橋梁工程變形監(jiān)測(cè)方案

橋梁工程變形監(jiān)測(cè)方案內(nèi)部編號(hào)：(YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128)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(lèi)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(chē)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(zhuān)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m的上塔柱側(cè)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)線四、方法與成果精度GPS定位系統(tǒng)測(cè)量平面基準(zhǔn)網(wǎng)為了滿(mǎn)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(chē)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,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(lèi)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(chēng)精度為″,±(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)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(chē)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(mǎn)足塔柱動(dòng)態(tài)觀測(cè)的精五、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。其類(lèi)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(chē)道高速公路；設(shè)計(jì)速度為寬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(chēng)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)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。塔頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)橋面線形包括橋面標(biāo)高及橋中線，在南京長(zhǎng)江二橋主橋施工期間，南汊大橋和北汊大橋的軸線和標(biāo)高均控制在±5mm范圍內(nèi),橋面江按一定的間距設(shè)有監(jiān)測(cè)上游柱下游柱點(diǎn)。橋面鋪裝完畢后,觀測(cè)點(diǎn)全部遭埋沒(méi)。因監(jiān)此測(cè)，點(diǎn)必標(biāo)志重新建立橋面線型監(jiān)觀測(cè)梁下監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)志工控制精度均較高，此外，南京長(zhǎng)江二橋首級(jí)控制網(wǎng)已得到了全面恢復(fù)，因此，軸線長(zhǎng)江面考慮恢復(fù)，僅需重新建立標(biāo)高(撓度)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。新建的橋面標(biāo)高監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿全橋布設(shè)，每隔40米設(shè)一個(gè)點(diǎn)，主橋(鋼箱梁)段點(diǎn)位布在橋梁中央分隔帶護(hù)攔上，利用防護(hù)攔的鉚釘頭作為觀測(cè)標(biāo)志，共設(shè)28個(gè)點(diǎn)；引橋?yàn)樯?、下游幅結(jié)構(gòu)，因此，每隔40米上、下游幅各設(shè)一個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)位設(shè)在大橋防撞護(hù)攔一側(cè)路邊上，采用圍棋子做測(cè)量標(biāo)點(diǎn)，用強(qiáng)力膠將其粘貼在路面上，四周用紅色油漆標(biāo)注。南引橋共布42個(gè)點(diǎn)，北引橋共布46個(gè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布設(shè)橋面標(biāo)高為每三個(gè)月觀測(cè)一期。觀測(cè)采用精密幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法，以二等水準(zhǔn)精度和要求進(jìn)行。水準(zhǔn)基點(diǎn)設(shè)在兩岸橋下墩臺(tái)上。北塔面南塔北引橋段鋼箱梁段南引橋段表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)江長(zhǎng)圖13-3南汊大橋橋面撓度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖線線洲引卦北引卦主梁及主塔應(yīng)力對(duì)橋梁施工時(shí)施工監(jiān)控設(shè)置的應(yīng)力觀測(cè)斷面的觀測(cè)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行應(yīng)力觀測(cè),研究主梁及主塔的應(yīng)力變化。對(duì)全橋244根斜拉索用頻率法測(cè)量斜拉索索力變化情況。以上觀測(cè)項(xiàng)目在交荷載或結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常情況,需增加觀測(cè)次數(shù)。3)精度分析(1)全站儀測(cè)量的精度分析全站儀測(cè)量空間點(diǎn)三維坐標(biāo)中誤差為:(1)V代表豎直角觀測(cè)值,A為坐標(biāo)方位角,S為斜距觀測(cè)值,R為地球半徑,ρ=206265″；(2)M，M和M分別為觀測(cè)點(diǎn)p的三維坐標(biāo)中誤差；XPYPHP(3)M，M和M分別為測(cè)站三維坐標(biāo)中誤差的平面分量和高程分量,包括控XNYNHN制點(diǎn)本身點(diǎn)位中誤差和架設(shè)儀器誤差。由于每次觀測(cè)時(shí)都采用同一測(cè)站和后視方向,因此,控制點(diǎn)本身誤差不影響觀測(cè)點(diǎn)精度,同時(shí)在固定觀測(cè)墩上使用強(qiáng)制對(duì)中器,儀器對(duì)中誤差可控制在0.1mm之內(nèi),故該項(xiàng)誤差可忽略不計(jì);SS例誤差系數(shù))；(5)M和M分別為豎直角和坐標(biāo)方位角中誤差,因全站儀具有豎軸補(bǔ)償器,VA故,)M=M=M(M為水平角觀測(cè)中誤差,M=2u,μ為儀器標(biāo)稱(chēng)精度)沒(méi)；VAββ(6)MK為大氣折光系數(shù)代表性誤差,一般取M=；K(7)M為棱鏡對(duì)點(diǎn)中誤差,M為棱鏡高量測(cè)中誤差,因監(jiān)測(cè)點(diǎn)棱鏡用強(qiáng)制對(duì)中器irMir將上式中平面誤差部分合并得:當(dāng)取距離最大為500m,豎直角最大為20°,采用測(cè)距標(biāo)稱(chēng)精度為±(1+1×10-6·S)mm,測(cè)角標(biāo)稱(chēng)精度為±1″,補(bǔ)償器精度為±″的全站儀觀測(cè)一測(cè)回,代入上式計(jì)算,可以得出:M=±3.71mm,M=±3.83mm。在實(shí)際工程中,全站儀實(shí)際觀測(cè)精度XYH一般要比標(biāo)稱(chēng)精度低,若假定實(shí)際測(cè)角精度為±2″,測(cè)距精度為±(2+2×10-Smm得出:M=±7.41mm,XYM=±6.82mm,若觀測(cè)二測(cè)回,則:M=±5.24mm,M=±5.03mm?？梢?jiàn),增加觀測(cè)HXYH測(cè)回?cái)?shù)或縮短觀測(cè)距離,可以提高精度。2)沉降變形觀測(cè)的精度分析假設(shè)Mj,Mj和Mk,Mk分別為j點(diǎn)和k點(diǎn)在第i和i-1周期觀測(cè)所得的HHHHii1ii1高程中誤差,則j點(diǎn)和k點(diǎn)的沉降量中誤差分別為:于是j點(diǎn)和k點(diǎn)不均勻沉降量的中誤差為:由于每周期觀測(cè)時(shí),均采用同一觀測(cè)方案,由同一臺(tái)儀器和同一組人員,在外界環(huán)境大致相同的條件下進(jìn)行觀測(cè),故假設(shè):有:南京長(zhǎng)江二橋塔基礎(chǔ)承臺(tái)上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)距最遠(yuǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)不超過(guò)600m,精密水準(zhǔn)測(cè)量每測(cè)站水準(zhǔn)路線長(zhǎng)一般不超過(guò)60m,則由基準(zhǔn)點(diǎn)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)站數(shù)為n=600/60=10,所以:式中M為每一測(cè)站精密水準(zhǔn)所測(cè)高差的中誤差。站采用每公里觀測(cè)高差中誤差為±0.3mm的精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè),則:M站=±m(xù)m×=±0.018mm,于是每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量的中誤差為:故采用每公里觀測(cè)高差中誤差為±m(xù)m的精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè),符合《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》上對(duì)儀器的要求,足以把大于±m(xù)m的不均勻沉降量反映4)部分觀測(cè)結(jié)果及其分析(1)南汊大橋索塔變位6月的測(cè)量中出現(xiàn)過(guò)最大變化量值：X方向(南北向)為+68.0mm(向南)，Y方向 (東西向)為＋63.7mm(向下游)。這是索塔柱受日照、風(fēng)力作用所至，屬正常對(duì)塔基礎(chǔ)9期監(jiān)測(cè)的坐標(biāo)(X、Y、Z)變化量均在±10.0mm以?xún)?nèi)變動(dòng)，但也偶發(fā)出現(xiàn)較大的最大變化量，其量值X方向?yàn)椋?1.0mm(向北)，Y方向(東西向)為＋21.2mm(向上游)，H方向(垂直向)為＋18.0mm(向下)，該變化量主要由測(cè)量誤差帶來(lái)，并非是塔基礎(chǔ)發(fā)生了位移。因?yàn)?，在?duì)橋墩所采用的前方交會(huì)測(cè)量方法雖是變形監(jiān)測(cè)中常規(guī)和有效的方法，對(duì)塔柱觀測(cè)所使用的儀器也是目前世界最高精度的測(cè)量?jī)x器，但由于所監(jiān)測(cè)的點(diǎn)均在江中，人無(wú)法直接到達(dá)，另外還存在許多不利因素，如交會(huì)角較小、交會(huì)距離長(zhǎng)、大氣折光和水汽蒸發(fā)等等，這些因素均大大降低了測(cè)量精度。以“北塔南向下游梁下”點(diǎn)為例，監(jiān)測(cè)點(diǎn)離岸上兩控制點(diǎn)距離分別為1014m和1011m，交會(huì)角為16°，根據(jù)誤差理論分析可知，僅觀測(cè)誤差就達(dá)±12.2mm，若考慮大氣折光等其他因素，測(cè)量誤差還將更大些。因此，可以認(rèn)為南北索塔基礎(chǔ)未出現(xiàn)明顯變位。從對(duì)索塔下橫梁上門(mén)洞內(nèi)水準(zhǔn)點(diǎn)(鋼箱梁吊裝前建立的)聯(lián)測(cè)結(jié)果(見(jiàn)表，其差值較小，也可以認(rèn)為索塔基礎(chǔ)未出(2)南汊大橋橋面線形(撓度)表13-2為南汊大橋的主橋段(鋼箱梁段)測(cè)點(diǎn)高程的各期觀測(cè)值。從8期結(jié)果比較可以看出，主橋段標(biāo)高變化在~+15.2mm之間。綜合8期的觀測(cè)結(jié)果可以看出，橋梁線形(標(biāo)高)明顯有季節(jié)性的變化規(guī)律，隨著環(huán)境溫度的變化而升降，這種變化量值在鋼箱梁段尤為明顯，最大處近3cm。將各期觀測(cè)結(jié)果用Excel圖形表13-1南汊橋索塔變位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)號(hào)NSNSNS上NS下NNNNNN上NN下塔向塔向塔向上游塔向塔向塔向塔向上游塔向符號(hào)XYXYXYHXYHXYXYXYHXYH第一期(2001．第二期(2001．坐標(biāo)第三期第四期．9)12)觀測(cè)值(m)第五期第六期第七期3)6)9)第八期第九期．本期增量(mm)增量(mm)BSBSBS上BS