許溝特大橋變形監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)方案簡介

1、許溝特大橋變形監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)方案簡介許溝特大橋變形監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)方案簡介王保忠,苗保民(1.安陽市公路管理局,河南安陽455000;2.河南高速公路發(fā)展有限責(zé)任公司,河南鄭州450000)摘要:本文介紹了利用測(cè)量機(jī)器人對(duì)許溝特大橋進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)方案,并建立了橋梁的安全評(píng)估系統(tǒng)利用高精度,自動(dòng)觀測(cè)的全站儀進(jìn)行大型橋梁的變形監(jiān)測(cè),具有成本低,精度高,測(cè)量結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn),通過變形監(jiān)測(cè)建立橋梁的長期安全評(píng)估系統(tǒng),確保橋梁運(yùn)營安全.實(shí)踐證明該方法具有較大的推廣價(jià)值.關(guān)鍵詞:橋梁工程;測(cè)量機(jī)器人;變形監(jiān)測(cè);安全評(píng)估中圖分類號(hào):U44文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B1工程概況連霍高速公路許溝特大橋全長49

2、3.14m,主橋?yàn)?220m等截面懸鏈線箱形無鉸拱,主拱在橫橋向分為2幅,每幅拱箱為單箱3室單箱截面,寬9.Om,標(biāo)準(zhǔn)斷面頂板,底板,腹板厚度均為o.25m,加厚段斷面頂板,底板,腹板厚度均為0.5m,拱軸系數(shù)m=1.543,凈跨徑L=220m,凈矢高fo=40m,矢跨比/Lo=1/5.5,共軸系數(shù)1.543,拱上建筑為1317.5m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板,橋面連續(xù),雙柱式排架立柱,柱問設(shè)橫向聯(lián)系,橋面寬2×12.Om.設(shè)計(jì)荷載汽車一超20級(jí),掛車一120.此橋分左,右2幅.許溝特大橋于2001年12月建成通車.2建立變形監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估系統(tǒng)的必要性許溝特大橋主橋?yàn)?220m上承式等截面懸

3、鏈線箱形無鉸拱,其跨徑在國內(nèi)同類型橋梁中位居前列.鋼筋混凝土箱型拱橋在現(xiàn)代大跨橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用,但對(duì)鋼筋混凝土箱型拱橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的認(rèn)識(shí),如結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,耐久性及長期使用過程中結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律的了解,大多還是停留在以往的使用經(jīng)驗(yàn),模擬環(huán)境條件的實(shí)驗(yàn)室研究和各種假設(shè)條件的理論模型基礎(chǔ)上,對(duì)實(shí)際環(huán)境下鋼筋混凝土箱型橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)還比較少.大跨徑拱橋主拱圈相對(duì)剛度較小,在車輛荷載的重復(fù)作用下,拱圈易受疲勞損傷的特點(diǎn);拱腳承受巨大的水平推力及豎向壓力,主拱圈承受巨大的軸向壓力及部分彎矩,拱腳位移,混2482011年8期(總第80期)凝土徐變對(duì)拱橋主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響;兇H照,溫度等環(huán)境條件

4、變化引起的橋體線型變化對(duì)主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的二次內(nèi)力的影響.通過拱橋結(jié)構(gòu)相應(yīng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)或檢測(cè),對(duì)諸多涉及大橋結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全及長期演變過程評(píng)估的問題可以得到及時(shí)和客觀的記錄和分析,為大橋結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性評(píng)估提供科學(xué)的依據(jù).建立許溝特大橋在運(yùn)營環(huán)境中結(jié)構(gòu)響應(yīng)的長期變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過長期對(duì)許溝特大橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)的觀測(cè)和分析,可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論和規(guī)范,指導(dǎo)許溝特大橋結(jié)構(gòu)的科學(xué)養(yǎng)護(hù),建立許溝特大橋結(jié)構(gòu)基于實(shí)測(cè)資料的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法和安全評(píng)估方法.3大橋結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)策略和目標(biāo)作為干線高速公路上的特大型橋梁,大橋的結(jié)構(gòu)安全對(duì)相關(guān)高速公路網(wǎng)的正常運(yùn)營有著重要的影響.建立橋變形監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)的主要目的是為大橋結(jié)構(gòu)

5、養(yǎng)護(hù)管理提供科學(xué)的指導(dǎo),為大橋結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別和安全性評(píng)估提供依據(jù).具體目標(biāo)為:(1)在結(jié)構(gòu)分析理論和實(shí)際測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上,建立準(zhǔn)確的大橋結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型.(2)根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長期測(cè)試結(jié)果,結(jié)構(gòu)特性變化趨勢(shì)和統(tǒng)計(jì)分析,為大橋的養(yǎng)護(hù)管理提供技術(shù)指導(dǎo).(3)以大橋結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型為基礎(chǔ),結(jié)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長期監(jiān)測(cè)分析資料,為大橋結(jié)構(gòu)異常狀況的評(píng)估提供依據(jù).(4)進(jìn)行大橋結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與安全評(píng)估方法研究,建立相應(yīng)的損傷識(shí)別和安全評(píng)估系.4變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要內(nèi)容許溝特大橋橋面以下部分均為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),本橋主要監(jiān)測(cè)拱圈的變形.通過周期性觀測(cè)拱圈各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo),坐標(biāo)系可采用整體

6、坐標(biāo)系統(tǒng)或局部坐標(biāo)系統(tǒng),將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到橫橋向,縱橋向及鉛垂方向的坐標(biāo),根據(jù)相對(duì)坐標(biāo),建立橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,將實(shí)測(cè)拱圈形狀與成橋拱圈形狀做對(duì)比,找出拱圈變形趨勢(shì),對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行評(píng)估.根據(jù)許溝特大橋主跨跨徑,并結(jié)合拱橋受力特點(diǎn),全橋共設(shè)60個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見圖1).圖1許溝特大橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫橋向布置圖5變形監(jiān)測(cè)頻率從結(jié)構(gòu)安全上說,觀測(cè)平率越高,對(duì)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)越有利,但觀測(cè)成本相應(yīng)提高,就結(jié)構(gòu)特性上說也不需要過高的觀測(cè)平率.監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)綜合各種因素確定.初期觀測(cè)頻率應(yīng)適當(dāng)大一些,根據(jù)觀測(cè)到結(jié)構(gòu)變形速度,加速度確定具體觀測(cè)頻率.當(dāng)結(jié)構(gòu)變形緩慢,趨勢(shì)穩(wěn)定時(shí)可按正常情況確定觀測(cè)頻率,該種情況下第

7、1年初步觀測(cè)3次,第1次于第2次觀測(cè)間隔時(shí)間為3個(gè)月,第2次與第3次觀測(cè)間隔時(shí)間為6個(gè)月,此后每6個(gè)月觀測(cè)1次,即正常情況下每年觀測(cè)2次.在以下情況時(shí)應(yīng)加大觀測(cè)頻率或增加觀測(cè)次數(shù):(1)結(jié)構(gòu)局部監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形速度加快,出現(xiàn)較大的變形加速度,即出現(xiàn)非正常變形時(shí).(2)大型特殊車輛通過橋梁時(shí).(3)出現(xiàn)地震,特大暴雨等嚴(yán)重自然災(zāi)害時(shí).6變形監(jiān)測(cè)精度結(jié)構(gòu)分析表明,當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)設(shè)誤差不大于-4-1.0ram時(shí),結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果相差較小,故各監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量誤差按±1.0ram控制.7變形監(jiān)測(cè)方法傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方法主要有2大類:一是常規(guī)的測(cè)量方法(大地測(cè)量方法與攝影測(cè)量方法),二是物理學(xué)傳感器方法.常規(guī)的

8、大地測(cè)量方法具有測(cè)量精度高,資料可靠等優(yōu)點(diǎn),但又有觀測(cè)工作量大,效率低,受氣候影響大,不易實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)和測(cè)量過程的自動(dòng)化,并要求監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基點(diǎn)通視等缺點(diǎn),這些缺點(diǎn)對(duì)變形監(jiān)測(cè)有非常不利的影響.隨著電子水準(zhǔn)儀和全站儀的出現(xiàn),實(shí)現(xiàn)地面測(cè)量技術(shù)的自動(dòng)化也己經(jīng)成為可能;攝影測(cè)量的方法也可以用于包括橋梁在內(nèi)的各種建筑物的變形觀測(cè).數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量為該技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用開拓了更加廣泛的前景.但是,目前利用攝影方法進(jìn)行變形觀測(cè)的過程仍然比較復(fù)雜.物理傳感器方法主要是指應(yīng)力應(yīng)變計(jì),傾斜儀等方法,這些方法的優(yōu)點(diǎn)是能獲得觀測(cè)對(duì)象內(nèi)部的一些信息及高精度局部的相對(duì)變形信息,并且能實(shí)現(xiàn)長期連續(xù)的自動(dòng)化觀測(cè),這些方法的缺點(diǎn)是

9、只能觀測(cè)有限的局部變形.測(cè)量機(jī)器人(MeasurementRobot,或稱測(cè)地機(jī)器人,Georobot)是一種能代替人進(jìn)行自動(dòng)搜索,跟蹤,識(shí)別和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度,距離,三維坐標(biāo)以及影像等信息的智能型全站儀.它是在全站儀的基礎(chǔ)上繼承步進(jìn)馬達(dá),CCD影像傳感器構(gòu)成的視頻成像系統(tǒng),并配置智能化的控制及應(yīng)用軟件發(fā)展而形成的.測(cè)量機(jī)器人通過CCD影像傳感器和其它傳感器對(duì)現(xiàn)實(shí)測(cè)量范圍內(nèi)的"目標(biāo)"進(jìn)行識(shí)別,迅速做出分析,判斷與推理,實(shí)現(xiàn)自我控制,并自動(dòng)完成照準(zhǔn),讀數(shù)等操作,以完全代替人的手工操作.測(cè)量機(jī)器人再與能夠制定測(cè)量計(jì)劃,控制測(cè)量過程,進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)處理與分析的軟件系統(tǒng)相結(jié)合,

10、完全可以代替人完成許多測(cè)量任務(wù).根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn),擬采用高精度全站儀(測(cè)量機(jī)器人)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè).8橋梁變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理變形監(jiān)測(cè)獲取的大量數(shù)據(jù)可通過計(jì)算機(jī)處理,組2011年8期(總第80期)249織技術(shù)人員針對(duì)本項(xiàng)目特點(diǎn)研究開發(fā)自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理軟件.該軟件需要達(dá)到以下效果.(1)對(duì)測(cè)量數(shù)值進(jìn)行自動(dòng)平差.(2)自動(dòng)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化.(3)自動(dòng)快速進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形比較,并自動(dòng)識(shí)別變形異常的監(jiān)測(cè)點(diǎn),方便觀測(cè)人員及時(shí)補(bǔ)測(cè),確認(rèn).9橋梁變形監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估系統(tǒng)流程根據(jù)首次測(cè)量得到的關(guān)于拱圈,系桿各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值,將測(cè)量所得的三維坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)受力分析所需要的順橋向,縱橋向及鉛垂方向的相對(duì)坐標(biāo)值,并以首次測(cè)

11、量得到的坐標(biāo)值作為基準(zhǔn)值.將基準(zhǔn)值與橋梁竣工圖文件所提供的橋梁線形做對(duì)比,計(jì)算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形方向和變形量.建立橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析,對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行評(píng)估,若結(jié)構(gòu)承載力不能滿足受力要求,則及時(shí)建議橋梁養(yǎng)護(hù)管理單位對(duì)橋梁進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè),如對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力,混凝土強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)裂縫(如果有)寬度,深度進(jìn)行監(jiān)測(cè).根據(jù)進(jìn)一步的檢測(cè)結(jié)果,分析病害原因,找準(zhǔn)病根,對(duì)橋梁進(jìn)行有針對(duì)性的維修,加固.周期性地測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo),將各次實(shí)測(cè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成縱橋向,橫橋向及鉛垂方向的相對(duì)坐標(biāo),將每次測(cè)量得到的相對(duì)坐標(biāo)與首次測(cè)量得到的基準(zhǔn)值比2502011年8期(總第80期)較,得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量,建議橋梁各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形監(jiān)控圖,當(dāng)發(fā)生異常變形時(shí),及時(shí)查明原因,并向橋梁養(yǎng)護(hù)管理單位反映,建議養(yǎng)護(hù)管理單位進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè),根據(jù)進(jìn)一步檢測(cè)結(jié)果找出病害原因和應(yīng)對(duì)措施.根據(jù)每次監(jiān)測(cè)所得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo),建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析,進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)估,若結(jié)構(gòu)承載能力變動(dòng)異?；虺休d能力不能滿足規(guī)范要求,及時(shí)向橋梁養(yǎng)護(hù)管理單位建議進(jìn)行進(jìn)一步地檢測(cè),找出病害原因,有針對(duì)性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)維修,加固,避免病害進(jìn)一步發(fā)展.10結(jié)語利用高精度,自動(dòng)觀測(cè)的全站儀進(jìn)行大型橋梁