（大地测量学与测量工程专业论文）大型桥梁健康诊断测量若干问题的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 大跨度桥梁在交通荷载、风力、温度、地震等外乔因素以及混凝土收缩 徐变、钢筋松弛、墩台基础沉降等内在因素的影响下，将产生几何位置、内 力和应力等各种变化。为了确保设计的使用安全性和耐久性达到预期的标 准，特别是大跨度桥梁这种重要的大型结构，时时了解其“健康”状态是非 常重要的。 桥梁空间位置变化( 即结构的变形) 在反映桥梁状况变化方面，是一个较 综合的量，也是一个便于监测的直观量。因此，通过监测结构的变形掌握大 桥的健康状况，是确保大桥安全运营的一个重要手段。大跨度桥梁健康诊断 测量是采用工程测量原理、技术和方法以及特种精密工程测量技术，对桥梁 主要部位的空间位置进行全方位的测量监控。 本文首先根据大跨度桥梁变形的原因以及产生的变形量，探讨大跨度桥 梁诊断测量的内容及所使用的方法介绍了目前对桥梁结构静、动态变形监 测所使用的方法，并对每种方法在桥梁监测中的适用性进行了分析和比较； 文中重点对大跨度桥梁( 拱桥、连续刚构桥、斜拉桥、悬索桥等四种桥梁结 构体系) 方案设计的内容( 监测内容、监测点的布设方法、监测精度、监测 周期及所使用的方法等) 进行了详细的论述。力求监测方案达到最优，以保 证在实际应用中使监测工作经济、安全、可靠。 最后结合厦门海沧大桥健康诊断测量方案设计，对g p sr t k 观测数据 进行了处理，针对g p sr t k 数据由于受到多路径误差、信号干扰和气象因素、 电离层和对流层的影响，很容易产生异常数据的特点，本文提出对g p sr t k 数据进行滤波前须剔除异常数据的观点：并以海沧大桥静、动态监测数据对 海沧大桥目前的运行状态进行了分析。 关键词：大跨度桥梁；静态监测；动念监测：方案设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第“页 a b s t r a c t t h eg e o m e t r i cf i g ur e ，i n t e r n a lf o r c ea n ds t r e s so ft h e w i l lb ea f f e c t e db yn o to n l ye x t e r n a lf a c t o r ss u c ha st r a f f i c o n gs p a nb r i d g e i o a d w i n df o r c e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n de a r t h q u a k e ，b u ta l s oj n t e r n a lf a c t o r ss u c ha s c o n c r e t ec o n t r a c t i o nd i s t o r t i o n f l a bo fr e i n f o r c i n gs t e e ib ara n df o u n d a t i o n s e t t l e m e n to fb r i d g e sf r u s t ao rp l a t f o r m i no r d e rt om a k es u r et h a tt h e w o r k i n gs a f e t ya n de n d u r a n c eo fb r i d g ed e s i g n i n g ，e s p e c i a l l yt h eb i gl o n g s p a nb r i d g e ，m e e tt h ee x p e c t e dd e s i g n i n gs t a n d ar d s ，i ti sv e r yi m p o r t a n t f d ru st or e a l t i m e l yu n d e r s t a n dj t sh e a l t h yc o n d i t i o n s t h ev a r i a t i o no ft h eb r i d g e ss p a c ep o s i t o n ( j et h es t r u c t u r eo f d e f o r m a t i o n ) i sam o r ei n t e g r a t e di n d e xa n da l s oa ne a s i l y m o n i t o r i n g q u a n t i t y i n r e f l e c t i n gb r i d g e sc o n d i t i o n s i ti sa ni m p o r t a n tm e t h o d g u a r a n t e e i n gt h eb r i d g es a f e t yb ym o n i t o r i n gt h es t r u c t u r eo fd e f or m a t i o n t o g r a s pi t sh e a l t h yc o n d i t i o n s t h eh e a l t h yc o n d i t i o n sd i a g n o s i n g b y s u r v e y i n g i st om o r t i t o rf r o ma l id ir e c t i o n s 。t h es p a c ep o s i t i o no fl h e b r i d g e sm a j o rp a r t sb yu s i n gp r i n c i p l e s t e c h n i q m ea n dm e t h o do f e n g i n e e r i n gs u r v e y m ga n ds p e c i a ip r e c i s i o ne n g i n e e r i n gs u r v e y i n g t h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ec a u s eo fl o n gs p a nb r i d g ed e f o r m a t i o n a n di t sd e f o r m a t i o nq u a n t i t y f i r s t l yd i s c u s s e st h em o n i t o r i n gc o n t e n t sa n d m o n i t o r i n gm e t h o d sa n dd e t a i l e d l yj n t r o d u c e st h em e a n su s e di ns t a t i c m o n i t o r i n ga n dd y n a m i cm o n i t o r i n go fb r i d g es t r u c t u r e ，a n da n a l y z e sa n d c o m p a r e st h ea p p l i c a b i l i t yo fe v e r ym e a n si nm o n i t o r i n go ft h el o n gs p a n b r i d g e t h el o n gs p a nb r i d g ei n c l u d e sa r cb r i d g e c o n t i n u o u sr i g i d f r a m eb r i d g e ，t h ec a b l es t a y e db r i d g ea n dt h es u s p e n s i o nb r i d g ea n d t h ec o n t e n to fs c h e m ed e s i g n i n go fl o n gs p a nb r i d g ei n c l u d e sm o n i t o r i n g c o n t e n t ，t h em e t h o do fm o n i t o r i n gd o td i s t r i b u t i o n 。m o n i t o r i n gp r e c i s i o n 。 m o n i t o r i n gp e r i o d sa n dr e l a t e dm e t h o d s t h ea b o v e m e n t i o n e dc o n t e n t s a r ed i s c u s s e di nd e t a i l si nt h ep a p e rs oa st oe n s ur et h a tt h em o n i t o r i n gi s s a f e ，e c o n o m i c a ia n dc r e d i b l ea n di t ss c h e m ed e s i g n i n gi st h eb e s t f i n a l l yb a s e do nt h ed e s i g n i n gs c h e m eo f h e a l t h y c o n d i t i o n s m o n i t o r i n go fh a i c a n gb r i d g e ，t h eg p sr t kd a t af r o mi ta r ep r o c e s s e d c o n s i d e r i n gt h e d a t ao fg p sr t ka r e e a s i l ya f f e c t e db yn o to n l y m u l t i p a t he r r o ra n ds i g n a li n t e r f e r e n c e b u ta l s om e t e o r o l o g i cf a c t o r s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 i o n o s p h e r ed e l a ya n dt r o p o s p h e r ed e l a y ，t h ei d e at h a te l i m i n a t e s a b n o r m a ld a t ab e f o r ek a l m a mf i l t e r i n gi sp u tf o r w a r di nt h ep a p e r a n di t s f u n c t i o n i n gs t a t u si sa n a l y z e db yu s i n gd a t ao fs t a t i cm o n i t o r i n ga n d d y n a m i cm o n i t o r i n g k e yw o r d s ：l o n gs p a nb r i d g e ；s t a t i cm o n i t o r i n g ；d y n a m i cm o n i t o r i n g s c h e m ed e s i g n i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 大型桥梁健康诊断测量的意义 桥梁的基本类型主要有梁桥、拱桥、刚构桥、悬索桥、斜拉桥及其组合 体系桥。大型桥梁是指在公路桥梁中多孔跨经总长大于5 0 0 米或单孔大于 1 0 0 米的桥梁，以及铁路桥梁中桥长大于5 0 0 米的桥梁，故大型桥梁主要 是指拱桥、连续刚构桥、斜拉桥、悬索桥及由以上不同体系组合而成的桥梁。 近年来，随着桥梁建设事业的迅猛发展，桥梁结构形式与功能日趋复杂， 工程的规模也越来越大，一些大跨度和超大跨度桥梁相继建成，桥梁的最大 跨径记录都在不断被刷新。 目前世界最大跨径的拱桥是上海卢浦大桥w ，卢浦大桥的主跨为5 5 0 m ， 比原世界最大跨径的拱桥一美国新河谷桥( 主跨5 1 8 m ) 长3 2 m ，比著名的澳 大利亚悉尼大桥( 主跨5 0 3 m ) 长4 7 m 。理论推算，混凝土拱桥的极限跨度可 达5 0 0 m 左右，钢拱桥的极限跨度可达1 2 0 0 m 左右。 随着高强预应力钢材、高强混凝土、大吨位张拉锚固体系的应用与发展， 设计手段的计算机化，施工水平的提高，我国大跨度连续刚构桥取得了迅 速发展，先后修建了洛溪大桥( 6 5 + 1 2 5 + 1 8 0 + 1 1 0 ) m 、黄石长江公路大桥 ( 1 6 2 5 + 3 2 4 5 + 1 4 6 ) m 、虎门大桥辅航道桥( 15 0 + 2 7 0 + 1 5 0 ) m 、南昆铁路清 水河大桥( 单线，主跨1 2 8 m ) 等大跨度连续刚构桥，主跨2 0 0 m 的铁路连续刚构 桥也在设计研究之中。1 9 8 5 年澳大利亚建成的主跨为2 6 0 米的门道桥( f i a t e w a y ) 和挪威1 9 9 8 年建成的主跨为2 9 8 米的r a f ts u n d e t 桥最为出名。 我国于2 0 世纪7 0 年就开始探索修建斜拉桥，并修建了数座斜拉桥。进 入9 0 年代以后陆续修建了十几座跨度在4 0 0i l l 以上的大桥，如南京长江二 桥( 6 2 8 m ) 、武汉白沙州大桥( 6 1 8 m ) 等；而大跨度悬索桥是9 0 年代才开始 修建的，到目前已建成的6 0 0 m 及以上的悬索桥有江阴长江大桥( 1 3 8 5m ) 、 宜昌长江公路大桥( 9 6 0m ) 、西陵长江公路大桥( 9 0 0m ) 、虎门大桥( 8 8 8m ) 、 厦门海沧大桥( 2 3 0 + 6 4 8 + 2 3 0 ) 和香港青马大桥( 1 3 3 7m ) 。目前斜拉桥的 跨径最大的是日本多多罗大桥，主跨8 9 0 米：我国正在建造的斜拉桥一苏通 长江公路大桥，主跨1 0 8 8 m ，香港正在建造的斜拉桥一昂船洲大桥，主跨 1 0 1 8 m ，建成之后，斜拉桥的记录将会被再一次刷新。 2 0 世纪9 0 年代我国的悬索桥建设有了很大的发展目前我国悬索桥跨 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 度超过1 0 0 0 m 的有两座。1 9 9 8 建成的香港青马大桥( 主跨1 3 3 71 1 1 ) ，1 9 9 9 年建成的江胡长江大桥( 主跨1 3 8 5m ) ，我国正在修建中的润扬长江大桥主 跨也达到了1 4 9 0 m 。大型悬索桥由于结构比较轻柔，对风的作用非常敏感， 风作用下的结构稳定性( 主要指颤振) ，已成为影响和控制大跨度尤其是特 大跨度悬索桥设计和建设的重要因素。目前悬索桥的最大跨径为1 9 9 0 米( 日 本的明石海峡大桥) 。进入2 1 世纪后。为适应跨海联岛工程建设的需要 将修建更多、更大跨度的悬索挢，设计和规划中悬索桥的最大跨度分别达到 了3 3 0 0 m ( 墨西拿海峡) 和5 0 0 0 m ( 直布罗陀海峡) 。可见。悬索桥的跨径正 朝着超大化的方向发展f 4 】。 大型桥梁是一个国家的经济命脉，桥梁的建造和维护是一个国家基础设 施建设的重要部分，每一座大型桥梁都是人类文明发展的一个丰碑。多年来， 桥梁结构的安全状况一直是政府有关部门和公众特别关心的问题。虽然合理 保守的设计是结构安全的根本保证，但是限于当前对大型复杂结构的认识程 度，台风、地震、车载、温度变化以及许多不定时的或不可确定预知因素诸 如超期服役、飓风、腐蚀、疲劳，甚至突发性的地震，车、船的冲击和碰撞 爆炸等危害性事件，人们并不都能有效地控制或预测。目前国内外许多桥梁 都存在不同程度的安全隐患，比如西方发达国家在经济腾飞时期建造的大批 桥梁目前均面临剩余寿命的评估问题，其中美国的6 9 力座公路桥梁中有一 半以上的使用年限己超过5 0 年，三分之一以上的桥梁使用效率很低或者干 脆荒废，每年用在桥梁维修上的费用超过5 0 亿美元。在国内，由于质量控 制滞后于桥梁的建设速度，致使桥梁倒塌事故逐年增加。1 9 9 6 年1 2 月广东 韶关特大桥梁坍塌，3 2 人死亡，5 9 人受伤：1 9 9 9 年1 月重庆的彩虹大桥倒 塌。导致4 1 人死亡、1 4 人受伤的悲剧：2 0 0 0 年8 月2 7 同，发生在台湾省 连接高雄与屏东的重要通道上的高孱大桥突然拦鼹断裂，是我国发生的又一 例毁桥事件，造成了交通中断，1 6 辆汽车坠入水中，2 2 人受伤。另外，近 几年的铁路提速，对于那些设计最大时速仅有1 2 0 公罩小时的大批铁路桥 梁来说也面临严峻的考验。2 0 0 2 年6 月，洪水冲垮了陇海铁路西安段的一座 铁路桥梁，使得铁路停止运营数日，造成了重大的经济损失。造成这些事故 的原因很复杂，抛开设计与施工方面的原因不谈，这些桥梁长期处于超负荷 运营状态，致使许多构件的疲劳损伤加剧。是导致倒塌的重要原因。为了确 保设计的使用安全性和耐久性达到预期的标准，特别是对大跨度桥梁这种重 要的大型结构，时时了解其“健康”状态是非常重要的1 6 l 。 尽管目前有些桥梁已建立了了解结构内部物理量变化的“桥梁健康监测 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 负 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，“桥梁健康监测系统”m s l 也应该包括桥梁几何量变化测量的内容。由此可见，在建立“桥梁健康监 测系统”的同时，研究采用工程测量原理、技术和方法以及特种精密工程测 量技术，进行桥梁几何量变化的监视测量，对大跨度桥梁的健康监测系统也 是十分必要的。 大跨度桥梁在行车荷载、风力、阵雨、温度等外界因素以及混凝土收缩 徐变、钢筋松弛锈蚀、墩台基础沉降等内在因素的影响下，将产生几何位置 变化、内力变化、应力变化和索力变化等各种效应，同时也会发生混凝土老 化、碳化、钢筋锈蚀、斜拉索锈蚀等现象。几何位置变化( 即结构的变形) 在反映桥梁状况变化方面，是一个较综合的量，也是一个便于检测的直观量。 因此，通过监测桥梁结构的变形来掌握大桥的健康状况，是确保大桥安全运 营的重要手段。 桥梁健康诊断测量是对桥梁整体性能的监测，是用工程测量原理、技术 和方法以及特种精密工程测量技术，对大桥主梁各控制断面及索塔轴线的位 移变形进行定期或实时监测，并绘编相应的位移变形影响线和影响面，以检 测各控制部位位移变形状态，并通过所观测的数据，对桥梁变形的显着性进 行分析，从而为总体评估大桥的承载能力、营运状态和耐久能力以及特殊气 候、交通条件下或桥梁运营情况严重异常时发出预警信号，为桥梁的维修、 养护与管理决策提供依据和指导。对大型桥梁结构进行健康诊断测量的意 义，可以归纳为以下几个方面： ( 1 ) 可以合理地进行交通管理，保证生命与财产的安全，如在天气恶劣 桥面振动过大时关闭大桥； ( 2 ) 实现实时或准实时的变形检测，对大桥结构任何时候出现的变形， 进行定性、定位和定量分析，实现防患于未然： ( 3 ) 对检测出来的变形进行原因分析，并且提供维修建议等； ( 4 ) 在新建的桥梁完工后使用前进行安全性验证( 验收) 测试，以确保新 桥运营的安全和验证有关设计参数与施工质量： ( 5 ) 在突发事件( 如强烈地震、意外大风或其它严重事故等) 之后的剩余 寿命进行评估等； ( 6 ) 尤其重要的点是，监测所得的数据和分析结论对于桥梁结构的设 计和建造者来说都是十分宝贵的资料，这些监测资料可以提高人们对于大型 复杂结构的认识( 如认识真正的荷载环境和相应的桥的响应等) ，为以后的设 计和建造提供依据。对桥梁进行健康监测的目的概括的讲主要有两点：保证 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 安全、积累经验。 1 2 国内外研究的现状 自从2 0 世纪5 0 年代以来，人们就认识到桥梁健康监测的重要性，但由于 早期的监测手段比较落后，所以在应用上一直受到限制。8 0 年代中后期开始 各种规模的桥梁健康监测系统的建立。为了保证大桥的安全运营，要对大桥 关键部位的空间位置及其变化作长时间定期监测，分析长期积累的数据，以 确定现有结构的承载能力、使用耐久性等，确保桥跨结构处于良好的工作状 态。为此开展了对大桥位移、沉降等内容的变形监测，并考虑台风、地震、 车载及温度变化对桥梁位移的影响。这些研究主要体现在以下几个方面： 1 2 1 静态变形监测的方法 鉴于桥梁结构体系的不同以及条件的限制，目前大多数桥梁的监测仍然 采用静态监测。例如，广州番禺大桥的监测l ”l 、招宝山大桥主桥运营期健康 监测m 1 、黄洲大桥主桥箱梁挠度监控i 、岳阳洞庭湖大桥运营期间的变形监 测等1 。桥梁健康监测的方法与测量技术、计算机技术和传感器的发展密切 相关。目前常用于桥梁健康的监测方法主要有： ( 1 ) 常规大地测量方法，即用常观测量仪器( 经纬仪、测距仪、水准仪) 测量角度、边长和高程的变化来测定变形量； ( 2 ) 特殊测量手段，包括各种准直测量、倾斜仪测量、流体静力水准测 量系统及应变计测量等； ( 3 ) 摄影测量方法，包括近景摄影和地面立体摄影测量等； ( 4 ) 全球定位系统( g p s ) 测量技术： ( 5 ) 测量机器人( t c a ) ，即由马达驱动的全站仪和计算机软件组成的测 量系统。 由于大型桥梁结构复杂及监测内容和精度的不同，桥梁健康监测一般由 多种监测方法相结合，实现优势互补。 1 。2 2 实时动态监测系统的研制 虎门大桥】、厦门海沧大桥的位移监测是采用g p sr t k 载波相位实时动 态差分技术，江阴长江公路大桥 is i 、上海杨浦大桥i t6 】则是采用测量机器人 ( t c a ) 。在桥梁健康监测方面，国外在2 0 世纪8 0 年代开始了各种规模的监 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 测系统的建立。在9 0 年代初，英国采用可视监测系统对h u m b e r 桥的静动力 位移进行监测，近年又采用g p s 对该桥在重型荷载作用下的变形进行了测 试，并将测试结果与有限元计算结果进行了对比，确认g p s 的测量精度很高， 不仅可用于大跨度悬索桥的位移测试，即使用于刚度较大的桥梁结构，也能 获得比较满意的精度。 据报道，英国的h u m b e r 桥( 主跨1 4 1 0m ) 、丹麦的g r e a tb e l te a s t 桥( 主跨1 6 2 4m ) 、只本的明石海峡大桥( 主跨1 9 9 0m ) 、同本的南各赞濑 户大桥( 主跨l l o om ) 以及韩国的n a mh a e 桥( 主跨4 0 4 爪) 等悬索桥上安 装了g p s 位移监测系统。 根据最近几年的应用情况，用来对结构位移进行监测的仪器装置主要 有：压力监测的液体填充系统、卫星定位系统g p s 、光谱干涉系统、光载波 通信系统、摄影测量等方法。 液体填充系统在主梁内布设液压连通管，安装较为复杂，出于连通管内 液体粘性阻力，对测点动态位移的灵敏性较差。全球定位系统实时性好，受 气候的影响小，但需在结构测点上布设天线和监测部位布设接收器，另外还 需在桥梁以外布设参考点，系统费用较大，测点越多，费用越高。光谱干涉 系统要求远离主跨设置一个目标设备大跨度桥一般难以满足相应的工作距 离。光载波通信系统是利用全站仪进行连续监测，设备费用相对低，但不能 真正达到实时监测受天气的影响大对较大的结构变形锁定目标困难。 摄影测量测量用于桥梁的动态变形。近年来，广东省公路管理局课题组 与华南理工大学交通学院合作，采用远距离摄像与图像处理方法相结合，提 出了一种从岸边即可准确量测大中跨径桥梁的垂直位移( 挠度) 和水平位移的 光学数字测量新方法，并研究开发出了相应的测量系统l 。 1 2 3 测量监测数据处理 多年来，对动态变形数据分析的研究是极为活跃的，除了传统的多元回 归分析法以及时间序列分析法、频谱分析法和滤波技术等之外，灰色系统理 论、神经网络的非线性时间序列预测方法也得到了一定程度的应用w 。比 如，应用灰关联分析方法研究多个因变量和多个自变量的变形问题：应用灰 色系统理论建模预测桥梁位移的发展趋势：应用人工神经网络建模进行短期 的变形预测和预报。 在变形分析中，为了拟补单一方法的缺陷，研究多种方法的结合得到了 一定程度的发展。例如，将模糊数学原理与灰色系统理论相结合，应用灰关 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 联聚类分析法进行多测点建模预测：将模糊数学与人工神经网络相结合，应 用模糊人工神经网络方法建模进行桥梁的变形预报：在回归分析法中，为处 理数据序列的粗差问题，提出了应用抗差估计理论对多元回归分析模型进行 改进的抗差多元回归模型：研究认为，人工神经网络与专家系统相结合，是 解决桥梁安全监控专家系统丌发中“瓶颈”问题的一个好方法。在线实时分 析与监控的方法研究，基于小波理论的时频分析初步得到了应用。自适应卡 尔曼滤波、基于方差分量估计原理、抗差卡尔曼滤波等新技术，在实际应用 中也取得了一定的进展 2 0 l i 。 但是，从现行的变形分析方法中，大多数是离线的( 事后的) 。为此， 研究在线实时分析与监控的方法，成为桥梁健康诊断测量监测技术的关键。 1 3 本文研究的主要内容 大型桥梁作为一种工程建筑物，又与一般的工程建筑物不同，其结构轻 柔化及形式与功能复杂化，不但具有高层建筑物的特征，易受风力、温度的 影响，同时在车辆动荷裁和个别情况下人群动荷载下桥梁结构产生的振动， 会影响桥上行车的舒适与安全，助振动变形和加速度，甚至使桥梁完全破坏。 相对于一般的工程建筑物的变形观测，本文将研究大型桥梁健康诊断测量监 测实用的理论和方法，主要研究内容有： ( 1 ) 大型桥梁健康渗断测量的内容、方法。从桥梁健康渗断测量监测的 内容出发，讨论目前用于桥梁监测的方法及其适用性。 ( 2 ) 大型桥梁健康诊断测量的方案设计。方案设计是大型桥梁健康诊断 测量系统实施的前提，因此桥梁健康诊断测量的方案应该包括监测内容、监 测方法、监测点的布设、监测的精度和周期、可行的数据处理方法等，以上 均为本文研究的对象。 ( 3 ) 动态观测数据中粗差的探测与剔除，研究g p sr t k 动念数据处理的 方法：自动化监测系统采集的原始监测数据通常是海量的，如何从原始监测 数据中提取能够反映桥梁位移的数据，也是本文研究的内容。 ( 4 ) 桥梁结构尺寸形变的显著性分析。以海沧大桥的静态监测数据和动 态g p s r t k 实测数据为例进行数据处理；结合厦门海沧大桥健康诊断测量 监测方案设计，以其静态和动态监测数据对桥梁的运行状态进行了分析。 匿南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 第二章大型桥梁健康诊断测量的内容和方法 2 1 大型桥梁的变形 2 1 1 大型桥梁变形的原因 大型桥梁产生变形的原因，归结起来有以下几类m 】： 一是自然条件及其变化，即桥墩台地基的工程地质、水文地质、土壤的 物理性质、大气温度、水位变化以及地震等。例如桥墩台基础的地质条件不 同，会引起桥墩台之间的不均匀沉陷，使其产生倾斜或使墩台本身产生裂缝 和使桥跨结构倾斜：由于土基的塑性变形将引起桥台的均匀沉陷：由于温度 与水位季节性的变化以及水流方向的变化，也将使桥梁产生有规律的变形， 桥台和桥墩基础附近的河床冲刷，甚至可能造成毁桥事故。 地震。地震是与地球构造运动密切相关的一种自然现象，在地层构造运 动中，发生较剧烈的破坏性变动时，引起地面震动，从而对地上或地下各种 建筑物造成不同程度的地震破坏。据统计，全世晃每年要发生数百万次地层， 但绝大多数是小地震，不为人们所感觉，称微震；人们能感觉到的地震称有 感地震，约占地震总数的1 左右，造成灾害的强烈地震则为数更少，平均 每年发生十几次。桥梁震害主要反映在结构的各个部位。 温度。桥梁由于r 照的强度和方向的不同，温度高的- n 膨胀，另一侧 则收缩，从而产生变形。 二是与桥梁本身相联系的原因。 ( 1 ) 动荷载。车辆动荷载和个别情况下人群动荷载，本质上是一种强迫 共振现象，桥梁结构产生的振动，会影响桥上行车的舒适与安全，加大了振 动变形，甚至使桥梁完全破坏。 ( 2 ) 风力。空气的流动就是风，1 9 4 0 年秋，美国华盛顿州建成才四个 月的塔科马( t a c o m a ) 悬索桥在不到2 0 m s 的1 2 级大风作用下发生强烈的风 致振动而破坏的严重事故震惊了桥梁工程，并由此提出了桥梁的风致振动问 题。风对桥梁的作用是一个十分复杂的现象它受到风的自然特性，结构的 动力性能以及风与结构的相互作用三方面的制约。由于近地边界层的紊流影 响，风的速度和方向及其空间分布都是非定常的( 即随时间化的) 和随机的。 当风绕过桥梁结构时，形成复杂的作用力( 空气力) 。这种作用力将亨，窟桥槊 的振动( 风致振动) ，而振动起来的桥梁又将反过来影响流场。改变空气 乍禺 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 力，引起风与结构的相互作用机制，从而使桥梁发生变形。 此外，洪水、船舶、水中悬浮物、北方河中的浮冰等等都可能对桥墩产 生撞击，而使桥梁产生局部变形。随着航运事业的发展，在这些方面发生事 故的实例也多了起来。 三是由于勘测、设计、施工以及运营管理工作不合理，也会使桥梁产生 额外的变形。 2 1 2 可能产生的变形量 桥梁变形可分为静态变形和动态变形。静念变形通常是指变形观测的结 果在某一周期的变形值，也就是说，它只是时阳j 的函数。动念变形是指在外 力影晌下而产生的变形，它是以外力为函数来表示的动态系统对于时恻的变 化，其观测结果表示桥梁在某个时刻的瞬时变形。 桥梁结构在荷载和环境因素作用下所产生的变形可以分成两类： 一类变形能反映结构的整体工作状况，如挠度、转角、支座位移等，称 为整体变形，桥梁逐渐老化，表现最为明显的是桥梁挠度变化：整体变形的 能力能够概括结构整个工作的全貌，因此，在一切观测项目中，各种整体变 形往往是最基本的。 另一类变形能反映结构的局部工作状况，如纤维变形、裂缝、钢筋的滑 动等，这称为局部变形。最能表现老化( 或缺陷) 的特征是裂缝，裂缝的部 位、方向揭示了桥梁的老化( 或缺陷) 的部位和性质。 2 1 3 桥梁变形的限值 1 主梁挠度变形限值 桥梁的竖向挠度。规范规定 2 3 】：由汽车荷载( 不计冲击力) 所引起的竖 向挠度不应超过下表所列容许值。如车辆荷载在一个桥跨范围内移动，因而 产生正负两个方向的挠度时。计算挠度应为f 负挠度的最大绝对值之和。 表2 一i 桥梁容许挠度值 桥粱结构形式容许挠度值 简支或连续桁架l 8 0 0 简支或连续板架l i e 0 0 粱的悬臂端l l 3 0 0 悬索桥l 4 0 0 挂! l = 盏堑鋈鲍盐簋堕丝；l l = 盘鎏壤蕉登塑区蕉! 西南交通大学硕士研究生学位论文笫9 页 对于拱桥，规范规定：汽车荷载( 不计冲击力) 计算的拱桥上部结构在 一个桥跨范围内的正负挠度的最大值之和不大于l 1 0 0 0 ，用挂车或履带车 验算时，上述挠度可增加2 0 。 斜拉桥的竖向挠度【2 4 】：主梁在汽车荷载( 不计冲击力) 的最大竖向挠度， 当为混凝土主梁时不应大于l 5 0 0 ；钢主梁时不以应大于l 4 0 0 ( l 为中跨 跨径) 。用平板挂车或履带车验算时，上述限值可增加2 0 ，如车辆荷载在 一个桥跨范围内移动产生正负不同挠度时，计算挠度应为正负挠度的最大绝 对值之和。 悬索桥的侧向挠度c 2 5 i ：悬索桥应验算风力作用下的侧向挠度，其在行车 系的纵向平面内的容许挠度规定为跨径的l 1 0 0 0 。 2 墩台沉降变形限值 规范【25 】规定：桥梁的墩台沉降不宜超过下列规定： ( 1 ) 墩台均匀总沉降值( 不包括施工中的沉降) 2 0 4 l ( c m ) ； ( 2 ) 相邻墩台均匀总沉降值( 不包括施工中的沉降) 1 0 4 l ( c m ) ； ( 3 ) 墩台顶面水平位移值o 5 三： 其中l 为相邻墩台问最小跨径长度，以m 计。 2 2 大型桥梁变形监测的特点 大跨度桥梁变形监测分为上部结构监测、下部结构监测两大类。对于不 同的桥型以及桥梁不同部位的监测，精度要求也是不一样的，由于桥梁工程 结构的复杂性，大跨度桥梁变形监测具有以下特点： 1 监测内容广泛 桥梁健康诊断测量监测的内容相对较多，包括几何参数监测，主要有桥 梁上部结构的挠度、线形、倾斜以及下部结构的位移、沉降变形监测等：物 理参数监测，主要有桥梁各部位的应力、应变、徐变等参数监测：环境参数 监测，主要有风力、风向、温度、地震、交通荷载等因素的监测：监测的工 作量大，工种涉及面广，对于监测人员而言，要求必须是多面手，这样才能 对于不同的工作都能适应。 2 。监测系统复杂 一个完整的桥梁健康诊断测量监测系统，涉及到测绘、桥梁、力学、计 算机网络、数据库、数学、无线电通信等多学科的内容；监测仪器涉及机械 式测试仪器、光学仪器、电子仪器、声学仪器以及复合式仪器；监测的方式 有人工定期监测、自动化监测以及联合监测。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 3 监测周期长 桥梁健康诊断测量监测的周期较长，般不少于2 年或更长时间，有时 是贯穿于整个工程建设过程中，即在桥梁建设施工过程以及运营过程中应连 续进行监测，对于监测人员和设备要求一定要有连续性，提供的监测数据及 报表格式需要统一。 2 。3 大型桥梁健康诊断测量的内容 桥梁诊断测量监测内容很多，为了及时、无遗漏地捕捉危及桥梁结构安 全的信息，并最有效地运用投入监测的人力和经费，关键在于科学地选择优 先采用的监测项目。 2 3 1 桥梁上部结构( 主梁) 的监测 主梁( 或者拱桥的主拱肋) 是直接承受交通荷载的主要承重构件，主梁 在运营过程中，车辆及外界活载直接作用于主粱，主粱的内力、变形量会随 着活截的分布及其大小的不断变化产生相应的变化，使主梁产生竖直及水平 方向的挠度变形；由于主梁各点的变化不均匀，使桥梁在截面处产生转角， 从而使桥梁平面产生扭转：对桥梁特别是柔性比较大的桥梁结构如斜拉索桥 和悬索桥还会产生明显的振动，从而影响行车安全性和舒适性 2 6 1 。所以桥梁 上部结构测量监测的主要内容有： ( 1 ) 主梁竖向挠度变形观测及监测点截面偏载情况下扭转角的测量。 ( 2 ) 主梁横向水平位移观测( 桥轴线偏位观测) 。 ( 3 ) 主梁纵向位移观测：通过测量主桥主梁梁端与相邻引桥梁端上固定 点之间的距离变化来测定主梁纵向位移变化规律。 ( 4 ) 对于斜拉桥和悬索桥，其塔柱在外力、同照、风力等因素的作用下 会产生摆动。为研究塔柱在不受悬索拉力作用自然状态下塔柱的摆动规律， 即摆幅大小、摆动平衡位置与对应的时间，应在裸塔状态下测量塔柱的位 置，并为后续工程施工提供索塔的基础资料。其相应的观测内容为：塔柱 在水平方向的扭转变化及其在竖直平面的挠曲变化和收缩徐变。 2 3 2 桥梁下部结构的监测 ( 1 ) 桥梁下部结构包括桥墩、桥台、桥塔和桩基础。基础是桥梁结构的 重要组成部分，它承担着上部结构的自重和汽车、人群等活荷载并将这些 西南交通大学硕士研究生学位论文第j i 页 荷载传递给地基。因此，下部结构的工作状态对桥梁结构的安全、正常使用 具有决定性的影响。桥梁主桥( 塔) 墩基础的沉降监测，其中还包括塔、墩台、 地面处和其它各截面的水平位移和转角。对于斜拉桥和悬索桥应观测主塔塔 顶变位( 顺桥向和横桥向) ，测定塔柱的变位幅度大小和变位规律。 ( 2 ) 地面是判断桥梁基础承载能力的重要因素，监测应尽量观测桩基础 周围的地面变形和开裂的情况。 2 3 3 环境参数的监测 ( 1 ) 桥址处环境温度监测。桥梁结构在太阳照射下，混凝土阴阳面最大 温差可达2 0 以上，同夜最大温差为2 5 以上。当环境温度和同照方向发 生变化时，桥梁结构的温度也会随之变化。一般说来，材料的温度变化将会 引起构件的变化，当构件的变形受到限制时，构件内部会产生回应力。由于 组成大型桥梁结构的各个部分的材料、尺寸和结构形式不同，环境温度和只 照方向的变化将会在整座桥梁内形成复杂的温度分布。通过对桥梁温度场分 布状况的监测，可以为桥梁设计中温度影响的计算提供原始数据；对不同温 度状态下桥梁工作状态的变化，如桥梁变形、应力分稚等进行比较和定量分 析，对于桥梁设计理论的验证和改进均具有积极意义。 ( 2 ) 桥址处的风速风向监测。对于大型桥梁的施工和运营，风荷载是一 个不可忽略的影响因素，它将会引起主梁的颤振。在桥梁结构的的发展历程 中，曾上演不少因空气静、动力荷载作用引发的桥梁结构失稳悲剧，因此桥 梁健康监测系统必须实时监测风速和风向m ”。 2 4 大型桥梁健康诊断测量的方法 2 4 1 静态监测方法 目前，变形监测技术和方法f 在由传统单一的监测模式向点、线、面立 体交叉的空间模式发展。在变形体上布设变形观测点在变形区影响范围之 外的稳定地点设置固定观测站，用高精度测量仪器定期监钡i 变形区内网点的 三维( x 、y 、z 方向) 位移变化是获取变形体变形的一种行之有效的外部监 测方法。这些方法主要泛指高精度地面监测技术、摄影测量方法及g p s 监测 系统等手段1 1 。 ( 1 ) 常规地面测量方法 即用常规测量仪器( 经纬仪、测距仪、水准仪、全站仪) 测量角度、边长 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 和高程的变化来测定变形量，它们是目前变形监测的主要手段。常用的地面 监测方法由两方向( 或三方向) 前方交会、双边距离交会法、极坐标法、自 由设站法、视准线法、小角法及几何水准测量法，以及精密三角测量法等。 常用前方交会、距离交会法监测变形体的二维( x 、y 方向) 水平位移：用 视准线法、小角法、测距法观测变形体的的水平单向位移；用几何水准测量 法、精密三角高程测量法观测变形体的垂直( z 方向) 位移。 常规地面监测方法具有以下优点： 1 能够提供桥墩台和桥跨结构的变形状态，监控面积大，可以有效地确 定变形范围和绝对位移量： 2 观测量组成网的形式可以进行测量结果的处理和精度评定； 3 灵活性大，能适用于不同结构形式的桥梁、不同的外界条件和不同的 精度要求。 而缺点是外业工作量大，作业时阳j 长，难于实现连续监测及测量过程的 自动化。 ( 2 ) 特殊测量手段 特殊测量手段包括准直测量、倾斜测量和应变测量三种： 1 准直测量 准直测量用于测定某一方向上点位的相对变化，可以是水平方向，也可 以是垂直方向。准直测量方法由很多，有导线法、测小角法、活动觇牌法、 激光准直法和引张线法等。 在大气条件下，激光准直的精度为l o 1 0 ，提高精度的主要障碍是 大气折光的影响。水平激光准直广泛用于大坝等线性工程建筑物的变形观 测。在没有气流影响的地方，也可以再用钢丝或尼龙丝准直，由于它们不受 折光的影响，精度也能达到1 0 一。垂直激光准直( 激光铅直仪) 可用于测定 高层建筑物的摆动。 2 倾斜仪测量 地面或建筑物的倾斜除了用常规的测量方法测定两点自j 高差的变化外， 也可以采用倾斜仪测量。目前倾斜仪的种类很多，大体上可以分为“短基线” 和“长基线”倾斜仪两种。前者一般用垂直摆锤或水准气泡作为参考线；后 者一般根据静力水准的原理做成。 不同的倾斜仪，测量精度差别很大。一般来讲，“短基线”倾斜仪的精 度范围是0 5 ”l o ”，而“长基线”倾斜仪精度很高，用水作为液体的倾斜 仪，每1 0 m 长可达0 0 l m m 的精度。用水银作为液体，测量精度可达o 0 0 l ”。 在实际工作中，应根据需要选择倾斜仪。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 倾斜传感器监测桥梁变形受到诸多限制，但由于其突出的优点，仍然在 桥墩沉降、桥墩侧移、主梁挠度等方面得到成功应用。 3 应变计测量 应用其工作原理可以分成两类：通过测量两点间距离的变化来计算应 变；直接用传感器测量应变。 通过精密测量距离的变化来计算应变的方法由机械法和激光干涉法两 种。机械法用铟钢丝、石英棒等作为长度标准，长度的变化用机械一电子传 感器测量。精度一般为几十微米。激光干涉法可以测到几百米，甚至几千米， 测量精度在1 0 “以上，真空中可达4 1 0 “o 。 直接用传感器测量应变所采用的应变传感器实质上是一个导体( 金属条 或很窄的箔条) ，埋在变形体中，由于变形体的应变使得导体伸长或缩短， 从而改变了导体的电阻。导体电阻的变化用电桥测量，通过测量电桥的变化 就可以计算应变。 与大地测量方法相比，特殊测量方法有下列优点：测量过程简单；容易 实现连续监测和自动化监测；能够提供局部的监测信息。 而在通常所用的特殊测量方法中也有许多缺点，例如：位移传感器是一 种接触型传感器，必须与测点相接触对于难以接近的点无法测量：对横向 位移测量有困难；加速度传感器，对于低频静态位移鉴别效果差，为获得位 移必须对它进行两次积分，精度不高，也无法实现对大型斜拉桥和悬索桥等 柔性体系的频率分析，且在大跨度桥梁上安装加速度计将十分困难：激光法 测量精度较高，但在桥梁晃动大时由于无法捕捉光点也无法测量。除上述不 足外，各种方法对桥梁的扭角( 以大桥中心线为基准，左右摆动的角度) 测量 也力不从心。 ( 3 ) 摄影测量方法 包括近景摄影和地面立体摄影测量等。 用地面摄影测量方法测定桥梁变形等就是在桥梁周围选择稳定的点，在 这些点上安置摄像机，并对桥梁进行摄影，然后通过内业量测和数据处理得 到监测点的二维或三维坐标，比较不同时刻监测点的坐标得到它们的位移。 用地面摄影测量方法进行变形观测有两种基本方式： 1 固定摄站的时间基线法( 或称伪视差法) 。时间基线法是把两个不同 时刻所拍的像片作为立体像对，量测同一目标像点的左右和上下位移。这种 方法仅能测定变形体的二维变形，不能获得目标点沿摄影机主光轴方向的位 移。 2 立体摄影测量法。地面立体摄影测量根据光轴与摄影基线的相对位置 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 不同，其摄影方式分为正直摄影、交向摄影、等倾摄影。 近年来，随着计算机技术的飞速发展，摄影测量已进入数字摄影测量时 代。通过将摄像的影片转换成数字( 用数字来表示内一个像元的灰度值) 或 用特殊摄像机( c c d 相机) 直接获取被摄物体的“数字影像”，然后利用数 字影像处理技术和数字影像匹配技术获得同名像点的坐标，进而计算对应物 点的空间坐标。整个处理过程是由计算机完成的，