已建成通車。為了保證大橋的安全運(yùn)營(yíng)，受大橋管理部門的委托，要求通過(guò)對(duì)大橋關(guān)鍵部位的空間位置及其變化的長(zhǎng)時(shí)間定期監(jiān)測(cè)，分析長(zhǎng)期積累的數(shù)據(jù)，以確定現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的承載能力，使用耐久性等，確保橋跨結(jié)構(gòu)處于良好的工作狀態(tài)。為此開(kāi)展了對(duì)大橋位移、沉降等內(nèi)容的變形監(jiān)測(cè)。
1、大橋主梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布介紹
招寶山大橋西接招寶山，東接金雞山，橋梁主軸方位約為110°。橋面寬約為24米，雙向6車道。大橋的主要特點(diǎn)是非對(duì)稱大跨度斜拉索結(jié)構(gòu)。結(jié)合主梁應(yīng)力（應(yīng)變）測(cè)試，大橋主梁沉降監(jiān)測(cè)斷面如圖1中的“▼”所示。其中A—F為主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面對(duì)應(yīng)的沉降監(jiān)測(cè)斷面；1#
—
9#監(jiān)測(cè)斷面分別為各墩墩頂，第二跨四等分點(diǎn)，第三、四跨的二等分點(diǎn)。全橋主梁共有沉降監(jiān)測(cè)斷面15個(gè)，分上、下游兩條線路布置，共計(jì)30個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。另外，在大橋上、下游兩主塔頂各設(shè)1個(gè)位移、沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
2、大橋變形監(jiān)測(cè)方案
2．1 監(jiān)測(cè)頻率
大橋變形監(jiān)測(cè)計(jì)劃歷時(shí)3年。第1年每月監(jiān)測(cè)1次，共計(jì)12次；第2年每季度監(jiān)測(cè)1次，共計(jì)4次；第3年每半年監(jiān)測(cè)1次，共計(jì)2次。
2．2 監(jiān)測(cè)速度和精度
為了盡量減小對(duì)社會(huì)交通的影響，大橋管理部門同意的封橋時(shí)間是30分鐘。因此，大橋主梁和主塔上32個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作要在半小時(shí)內(nèi)完成。位移沉降監(jiān)測(cè)精度要求為±1毫米。
2．3 監(jiān)測(cè)方案
采用常規(guī)的水準(zhǔn)測(cè)量等方案，雖能保證必要的監(jiān)測(cè)精度，但要在30分鐘內(nèi)完成大橋主梁和橋塔上32個(gè)點(diǎn)的位移沉降監(jiān)測(cè)，困難較大。特別是大橋主塔塔頂距橋面高約有100多米，常規(guī)方法難以解決其位移、沉降的同步監(jiān)測(cè)問(wèn)題。參考國(guó)內(nèi)外類似項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)方案，確定采用差分方式的自動(dòng)化全站儀變形監(jiān)測(cè)方案。
2．3．1 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)
為了給全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供差分基準(zhǔn)，首先建立如圖2所示的監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)。其中QC1、QC3、QC4三點(diǎn)為建在基巖上永久性標(biāo)石點(diǎn)，QC5為江邊泵房頂?shù)倪^(guò)渡點(diǎn)。利用徠卡TCA1800全站儀，按工程一等邊角網(wǎng)施測(cè)。
2．3．2 變形點(diǎn)差分自動(dòng)化監(jiān)測(cè)
徠卡TCA1800自動(dòng)化全站儀與解放軍測(cè)繪學(xué)院研制開(kāi)發(fā)的“自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)軟件—ADMS”相組合，構(gòu)成招寶山大橋自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在大橋主梁和主塔的32個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)上各安裝一個(gè)圓形單棱鏡。TCA1800全站儀安置在QC1基準(zhǔn)點(diǎn)上。
由于QC1基準(zhǔn)點(diǎn)幾乎在橋軸線的延長(zhǎng)線上，故大橋主梁上30個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布在左右寬約24米，前后縱深約600米的狹窄視場(chǎng)之內(nèi)。即使打開(kāi)TCA1800自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別的小視場(chǎng)（8¢´8¢），也不能避免視場(chǎng)內(nèi)有多個(gè)棱鏡的干擾。因此，還需對(duì)圖1所示的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行合理分組，在最大減少人工干預(yù)的前提下，盡快完成大橋主梁和主塔的32個(gè)點(diǎn)的變形監(jiān)測(cè)。
在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，考慮現(xiàn)場(chǎng)大氣等環(huán)境因素，選用 QC3為自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)的差分基準(zhǔn)點(diǎn)。
3、大橋首次變形監(jiān)測(cè)結(jié)果初步分析
2001年8月18日，招寶山大橋首次進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。在首次監(jiān)測(cè)中，大橋連續(xù)封橋30小時(shí)。為了初步分析監(jiān)測(cè)效果，以上游主橋塔位移沉降監(jiān)測(cè)為例，三維分量變形趨勢(shì)監(jiān)測(cè)結(jié)果分別如圖3、4、5所示。其中各監(jiān)測(cè)周期與時(shí)刻對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表所示。
三維分量的變形趨勢(shì)圖，有以下初步結(jié)果：
1）大橋上游主橋塔塔頂監(jiān)測(cè)棱鏡點(diǎn)距QC1自動(dòng)化全站儀TCA1800監(jiān)測(cè)站的平距約為390米、高差約為95米。
2）招寶山大橋地處甬江入?？?，為海洋性氣候。2001年8月18日至19日，晴天，日平均氣溫約為20度。
3）大橋上游主橋塔的平面位移和豎向沉降具有明顯的周日變化規(guī)律：
·
上午時(shí)段（7、11、47周期），平面（X、Y）位移量逐漸增大，豎向有下沉趨勢(shì)。11時(shí)（11、47周期），平面（X、Y）位移達(dá)到最大值，豎向（Z）下沉在中午1時(shí)（15周期）達(dá)到最大值；
· 下午時(shí)段（19、23周期），三維分量（X、Y、Z）的變形量都趨向減??；
·
夜間時(shí)段（3、27、31、35、39、43周期），三維分量（X、Y、Z）的變形趨于穩(wěn)定，變形量較小。以18日清晨5時(shí)的第3周期為參考周期，19日清晨5時(shí)同一時(shí)刻的第43周期三維分量（X、Y、Z）變形監(jiān)測(cè)結(jié)果都趨近為零。
4）對(duì)于大橋下游主橋塔變形監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，有與上述相類似的結(jié)論。由此可見(jiàn)，TCA1800全站儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)寧波招寶山大橋的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果是有效的，能反映出橋塔非常良好的柔性變形規(guī)律。
4、結(jié)束語(yǔ)
寧波招寶山大橋變形監(jiān)測(cè)具有點(diǎn)位多、精度要求高、可利用監(jiān)測(cè)時(shí)間短等特點(diǎn)。在利用具有自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別的徠卡TCA1800全站儀，按差分方式高精度、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)大橋的位移與沉降的變形情況，最大的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)三維監(jiān)測(cè)同步，這一點(diǎn)對(duì)于100多米高的主橋塔變形監(jiān)測(cè)來(lái)講，尤為重要。
在具體監(jiān)測(cè)過(guò)程中，如何合理建立差分基準(zhǔn)網(wǎng)；選擇差分基準(zhǔn)點(diǎn)；在狹長(zhǎng)視場(chǎng)范圍內(nèi)對(duì)多個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)高效地分組監(jiān)測(cè)等是寧波招寶山大橋變形監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，在這些方面取得的經(jīng)驗(yàn)于國(guó)內(nèi)外都具有一定的參考價(jià)值。
