桥梁工程变形监测方案

桥梁工程变形监测方案

一、概述

大型桥梁，如斜拉桥、悬索桥自20世纪90年代初期以来在我国如雨后春笋般的发展。这种桥梁的结构特点是跨度大、塔柱高,主跨段具有柔性特性。在这类桥梁的施工测量中,人们已针对动态施工测量作了一些研究并取得了一些经验。在竣工通车运营期间,如何针对它们的柔性结构与动态特性进行监测也是人们十分关心的另一问题。尽管目前有些桥梁已建立了了解结构内部物理量的变化的“桥梁健康系统”,它对于了解桥梁结构内力的变化、分析变形原因无疑有着十分重要的作用。然而,要真正达到桥梁安全监测之目的,了解桥梁的变化情况,还必须及时测定它们几何量的变化及大小。因此,在建立“桥梁健康系统”的同时,研究采用大地测量原理和各种专用的工程测量仪器和方法建立大跨度桥梁的监测系统也是十分必要的。

二、变形监测内容

根据我国最新颁发的“公路技术养护规范”中的有关规定和要求,以及大跨度桥梁塔柱高、跨度大和主跨梁段为柔性梁的特点,桥梁工程变形监观测的主要内容包括:

1) 桥梁墩台沉陷观测、桥面线形与挠度观测、主梁横向水平位移观测、高塔柱摆动观测；

2) 为了进行上述各项目的测量,还必须建立相应的水平位移基准网与沉陷基准网观测。

三、系统布置

1）桥墩沉陷与桥面线形观测点的布置

桥墩(台)沉陷观测点一般布置在与墩(台)顶面对应的桥面上；桥面线形与挠度观测点布置在主梁上。对于大跨度的斜拉段,线形观测点还与斜拉索锚固着力点位置对应；桥面水平位移观测点与桥轴线一侧的桥面沉陷和线形观测点共点。

2）塔柱摆动观测点布置

塔柱摆动观测点布置在主塔上塔柱的顶部、上横梁顶面以上约1.5ｍ的上塔柱侧壁上,每柱设2点。

3）水平位移监测基准点布置

水平位移观测基准网应结合桥梁两岸地形地质条件和其他建筑物分布、水平位移观测点的布置

与观测方法,以及基准网的观测方法等因素确定,一般分两级布设,基准网布设在岸上稳定的地方并埋设深埋钻孔桩标志；在桥面用桥墩水平位移观测点作为工作基点,用它们测定桥面观测点的水平位移。

4）垂直位移监测基准网布置

为了便于观测和使用方便,一般将岸上的平面基准网点纳入垂直位移基准网中,同时还应在较稳定的地方增加深埋水准点作为水准基点,它们是大桥垂直位移监测的基准；为统一两岸的高程系统,在两岸的基准点之间应布置了一条过江水准线路。

四、方法与成果精度

1）GPS定位系统测量平面基准网

为了满足变形观测的技术要求,考虑到基准网边长相差悬殊,对基准网边长相对精度应达到不低于1/120000和边长误差小于±5mm的双控精度指标；由于工作基点多位于大桥桥面,它们与基准点之间难以全部通视,可采用GPS定位系统施测。为了在观测期间不中断交通,且避开车辆通行引起仪器的抖动和干扰GPS接收机的信号接收,对设置在桥面工作基点的观测时段应安排在夜间作业,尽可能使其符合静态作业条件以提高观测精度。

2）精密水准测量建立高程基准网和沉陷观测

高程基准网与桥面沉陷观测均按照“国家一、二等水准测量规范”的二等技术规定要求实施。并将垂直位移基准网点、桥面沉陷点、过江水准线路之间构组成多个环线。高程基准网的观测采用精密水准仪；高程基准网中的过江水准测量,可采用三角高程测量方法，用2台精密全站仪同时对向观测。

3）全站仪坐标法观测横向水平位移

众所周知,直线型建筑物的水平位移常采用基准线法观测,它的实质测定垂直于基准线方向的偏离值。为充分发挥现代全站仪的优点,桥面水平位移观测可采用类似基准线法原理的坐标法,以直接测定观测点的横坐标。武汉长江二桥采用该法观测横向水平位移，根据对全桥136个观测点的结果进行了统计分析,在未顾及视线长度不等对Ｙ坐标的精度影响的条件下,求得Ｙ坐标的精度为±0.48mm,远高于桥梁监测技术中的精度要求(±3mm)。

4) 智能型全站仪(测量机器人)测定高塔柱的摆动

塔柱摆动可观测采用当代最先进的智能型全站仪TCA2003,其标称精度为0.5″,±(1mm+1

×10-6D)。它可以实现自动寻找和精确照准目标,自动测定测站点至目标点的距离、水平方向值和天顶距,计算出3维坐标并记录在内置模块或计算机内。由于它不需要人工照准、读数、计算,有利于消除人差的影响、减少记录计算出错的几率,特别是在夜间也不需要给标志照明。该仪器每次观测记录一个目标点不超过7ｓ,每点观测4测回也仅30ｓ。一周期观测10个点以内一般不会超过5 min，其观测速度之快是人工无法比拟的。

武汉长江二桥采用该法测定高塔柱的摆动，为了评定该法的精度,利用车流量很少的夜间观测成果进行了统计分析。仿照桥面水平位移观测的统计分析方法,对视线长度为800ｍ的观测点,根据夜间6周期的观测资料进行了统计分析计算,求得mx=0.034mm、my=0.61mm,它表明该法具有较高的精度,可以满足塔柱动态观测的精度要求。

五、成果整理分析

观测成果的整理分析主要包括:每期观测后计算基准点的坐标、高程及其变化量；桥墩、桥面沉陷观测点、线形点的高程及变化量；桥面水平位移观测点的Ｙ坐标及横向位移。根据这些变形量绘制了相应的变形曲线。

六、南京长江二桥变形监测实例

1）工程概况

南京长江第二大桥是国家“九五”重点建设项目，位于现南京长江大桥下游11公里处，全长21.337公里，由南、北汊大桥和南岸、八卦洲及北岸引线组成。其中：南汊大桥为钢箱梁斜拉桥，桥长2938米，主跨为628米，该跨径在建时居同类桥型中“国内第一，世界第三”；北汊大桥为钢筋混凝土预应力连续箱梁桥，桥长2172米，主跨为3×165米，该跨径在国内亦居领先。全线还设有4座互通立交、4座特大桥、6座大桥。该桥设计标准为双向六车道高速公路；设计速度为100公里/小时；设计荷载为汽——超20，挂——120；路基宽33.5米，桥面宽32米（不含斜拉索锚固区）。全线设有监控、通讯、收费、照明、动静态称重等系统，并设有南汊主桥景观照明，南、北汊桥公园和八卦洲服务区。

为了建立南京长江二桥全线结构物的竣工线型和位置基准，并对南汊大桥、北汊大桥及八卦洲引线（软土地基）等重要路段、桥墩进行位移监测，为今后大桥维修、验收等工作留下起始数据，需要对南京长江二桥进行变形监测。

2）监测内容和方法

(1)索塔及基础

对索塔主要监测塔基础位移（三维）和塔顶水平变化（二维）。对于南汊大桥，塔基础位移监测点布置在约9m高程面的塔柱上，塔顶水平变化监测点布置在塔顶柱体上，上、下游塔柱和塔柱南北侧各布置一测点，如图13-1所示。南北塔共计布置17个监测点，其中北塔为9个点；对于北汊大桥，基础位移监测点设在江中22#、23#、24#、25#四个桥墩的墩柱上，每个桥墩的上、下游墩柱各布一个点，共计8个点，点位也设在约9m高程面上，如图13-2所示。

索塔及基础变位情况为每三个月观测一期。测量使用瑞士Leica高精度TC2003全站仪，以三维前方交会法进行角度观测四测回，观测方法如图13-1和图13-2所示。南、北汊大桥皆以竣工时恢复的首级控制网为基准，经平差计算获得三维坐标，为便于塔柱变位方向分析，平差计算采用桥轴坐标系。

(2)桥面线形（挠度）

桥面线形包括桥面标高及桥中线，在南京长江二桥主桥施工期间，南汊大桥和北汊大桥的轴线和标高均控制在±5mm范围内,桥面上按一定的间距设有监测点。桥面铺装完毕后,观测点全部遭埋没。因此，必须重新建立桥面线型监观测点，并做周期性的监测。

由于南汊大桥和北汊大桥桥轴线均是桥轴坐标系的X轴，且当时施工中的施工控制精度均较高，此外，南京长江二桥首级控制网已得到了全面恢复，因此，可以认为南汊大桥和北汊大桥的桥轴线仍是桥轴坐标的X轴。今后维修等工作若需检测桥轴线，仅需通过首级控制网的控制点即可进行检查，桥轴线监测点可不考虑恢复，仅需重新建立标高（挠度）监测点。

新建的桥面标高监测点沿全桥布设，每隔40米设一个点，主桥（钢箱梁）段点位布在桥梁中央分隔带护拦上，利用防护拦的铆钉头作为观测标志，共设28个点；引桥为上、下游幅结构，因此，每隔40米上、下游幅各设一个点，点位设在大桥防撞护拦一侧路边上，采用围棋子做测量标点，用强力胶将其粘贴在路面上，四周用红色油漆标注。南引桥共布42个点，北引桥共布46个点。测点布设位置示意图见图13-3和图13-4。

桥面标高为每三个月观测一期。观测采用精密几何水准测量方法，以二等水准精度和要求进行。水准基点设在两岸桥下墩台上。

(3)主梁及主塔应力

对桥梁施工时施工监控设置的应力观测断面的观测点继续进行应力观测,研究主梁及主塔的应力变化。

(4)斜拉索索力

对全桥244根斜拉索用频率法测量斜拉索索力变化情况。以上观测项目在交工验收后第1年内每半年观测1次,以后每年观测1次。若出现地震、风暴等特殊荷载或结构出现异常情况,需增加观测次数。

3）精度分析

（1) 全站仪测量的精度分析 全站仪测量空间点三维坐标中误差为:

2

222

22

222

22

2222cos cos cos sin cos cos ρ

ρ

A

V M S A

V M S A V M M

M

A V S

XN

XP

+

+

+=

2

222

22

222

22

2222

cos cos sin sin sin cos ρρA

V M S A

V M S A V M M

M

A V S

YN

YP

+

+

+=

2

22

242

22

22

222

4cos sin r i K

V S

HN

HP

M M M R S V

M S V M M

M

++++

+=ρ 式中符号及意义说明如下:

(1)Ｖ代表竖直角观测值,Ａ为坐标方位角,Ｓ为斜距观测值,Ｒ为地球半径,ρ=206265″； (2)M XP ，M YP 和M HP 分别为观测点ｐ的三维坐标中误差；

(3) M XN ，M YN 和M HN 分别为测站三维坐标中误差的平面分量和高程分量,包括控制点本身点位中误差和架设仪器误差。由于每次观测时都采用同一测站和后视方向,因此,控制点本身误差不影响观测点精度,同时在固定观测墩上使用强制对中器,仪器对中误差可控制在0.1mm 之内,故该项误差可忽略不计;

(4)M S 为测距中误差,由仪器标称精度确定: M S =a+b ·S (ａ为固定误差,ｂ为比例误差系数)； (5)M V 和M A 分别为竖直角和坐标方位角中误差,因全站仪具有竖轴补偿器,故, )M V =M A =M β (M β为水平角观测中误差, u M 2=

β,μ为仪器标称精度)没；

(6)ＭＫ为大气折光系数代表性误差,一般取M K =0.05；

(7)M i 为棱镜对点中误差,M r 为棱镜高量测中误差,因监测点棱镜用强制对中器固定在桥塔顶部,此两项误差可忽略不计,故M i =M r =0。

将上式中平面误差部分合并得:

2

2

22

22

,cos ρ

β

M S V M M

S

Y

X +

=

2

24

2

22

22

224cos sin K

V S

H

M R S V

M S V M M

++

=ρ 当取距离最大为500ｍ,竖直角最大为20°,采用测距标称精度为±(1+1×10-6·Ｓ)mm,测角标称精度为±1″,补偿器精度为±0.3″的全站仪观测一测回,代入上式计算,可以得出:M XY =±3.71mm,M H =±3.83mm 。在实际工程中,全站仪实际观测精度一般要比标称精度低,若假定实际测角精度为±2″,测距精度为±(2+2×10-6·Ｓ)mm,补偿器精度为±0.3″,观测一测回,代入上式计算,可以得出: M XY =±7.41mm, M H =±6.82mm,若观测二测回,则: M XY =±5.24mm, M H =±5.03mm 。可见,增加观测测回数或缩短观测距离,可以提高精度。

2) 沉降变形观测的精度分析

假设j

H i M ,j

H i M 1-和k

H i M ,k

H i M 1-分别为ｊ点和ｋ点在第ｉ和ｉ-1周期观测所得的高程中误差,则ｊ点和ｋ点的沉降量中误差分别为:

2

22)()()(1j H j H j H i i M M M -+=? 2

22)()()(1

k H k H K H i i M M M -+=?

于是ｊ点和ｋ点不均匀沉降量的中误差为:

2

2222)()()()()(1

1K H K H j H j H H i i i i jK M M M M M --+++=? 由于每周期观测时,均采用同一观测方案,由同一台仪器和同一组人员,在外界环境大致相同的条件下进行观测,故假设:

H K

H K H j H j H M M M M M i i i i ====--1

1 则有:

2

24)(H

H M M jK =? H H M M jK 2=?

南京长江二桥塔基础承台上的监测点距最远基准点不超过600ｍ,精密水准测量每测站水准路线长一般不超过60ｍ,则由基准点到监测点的测站数为ｎ=600/60=10,所以:

n M M H 站=

式中Ｍ站为每一测站精密水准所测高差的中误差。

采用每公里观测高差中误差为±0.3mm 的精密水准仪进行观测,则: Ｍ站=±0.30ｍｍ×0.06=±0.018mm, 于是每一监测点沉降量的中误差为:

mm mm M M H H ij 11.0)018.0(1022±=±?==?

故采用每公里观测高差中误差为±0.3ｍｍ的精密水准仪进行观测,符合《国家一、二等水准测量规范》上对仪器的要求,足以把大于±1.0ｍｍ的不均匀沉降量反映出来。

4）部分观测结果及其分析

（1）南汊大桥索塔变位

观测结果列于表13-1，从9期的坐标变化量来看，塔顶变位较大，在2002年6月的测量中出现过最大变化量值：X 方向（南北向）为+68.0mm （向南），Y 方向（东西向）为＋63.7mm （向下游）。这是索塔柱受日照、风力作用所至，属正常现象。

对塔基础9期监测的坐标（X、Y、Z）变化量均在±10.0mm以内变动，但也偶发出现较大的最大变化量，其量值X方向为－11.0mm（向北），Y方向（东西向）为＋21.2mm（向上游），H 方向（垂直向）为＋18.0mm（向下），该变化量主要由测量误差带来，并非是塔基础发生了位移。因为，在对桥墩所采用的前方交会测量方法虽是变形监测中常规和有效的方法，对塔柱观测所使用的仪器也是目前世界最高精度的测量仪器，但由于所监测的点均在江中，人无法直接到达，另外还存在许多不利因素，如交会角较小、交会距离长、大气折光和水汽蒸发等等，这些因素均大大降低了测量精度。以“北塔南向下游梁下”点为例，监测点离岸上两控制点距离分别为1014m和1011m，交会角为16°，根据误差理论分析可知，仅观测误差就达±12.2mm，若考虑大气折光等其他因素，测量误差还将更大些。因此，可以认为南北索塔基础未出现明显变位。从对索塔下横梁上门洞内水准点（钢箱梁吊装前建立的）联测结果(见表 2.4)，其差值较小，也可以认为索塔基础未出现沉降位移。

（2）南汊大桥桥面线形（挠度）

表13-2为南汊大桥的主桥段（钢箱梁段）测点高程的各期观测值。从8期结果比较可以看出，主桥段标高变化在-23.4~+15.2mm之间。综合8期的观测结果可以看出，桥梁线形（标高）明显有季节性的变化规律，随着环境温度的变化而升降，这种变化量值在钢箱梁段尤为明显，最大处近3cm。将各期观测结果用Excel图形显示桥面线形变化曲线可以看出，南汊桥桥面未产生挠曲变化。

表13-1 南汊桥索塔变位监测数据

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说明：

（1）平面坐标采用桥轴坐标系，高程采用黄海高程；

（2） X方向平面位移：“＋”表示向南岸位移，“－”表示向北岸位移；（3） Y方向平面位移：“＋”表示向上游位移，“－”表示向下游位移；

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（4） H方向垂直位移：“＋”表示下沉，“－”表示上升。

表13-2 南汊桥主桥路面标高监测数据

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说明：

（1）点号“Z##”表示位于中央分隔带护栏上的监；

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（2）表中沉降量：“+”表示下沉，“-”表示上升；

（3）“NTX”位于南塔下游塔柱门洞内，“BTS”位于北塔上游塔柱门洞内，“NTS”位于南塔上游塔柱门洞内（本次未联测）。这三点均为钢箱梁吊装前建立的水准点，原始高程值为：NTX：39.0130m； NTS：38.9441m； BTS：38.9766m。

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