橋梁工程變形監(jiān)測(cè)

第11章橋橋梁梁工程程變形形監(jiān)測(cè)測(cè)主要內(nèi)內(nèi)容概述橋梁基基礎(chǔ)垂垂直位位移監(jiān)監(jiān)測(cè)橋梁撓撓度觀(guān)觀(guān)測(cè)橋梁結(jié)結(jié)構(gòu)的的健康康診斷斷11.1概述目的與與意義義橋梁變變形觀(guān)觀(guān)測(cè)是是橋梁梁運(yùn)營(yíng)營(yíng)期養(yǎng)養(yǎng)護(hù)的的重要要內(nèi)容容，對(duì)對(duì)橋梁梁的健健康診診斷和和安全全運(yùn)營(yíng)營(yíng)有著著重要要的意意義。。成橋后后的結(jié)結(jié)構(gòu)狀狀態(tài)識(shí)識(shí)別和和確認(rèn)認(rèn)，橋橋梁運(yùn)運(yùn)營(yíng)過(guò)過(guò)程中中的損損傷檢檢測(cè)、、預(yù)警警及適適時(shí)維維修制制度的的建立立，有有助于于從根根本上上消除除隱患患及避避免災(zāi)災(zāi)難性性事故故的發(fā)發(fā)生。。運(yùn)營(yíng)中中的橋橋梁結(jié)結(jié)構(gòu)及及其環(huán)環(huán)境所所獲得得的信信息不不僅是是理論論研究究和實(shí)實(shí)驗(yàn)室室調(diào)查查的補(bǔ)補(bǔ)充，，而且且可以以提供供有關(guān)關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)行為為與環(huán)環(huán)境規(guī)規(guī)律的的最真真實(shí)的的信息息。橋梁安安全監(jiān)監(jiān)測(cè)帶帶來(lái)的的將不不僅是是監(jiān)測(cè)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)和對(duì)對(duì)某特特定橋橋梁設(shè)設(shè)計(jì)的的反思思，它它還可可能并并應(yīng)該該成為為橋梁梁研究究的““現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室””。變形監(jiān)監(jiān)測(cè)的的主要要內(nèi)容容橋梁變變形按按其類(lèi)類(lèi)型可可分為為靜態(tài)態(tài)變形形和動(dòng)動(dòng)態(tài)變變形;靜態(tài)變變形是是指變變形觀(guān)觀(guān)測(cè)的的結(jié)果果只表表示在在某一一期間間內(nèi)的的變形形值，，它是是時(shí)間間的函函數(shù)。。動(dòng)態(tài)變變形是是指在在外力力影響響下而而產(chǎn)生生的變變形，，它是是表示示橋梁梁在某某個(gè)時(shí)時(shí)刻的的瞬時(shí)時(shí)變形形，是是以外外力為為函數(shù)數(shù)來(lái)表表示的的對(duì)于于時(shí)間間的變變化。。橋梁墩墩臺(tái)的的變形形一般般來(lái)說(shuō)說(shuō)是靜靜態(tài)變變形，，而橋橋梁結(jié)結(jié)構(gòu)的的撓度度變形形則是是動(dòng)態(tài)態(tài)變形形。橋梁墩墩臺(tái)變變形觀(guān)觀(guān)測(cè)橋梁墩墩臺(tái)的的變形形觀(guān)測(cè)測(cè)主要要包括括兩方方面：：墩臺(tái)的的垂直直位移移觀(guān)測(cè)測(cè)。主主要包包括墩墩臺(tái)特特征位位置的的垂直直位移移和沿沿橋軸軸線(xiàn)方方向（（或垂垂直于于橋軸軸線(xiàn)方方向））的傾傾斜觀(guān)觀(guān)測(cè)。。墩臺(tái)的的水平平位移移觀(guān)測(cè)測(cè)。其其中各各墩臺(tái)臺(tái)在上上、下下游的的水平平位移移觀(guān)測(cè)測(cè)稱(chēng)為為橫向向位移移觀(guān)測(cè)測(cè)；各各墩臺(tái)臺(tái)沿橋橋軸線(xiàn)線(xiàn)方向向的水水平位位移觀(guān)觀(guān)測(cè)稱(chēng)稱(chēng)為縱縱向位位移觀(guān)觀(guān)測(cè)。。兩者者中，，以橫橫向位位移觀(guān)觀(guān)測(cè)更更為重重要。。塔柱變變形觀(guān)觀(guān)測(cè)（1）塔柱柱頂部部水平平位移移監(jiān)測(cè)測(cè)；（2）塔柱柱整體體傾斜斜觀(guān)測(cè)測(cè)；（3）塔柱柱周日日變形形觀(guān)測(cè)測(cè)；（4）塔柱柱體撓撓度觀(guān)觀(guān)測(cè)；；（5）塔柱柱體伸伸縮量量觀(guān)測(cè)測(cè)。橋面撓撓度觀(guān)觀(guān)測(cè)橋面撓撓度是是指橋橋面沿沿軸線(xiàn)線(xiàn)的垂垂直位位移情情況。。橋面在在外界界荷載載的作作用下下將發(fā)發(fā)生變變形，，使橋橋梁的的實(shí)際際線(xiàn)形形與設(shè)設(shè)計(jì)線(xiàn)線(xiàn)形產(chǎn)產(chǎn)生差差異，，從而而影響響橋梁梁的內(nèi)內(nèi)部應(yīng)應(yīng)力狀狀態(tài)。。過(guò)大的的橋面面線(xiàn)形形變化化不但但影響響行車(chē)車(chē)的安安全，，而且且對(duì)橋橋梁的的使用用壽命命有直直接的的影響響。橋面水水平位位移觀(guān)觀(guān)測(cè)橋面水水平位位移主主要是是指垂垂直于于橋軸軸線(xiàn)方方向的的水平平位移移。橋梁水水平位位移主主要由由基礎(chǔ)礎(chǔ)的位位移、、傾斜斜以及及外界界荷載載（風(fēng)風(fēng)、日日照、、車(chē)輛輛等））等引引起，，對(duì)于于大跨跨徑的的斜拉拉橋和和懸索索橋，，風(fēng)荷荷載可可使橋橋面產(chǎn)產(chǎn)生大大幅度度的擺擺動(dòng)，，這對(duì)對(duì)橋梁梁的安安全運(yùn)運(yùn)營(yíng)十十分不不利。。垂直位位移監(jiān)監(jiān)測(cè)精密水水準(zhǔn)測(cè)測(cè)量三角高高程測(cè)測(cè)量液體靜靜力水水準(zhǔn)測(cè)測(cè)量壓力測(cè)測(cè)量法法GPS測(cè)量水平位位移監(jiān)監(jiān)測(cè)三角測(cè)測(cè)量法法交會(huì)法法導(dǎo)線(xiàn)測(cè)測(cè)量法法基準(zhǔn)線(xiàn)線(xiàn)法測(cè)小角角法GPS觀(guān)測(cè)專(zhuān)用方方法撓度觀(guān)觀(guān)測(cè)懸錘法法精密水水準(zhǔn)法法全站儀儀觀(guān)測(cè)測(cè)法GPS觀(guān)測(cè)法法靜力水水準(zhǔn)觀(guān)觀(guān)測(cè)法法測(cè)斜儀儀觀(guān)測(cè)測(cè)法攝影測(cè)測(cè)量法法專(zhuān)用撓撓度儀儀觀(guān)測(cè)測(cè)法11.2橋梁基基礎(chǔ)垂垂直位位移監(jiān)監(jiān)測(cè)概述橋梁垂垂直位位移觀(guān)觀(guān)測(cè)主主要研研究橋橋梁墩墩臺(tái)空空間位位置在在垂直直方向向上的的變化化。觀(guān)測(cè)建建筑物物垂直直位移移的方方法有有多種種，如如：精精密水水準(zhǔn)測(cè)測(cè)量、、連通通管測(cè)測(cè)量、、GPS測(cè)量等等;各種方方法都都有其其自身身的特特點(diǎn)，，在實(shí)實(shí)際工工程中中，應(yīng)應(yīng)根據(jù)據(jù)工程程特點(diǎn)點(diǎn)和要要求靈靈活應(yīng)應(yīng)用。?；c(diǎn)網(wǎng)網(wǎng)的布布設(shè)為了觀(guān)觀(guān)測(cè)墩墩臺(tái)的的垂直直位移移，需需建立立變形形監(jiān)測(cè)測(cè)基點(diǎn)點(diǎn)網(wǎng)，，基點(diǎn)點(diǎn)網(wǎng)由由基準(zhǔn)準(zhǔn)點(diǎn)和和工作作基點(diǎn)點(diǎn)組成成?；鶞?zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)應(yīng)盡盡量選選在橋橋梁承承壓區(qū)區(qū)之外外，但但又不不宜離離橋梁梁墩臺(tái)臺(tái)太遠(yuǎn)遠(yuǎn)。基基準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)需成成組埋埋設(shè)，，以便便相互互檢核核。工作基點(diǎn)一一般選在橋橋臺(tái)或其附附近，以便便于觀(guān)測(cè)布布設(shè)在橋梁梁墩臺(tái)上的的觀(guān)測(cè)點(diǎn)，，測(cè)定各橋橋墩相對(duì)于于橋臺(tái)的變變形。而工工作基點(diǎn)的的垂直變形形可由基準(zhǔn)準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)定，，以求得觀(guān)觀(guān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)對(duì)于穩(wěn)定點(diǎn)點(diǎn)的絕對(duì)變變形。觀(guān)測(cè)點(diǎn)的布布設(shè)在布設(shè)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)應(yīng)遵循既要要均勻又要要有重點(diǎn)的的原則。均均勻布設(shè)是是指在每個(gè)個(gè)墩臺(tái)上都都要布設(shè)觀(guān)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，以以便全面判判斷橋梁的的穩(wěn)定性；；重點(diǎn)布設(shè)設(shè)是指對(duì)那那些受力不不均勻、地地基基礎(chǔ)不不良或結(jié)構(gòu)構(gòu)的重要部部分，應(yīng)加加密觀(guān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)，主橋橋橋墩尤應(yīng)如如此。主橋墩臺(tái)上上的觀(guān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)，應(yīng)在墩墩臺(tái)頂面的的上下游兩兩端的適宜宜位置處各各埋設(shè)一點(diǎn)點(diǎn)，以便研研究墩臺(tái)的的沉降和不不均勻沉陷陷（即傾斜斜變形）。。垂直位移觀(guān)觀(guān)測(cè)所謂垂直位位移觀(guān)測(cè)，，就是定期期地測(cè)量布布設(shè)在橋墩墩臺(tái)上的觀(guān)觀(guān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)的高差，，以求得觀(guān)觀(guān)測(cè)點(diǎn)的高高程，并將將不同時(shí)期期觀(guān)測(cè)點(diǎn)的的高程加以以比較，得得出墩臺(tái)的的垂直位移移值。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀(guān)觀(guān)測(cè)一般應(yīng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際際情況布設(shè)設(shè)成附合路路線(xiàn)或閉合合路線(xiàn)。觀(guān)測(cè)點(diǎn)觀(guān)測(cè)測(cè)包括引橋橋觀(guān)測(cè)點(diǎn)觀(guān)觀(guān)測(cè)和水中中橋墩觀(guān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的觀(guān)測(cè)測(cè)。由于引引橋觀(guān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)是在岸上上，其施測(cè)測(cè)方法與一一般水準(zhǔn)測(cè)測(cè)量方法相相同。11.3橋梁撓度觀(guān)觀(guān)測(cè)索塔撓度觀(guān)觀(guān)測(cè)索塔的撓度度是指索塔塔在高程方方向上索塔塔各點(diǎn)的水水平位移分分布情況，，它包括橋橋軸線(xiàn)方向向的水平位位移和垂直直于橋軸線(xiàn)線(xiàn)方向的水水平位移。。索塔產(chǎn)生撓撓度變形的的原因主要要有三個(gè)方方面：（1）由于索索塔兩側(cè)的的拉力不等等，而使索索塔在順橋橋向產(chǎn)生撓撓度變形；；（2）由于索索塔受風(fēng)力力、日照等等外界環(huán)境境因素的影影響，而產(chǎn)產(chǎn)生撓度變變形；（3）由于設(shè)設(shè)計(jì)與施工工的不合理理性，而使使索塔產(chǎn)生生額外的變變形。索塔撓度觀(guān)觀(guān)測(cè)的目的的(1)在索塔建設(shè)設(shè)過(guò)程中，，隨著索塔塔高度的增增加，撓度度變形的幅幅度也急劇劇增大。只只有準(zhǔn)確地地掌握索塔塔擺動(dòng)和扭扭轉(zhuǎn)的規(guī)律律，才能有有效地指導(dǎo)導(dǎo)施工和相相應(yīng)的施工工測(cè)量工作作。(2)在大橋鋼箱箱梁吊裝過(guò)過(guò)程中，由由于施工原原因，致使使索塔兩側(cè)側(cè)受力不平平衡，從而而使索塔在在順橋向產(chǎn)產(chǎn)生一定的的偏移。這這種偏移有有時(shí)可達(dá)幾幾十厘米。。為了將這這種變形限限制在一定定范圍內(nèi)，，不致于使使其危及索索塔安全，，需對(duì)此變變形進(jìn)行觀(guān)觀(guān)測(cè)。(3)為了延長(zhǎng)橋橋梁的使用用壽命，驗(yàn)驗(yàn)證工程設(shè)設(shè)計(jì)與施工工的效果，，并為科學(xué)學(xué)研究提供供資料，應(yīng)應(yīng)該對(duì)橋梁梁進(jìn)行變形形觀(guān)測(cè)。索塔撓度觀(guān)觀(guān)測(cè)常用方方法交會(huì)法（測(cè)測(cè)角、測(cè)邊邊、邊角交交會(huì)）；全站儀極坐坐標(biāo)法；天頂距測(cè)量量法；傾斜儀法;垂線(xiàn)法。主梁撓度觀(guān)觀(guān)測(cè)主梁的撓度度變形是主主梁結(jié)構(gòu)狀狀態(tài)改變最最靈敏、最最精確的反反映，因此此，對(duì)主梁梁進(jìn)行撓度度監(jiān)測(cè)能夠夠更為準(zhǔn)確確地把握主主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)內(nèi)力狀態(tài)的的改變。部分的結(jié)構(gòu)構(gòu)損傷也將將導(dǎo)致主梁梁撓度情況況的異常，，通過(guò)對(duì)主主梁撓度的的監(jiān)測(cè)也可可識(shí)別出這這些損傷來(lái)來(lái)。通過(guò)撓度監(jiān)監(jiān)測(cè)可以達(dá)達(dá)到以下目目的：①修修正結(jié)構(gòu)內(nèi)內(nèi)力反演的的結(jié)果，確確保內(nèi)力狀狀態(tài)的識(shí)別別精度；②②進(jìn)行基于于剛度變化化的損傷識(shí)識(shí)別。主梁撓度觀(guān)觀(guān)測(cè)的主要要方法有：：水準(zhǔn)測(cè)量量法、全站站儀測(cè)量法法、專(zhuān)用撓撓度儀測(cè)量量法、動(dòng)態(tài)態(tài)GPS測(cè)量法、液液體靜力水水準(zhǔn)測(cè)量法法、連通管管測(cè)壓法等等。11.4橋梁結(jié)構(gòu)的的健康診斷斷健康診斷理理論的發(fā)展展目前，橋梁梁健康診斷斷理論的研研究主要集集中于結(jié)構(gòu)構(gòu)整體性評(píng)評(píng)估和損傷傷識(shí)別。結(jié)構(gòu)狀態(tài)反反演和損傷傷識(shí)別是健健康診斷的的核心。其目的是建建立一個(gè)與與橋梁安全全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)適配的結(jié)結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)識(shí)別系統(tǒng)，，能根據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系系統(tǒng)采集的的數(shù)據(jù)與信信號(hào)，應(yīng)用用結(jié)構(gòu)識(shí)別別理論和損損傷識(shí)別方方法反演出出橋梁的工工作狀態(tài)、、或識(shí)別出出可能的結(jié)結(jié)構(gòu)損傷及及其程度。。研究?jī)?nèi)容（1）建立橋橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)模模態(tài)參數(shù)識(shí)識(shí)別方法；；（2）建立基基于橋梁結(jié)結(jié)構(gòu)的各種種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)模型和結(jié)結(jié)構(gòu)分析的的損傷分級(jí)級(jí)識(shí)別策略略；（3）研究各各種結(jié)構(gòu)損損傷參數(shù)識(shí)識(shí)別方法，，優(yōu)選及改改造合適的的方法應(yīng)用用于橋梁結(jié)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)監(jiān)測(cè)和損傷傷識(shí)別；（4）通過(guò)實(shí)實(shí)體模型試試驗(yàn)，對(duì)所所選損傷識(shí)識(shí)別方法及及軟件進(jìn)行行實(shí)測(cè)對(duì)比比、驗(yàn)證、、優(yōu)選；（5）通過(guò)結(jié)結(jié)構(gòu)損傷檢檢測(cè)分析方方法研究，，建立結(jié)構(gòu)構(gòu)損傷報(bào)警警系統(tǒng)，以以便給橋梁梁管理部門(mén)門(mén)進(jìn)行人工工探傷確認(rèn)認(rèn)及維護(hù)提提供方向性性的指引。。輔助決策系系統(tǒng)的發(fā)展展橋梁輔助決決策系統(tǒng)可可以使橋梁梁管理維護(hù)護(hù)由被動(dòng)和和盲目走向向主動(dòng)和目目標(biāo)明確；；在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)和評(píng)估系系統(tǒng)的幫助助下，可以以清楚的了了解橋梁主主要構(gòu)件的的狀態(tài)；在準(zhǔn)確的橋橋梁結(jié)構(gòu)模模型及其結(jié)結(jié)構(gòu)響應(yīng)模模擬分析的的基礎(chǔ)上，，可以預(yù)測(cè)測(cè)結(jié)構(gòu)在各各種可能工工況下的反反應(yīng)、極限限荷載和失失效路徑；；就可以有針針對(duì)性的對(duì)對(duì)相關(guān)橋梁梁構(gòu)件進(jìn)行行預(yù)測(cè)性或或保護(hù)性的的維護(hù)以防防患未然。。存在的主要要問(wèn)題（1）系統(tǒng)在在應(yīng)用程序序模式上過(guò)過(guò)于固定，，采用模塊塊化的設(shè)計(jì)計(jì)思想，程程序的結(jié)構(gòu)構(gòu)和數(shù)據(jù)流流程是固定定的，各模模塊之間的的調(diào)用順序序也是一成成不變的，，由于當(dāng)代代先進(jìn)開(kāi)發(fā)發(fā)技術(shù)不斷斷涌現(xiàn)，對(duì)對(duì)橋梁安全全監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)的要求也也不斷的提提高，如果果采用這種種應(yīng)用模式式，不利于于系統(tǒng)功能能的添加和和更新。系系統(tǒng)缺乏良良好的開(kāi)放放性和兼容容性。（2）監(jiān)測(cè)內(nèi)內(nèi)容不全面面，不足以以反映橋梁梁的整體特特性，監(jiān)測(cè)測(cè)系統(tǒng)并沒(méi)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)測(cè)，統(tǒng)計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)不足，，無(wú)法系統(tǒng)統(tǒng)的分析和和處理數(shù)據(jù)據(jù)為輔助決決策系統(tǒng)服服務(wù)。（3）橋梁監(jiān)監(jiān)測(cè)模型理理論尚不成成熟，用于于監(jiān)控橋梁梁的模型一一般都借鑒鑒于大壩或或其他方面面應(yīng)用比較較成功的模模型，顯然然不能準(zhǔn)確確的監(jiān)控橋橋梁的運(yùn)營(yíng)營(yíng)狀態(tài)，必必須根據(jù)建建模理論和和經(jīng)驗(yàn)，并并結(jié)合工程程實(shí)際來(lái)確確定真正適適合其系統(tǒng)統(tǒng)本身的模模型。（4）對(duì)橋梁梁缺損狀態(tài)態(tài)的評(píng)價(jià)缺缺乏統(tǒng)一有有效的綜合合性指標(biāo)，，難以反映映個(gè)別構(gòu)件件的缺損及及嚴(yán)重程度度對(duì)整個(gè)橋橋梁的影響響。（5）結(jié)構(gòu)系系統(tǒng)的復(fù)雜雜性，增加加了系統(tǒng)評(píng)評(píng)估的難度度。橋梁是是由多種材材料、不同同結(jié)構(gòu)組合合的大型綜綜合系統(tǒng)，，系統(tǒng)中各各個(gè)成分應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)易易損性不一一，剛度、、動(dòng)力特性性相差很大大，很難用用單一的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判得得到預(yù)期的的效果。（6）已開(kāi)發(fā)發(fā)的系統(tǒng)在在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)沒(méi)有考慮到到突發(fā)事件件（如撞橋橋）時(shí)如何何從監(jiān)測(cè)系系統(tǒng)獲得實(shí)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)據(jù)中迅速評(píng)評(píng)估結(jié)構(gòu)的的重大損傷傷情況和整整體工作狀狀態(tài)，從而而無(wú)法作出出快速合理理的決策和和響應(yīng)。系統(tǒng)主要功功能（1）異常測(cè)測(cè)值檢查。。利用異常常值分析準(zhǔn)準(zhǔn)則（時(shí)空空評(píng)判準(zhǔn)則則、模型評(píng)評(píng)判準(zhǔn)則、、監(jiān)控指標(biāo)標(biāo)評(píng)判準(zhǔn)則則等）對(duì)實(shí)實(shí)測(cè)值進(jìn)行行檢查。（2）結(jié)構(gòu)異異常成因分分析。排除除由觀(guān)測(cè)因因素引起的的異常情況況須進(jìn)行物物理成因分分析，其中中包括外因因分析、內(nèi)內(nèi)因分析，，該分析過(guò)過(guò)程需要調(diào)調(diào)用結(jié)構(gòu)分分析的計(jì)算算結(jié)果。（3）綜合評(píng)評(píng)判。經(jīng)上上述分析還還未得到結(jié)結(jié)論時(shí)則進(jìn)進(jìn)入綜合評(píng)評(píng)判處理，，根據(jù)能正正確反映橋橋梁安全運(yùn)運(yùn)行基本要要求的準(zhǔn)則則，利用正正確的評(píng)