九章 桥梁工程变形监测

第九章 桥梁工程变形监测,概述桥梁基础垂直位移监测桥梁挠度观测桥梁结构的健康诊断,概 述,桥梁监测对象桥梁墩台塔柱桥面,概 述,桥梁技术的发展预应力技术大跨度索支撑桥梁大跨度桥梁抗风、抗震理论以及新材料新工艺的发展促进达大跨度桥梁的发展桥梁安全性监测日益重要,概 述,桥梁技术的发展,概 述,桥梁技术的发展,概 述,桥梁变形监测的目的和意义验证结构分析模型、计算假定和设计方法提供反馈信息用于深入研究大跨度桥梁结构及环境中的未知或不确定性的问题,概 述,桥梁监测目的与意义因环境因素作用、荷载过重、时间等原因，结构使用功能退化大跨度施工和运营环境复杂，及轻柔化和功能复杂化，安全性不能忽视桥梁破坏原因，除人为外，自然原因中的循环荷载作用下的疲劳损伤，以及损伤结构在动力荷载的作用下的裂纹失稳扩展是主要原因,概 述,桥梁监测目的与意义桥建成后，结构状态识别和确认，运营过程中的损伤监测、预警及实时维修制度的建立，有利于根本上消除灾难隐患,概 述,桥梁监测目的与意义桥梁的抗风、抗震和新材料新工艺的设计中，存在许多未知和假设，需要相关数据进行研究桥梁结构的安全评估技术的研究需要现场试验和调查,概 述,桥梁监测作用保证桥梁安全验证桥梁结构设计是否合理为设计理论研究的改进提供数据,变形监测的内容,桥梁变形分类静态变形变形观测结果只表示在某一个期间内的变形值，是时间的函数。例如桥墩台的变形动态变形在外力影响下产生的变形，是桥梁在某个时刻的瞬时变形，以外力为函数表示的对于时间的变化。例如桥梁结构的挠度变形,变形监测的内容,桥梁工程变形观测的主要内容桥梁墩台变形观测墩台的垂直位移观测墩台特征位置的垂直位移；沿桥轴线方向的倾斜观测墩台的水平位移观测在上下游方向的横向位移观测沿桥轴线方向的纵向水平位移观测,变形监测的内容,桥梁工程变形观测的主要内容塔柱变形观测塔柱顶部水平位移观测塔柱整体倾斜观测塔柱周日变形观测塔柱挠度观测塔柱体伸缩量观测,变形监测的内容,桥梁工程变形观测的主要内容塔柱变形观测塔柱顶部水平位移观测塔柱整体倾斜观测塔柱周日变形观测塔柱挠度观测塔柱体伸缩量观测,变形监测的内容,桥梁工程变形观测的主要内容桥面挠度观测挠度指桥面轴线的垂直位移观测桥面在外界荷载作用下，发生变形，使桥梁实际线形与设计线形产生差异，影响内部应力状态,变形监测的内容,桥梁工程变形观测的主要内容桥面水平位移观测主要指垂直于桥轴线方向的水平位移主要由基础的位移、倾斜、外界荷载等引起对大跨径的斜拉索桥和悬索桥，风荷载使桥面产生大幅度的摆动,变形监测的内容,桥梁变形监测方法垂直位移监测定期测量布设在桥墩台上的观测点相对于基准点的高差，求得观测点的高程，利用不同时期观测点的高程求出墩台的垂直位移,变形监测的内容,桥梁变形监测方法垂直位移监测方法精密水准测量精度高、可靠性好，测量绝对沉降量监测成本低劳动强度高、速度慢、难以做到同步测量,变形监测的内容,桥梁变形监测方法垂直位移监测方法三角高程测量短距离时能达到较高精度距离超过400m时，因大气折光影响，精度迅速下降适用于高塔柱、水中墩台等不适合水准测量的沉降监测,变形监测的内容,桥梁变形监测方法垂直位移监测方法液体静力水准测量精度高、速度快、可实现自动化两点间高差不能过大，测定的是相对高差价格高,变形监测的内容,桥梁变形监测方法垂直位移监测方法压力测量测量两点间的压力变化，并将压力变化量转化为高程的变化量价格高,变形监测的内容,桥梁变形监测方法垂直位移监测方法GPS测量精度低可实现动态、自动化监测,变形监测的内容,桥梁变形监测方法水平位移监测方法监测方法与桥梁形状有关直线桥梁：基准线法、测小角法曲线桥梁：三角测量、交会法、导线测量,变形监测的内容,桥梁变形监测方法挠度监测静荷载挠度观测测量桥梁自重和构件安装误差引起的桥梁下垂量动荷载挠度观测车辆通过时，车辆重量和冲量作用下的桥梁的挠曲变形,变形监测的内容,桥梁变形监测方法挠度监测方法悬垂法水准仪直接测量法水准仪逐点测量法摄影测量法微波干涉测量法,变形监测的内容,桥梁变形监测方法挠度监测的悬垂法设备简单、操作方便现场要求有稳定的基准点适用于干河床的情况只能测量某些点的静挠度结果包含沉降变形值，精度低,变形监测的内容,桥梁变形监测方法挠度监测的精密水准法利用基准点和水准监测点，观测荷载施加前后的高程差精度、可靠性高需要封桥，效率低,变形监测的内容,桥梁变形监测方法挠度监测的全站仪观测法实质为电磁波三角高程测量受大气折光影响显著夜间进行，大气折光稳定测量高差之差，大气折光变化为主要影响,变形监测的内容,桥梁变形监测方法挠度监测的GPS观测法高程测量精度低，适用于大挠度的桥梁挠度监测的静力水准观测法精度、可靠性高可实现自动化摄影测量法外业简单，效率高，可得到连续的挠度变化,变形监测的内容,桥梁变形监测方法挠度监测的专业挠度仪观测法激光挠度仪：全天候工作、外界影响小，距离影响精度微波干涉测量法,桥梁基础垂直位移监测,概述桥梁墩台空间位置在垂直方向的变化观测方法精密水准测量液体静力水准测量GPS,桥梁基础垂直位移监测,基点网布设基准点在稳定区域，不宜离桥太远工作基点桥梁墩台附近精密水准测量方法观测,桥梁基础垂直位移监测,观测点布设分布均匀，并且有重点均匀：每个墩台均有观测点重点：主桥墩台等受力不均匀，或地基结构不均匀位置，增加观测点,桥梁基础垂直位移监测,垂直位移观测定期观测，获取高程，根据高程计算沉降量布设成附合或闭合路线,桥梁挠度监测,分类桥面挠度观测索塔挠度观测,桥梁挠度监测,桥索塔挠度索塔在高程方向上索塔各点的水平位移情况包括轴线方向和垂直于轴线方向的水平位移桥索塔挠度产生原因两侧拉力不相等，在桥轴线方向产生挠度变形风、日照等外界环境的影响设计和施工不合理导致的额外挠度变形,桥梁挠度监测,桥索塔挠度观测目的施工中，挠度变形随高度增大而增大，掌握其规律，指导施工和测量工作大桥钢箱梁吊装过程中，因为施工，导致索塔两侧受力不均匀，索塔产生偏移，为避免危险，需要在吊装过程中进行监测验证工程设计和施工的效果，为研究提供资料,桥梁挠度监测,桥索塔挠度观测要求按三等变形观测精度要求，点位中误差不得超过6mm监测周期根据施工导致的受力变化确定周期变形应至少1小时1次桥梁使用阶段，半年或1年观测一次,桥梁挠度监测,桥索塔挠度观测方法交会法全站仪极坐标法：主要方法天顶距测量法倾斜仪法垂线法,桥梁挠度监测,控制网布设基准点、工作基点和监测点面积小，不许要分级布设全站仪和GPS观测方法控制点点位稳定性差，需要定期复测,桥梁挠度监测,观测点布设位置和数量以反映摆动和扭转的变形特征为原则要有利于观测每隔30m布设一个点在索塔顶部和横梁处布设观测点为分析扭转，同高度断面上应布设两个观测点,桥梁挠度监测,观测实施全站仪观测需要棱镜配合作为反射目标工作基点和照准点采用强制对中装置,桥梁挠度监测,主梁挠度观测可准确把握桥梁结构内力状态的改变可识别出部分结构损伤观测目的修正结构内力反演结果，确保内力状态的识别基于刚度变化的损伤识别,桥梁挠度监测,主梁挠度观测方法水准测量法全站仪测量法专业挠度仪法动态GPS法 。,桥梁监控诊断,桥梁健康监测的概念基本内涵是根据结构的主要性能指标(如可靠性、耐久性等)，结合无损检测(NDT)和结构特性分析(包括结构响应)从营运状态的结构中获取并处理数据，目的是为了诊断结构中是否有损伤发生，判断损伤的位置，估计损伤的程度以及损伤对结构将要造成的后果。通过对桥梁结构状态的监测与评估，为桥梁在特殊气候、交通条件下或桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。,桥梁监控诊断,桥梁健康监测组成采集测量部分 数据传输部分 数据分析处理和控制部分,桥梁监控诊断,桥梁健康监测组成采集测量部分 测定主梁的固有振动采集测量部分的监测项目一般包括位移、应力、动力特性、温度、表观检测等1)位移监测。利用测量手段，对桥梁各控制断面的位移变形进行监测，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，从而为总体评估桥梁的承载能力、营运状态和耐久能力提供依据。常用的位移变形监测方法有导线测量(观测水平位移)、几何水准法(观测竖向位移)、GPS测定三维位移量法、自动极坐标实时差分测量法(ATR自动监测系统)和自动全站仪的方法,桥梁监控诊断,桥梁健康监测组成采集测量部分 2)应力监测。运营状态中主梁的应力或应变的变化是由主梁结构的外部条件和内部状态变化引起外部条件主要有支座的变化及车辆荷载的作用等，而内部状态有混凝土的收缩徐变、温度变化及预应力损失等。通过应力监测可以反映主梁的受力条件变化和结构内部的性能。,桥梁监控诊断,桥梁健康监测组成采集测量部分 3)动力特性监测。桥梁结构的动力特性与桥梁结构的刚度、质量、阻尼值及其分布有关，对桥梁结构的频率、振型等4)温度监测。通过对整桥温度场的监测，可以设法消除温度变化对某些监测过程或传感器本身的测量精度的影响；可以了解桥梁结构在某种温度扬下的行为，如结构变形、内力变化等。,桥梁监控诊断,桥梁健康监测组成采集测量部分 5)区域表观检测。表观检测包括混凝土裂缝检测、混凝土强度检测、混凝土碳化深度检测以及混凝土表观质量检测以及桥面铺装、支座、伸缩缝等的损坏情况。,桥梁监控诊断,桥梁健康监测组成数据传输部分 主要应该解决以下几项关键问题：1)数据采集和传输的同步问题。同步问题是桥梁监测系统的关键性技术问题之一。是后期数据处理、分析和桥梁健康评估的基本前提条件。挠度、振动等子系统各点采集的时间必须同步。2)数据采集节点设备和传输链路的合理配置与优化问题。影响数据采集节点设备和传输链路可靠性的因素相当复杂，必须研究设计重点考虑系统合理的配置和优化。,桥梁监控诊断,桥梁健康监测组成数据传输部分 3)关于系统数据采集过程中单点故障问题。系统需要具有单点故障不影响控制网络其他部分的功能。4)关于故障自动报警的问题。系统能够识别传感器故障包括电流回路泄漏、对不可信信号电平的捕获和子系统故障，并能在系统主机上给出相应的报警信息。,桥梁监控诊断,桥梁健康监测组成数据传输部分 5)数据可靠性检验的问题。系统具有能够对所监测数据进行自检、互检和标定的功能，是保障原始数据可靠性的重要手段6)实现远程监控的问题。通过因特网技术可以使桥梁管理者或桥梁专家在异地对系统实现远程监控和数据分析，是桥梁健康监测系统的新需求。,桥梁监控诊断,桥梁健康监测组成数据分析处理和控制部分数据处理是指对数据采集和传输部分获得的数据信息进行收集、整理、加工、存贮及传播等一系列活动的总和基本环节是进行数据的组织、存贮、检查和维护等工作。这些工作是数据处理的中心问题，一般称之为数据管理。主要采用数据库系统，目标是：解决数据冗余问题；实现数据独立性；实现数据共享；并解决由于数据共享而带来的数据完整性、安全性及并发控制等一系列问题。,苏通大桥施工变形监测,苏通大桥介绍苏通长江公路大桥是目前世界第一大跨径斜拉桥，位于江苏省东南部长江口南通河段。是我国建桥史上工程规模最大、综合建设条件最复杂的特大型桥梁工程苏通大桥工程路线全长32.4拓n，跨江大桥工程总长8206 m，其中主桥长2008 m。主桥桥型采用七跨连续双塔双索面钢箱梁斜拉桥，其中斜拉桥主孔跨度l008m；主塔高度306m目前斜拉桥世界第一,苏通大桥施工变形监测,苏通大桥介绍,苏通大桥施工变形监测,GPS在苏通大桥施工监测中的应用GPS 实时监测系统基于载波相位差分技术, 由GPS 基准站、监测点、数据通讯网络和监控中心等部分组成监控中心的计算机接收各监测点的数据, 实时计算各监测点在桥梁坐标系下的位移, 以时程曲线等形式显示, 并将其存入数据库,苏通大桥施工变形监测,GPS在苏通大桥施工监测中的应用索塔的刚度测试苏通大桥索塔刚度测试是在钢箱梁施工至8# 梁段时, 通过不对称起吊, 使索塔产生明显的变形, 同时采集测试过程中各阶段对应的时间、索塔位移、气象数据( 风力、温度) 等。通过对各种测试数据的详细分析, 充分掌握索塔的抗拉强度, 为后期长悬臂施工提供基础资料,苏通大桥施工变形监测,GPS在苏通大桥施工监测中的应用索塔的刚度测试,苏通大桥施工变形监测,GPS在苏通大桥施工监测中的应用温度响应分析实时监测的目的之一是及时获得监测点在桥梁纵向、横向和垂直方向上的位移, 结合工况信息以及温度、风力、风向等气象数据, 进一步分析位移与温度、风力、工况的关系等,苏通大桥施工变形监测,GPS在苏通大桥施工监测中的应用温度响应分析温度数据的采样间隔为20 min, 为便于比较, 将位移作均值化处理, 使其在时间上对应起来,苏通大桥施工变形监测,GPS在苏通大桥施工监测中的应用索塔周日变形研究索塔顶部位移在平面方向上的变化对上GPS 监测结果以1 h 间隔取10 min数据计算其均值, 形成位移数据序列, 并绘制平面位移过程线,苏通大桥施工变形监测,GPS在苏通大桥施工监测中的应用索塔周日变形,苏通大桥施工变形监测,GPS在苏通大桥施工监测中的应用索塔周日变形索塔顺桥向( 近似南北向) 因温度变化的位移要比横桥向( 近似东西向) 显著得多, 南北方向在1 d 内因温度变化产生的位移约5. 5 cm, 东西方向仅0. 9 cm。0: 00 到6: 00 与晚上10: 00 到凌晨期间, 变形小, 在1 cm 之内,苏通大桥施工变形监测,GPS在苏通大桥施工监测中的应用索塔周日变形白天受阳光照射, 索塔两侧产生不均匀变形导致顶部位移变化剧烈, 9: 00 13: 00 之间平均1 h 位移变化量为1. 2 cm, 13:00 之后, 索塔位移开始变缓, 趋于稳定要确保桥轴线方向钢箱梁的安装精度, 宜选择晚上10: 00 至凌晨6: 00 期间, 在该时间段索塔本身因温度效应产生的变形较小, 对施工有利。,苏通大桥施工变形监测,测量机器人在苏通大桥施工监测中的应用根据苏通大桥现场实际情况，选择主3#墩承台下游侧的施工加密控制点ZDO3一2作为北索塔变形监测的基站，主6#墩承台下游侧的施工加密控制点ZDO6一2作为南索塔变形监测的基站，两个基站距离索塔中心300m左右。分别选择位于江中1#试桩上的5251一1和8#试桩上的528一为两索塔变形监测的基准点，基站和基准点均建有强制对中观测墩，以减小对中误差的影响,苏通大桥施工变形监测,测量机器人在苏通大桥施工监测中的应用监测棱镜单塔面布设于索塔岸侧，并加装保护装置。下塔柱40m高程处有一个断面，中塔柱80m200m高程每20m一个共7个断面，下塔柱和中塔柱每个断面布设4个棱镜(上、下游塔柱各2个);上塔柱220m300m高程每10m一个共9个断面，每个断面布设2个棱镜。每个索塔上共布设棱镜50个，这样不仅可以监测索塔的整体挠度及变形，还可以了解索塔不同高度处的变形情,苏通大桥施工变形监测,测量机器人在苏通大桥施工监测中的应用索塔周日变形,苏通大桥施工变形监测,测量机器人在苏通大桥施工监测中的应用索塔施工期变形分析索塔施工期间，为保证施工质量和安全，对索塔进行长期变形监测观测因基础变位、索塔自重、混凝土收缩、徐变、温差、风力、振动等引起的变形。在索塔及钢箱梁安装施工期间，采用TCAZO03监测索塔、主梁变形，给索塔施工以及钢箱梁安装测量放样定位提供参考数据，并按要求进行相应的实时调整，保证索塔几何形状及空间位置符合设计及规范要求,苏通大桥施工变形监测,测量机器人在苏通大桥施工监测中的应用索塔施工期变形分析当日照、温差、风力引起的振动使索塔或钢箱梁摆幅较大时，根据监理及控制部门要求暂停索塔、钢箱梁安装施工测量作业每天在固定时间段内(太阳未升出之前，以削弱温度效应的影响)对索塔上的监测棱镜进行观测，精确测定索塔的状态，掌握变形规律，每期监测上、下游塔柱上共24个棱镜,苏通大桥施工变形监测,测量机器人在苏通大桥施工监测中的应用索塔施工期变形分析,苏通大桥施工变形监测,测量机器人在苏通大桥施工监测中的应用索塔施工期变形分析在塔柱施工期间，索塔上、下游塔柱在X方向(桥轴线方向)上的位移变化不大，总体上趋于稳定。而Y方向(垂直桥轴线方向)在6月中旬左右开始急剧变化，120m和160m高程处的点变化范围在34cm左右，而后也趋于稳定。,苏通大桥施工变形监测,测量机器人在苏通大桥施工监测中的应用索塔施工期变形分析200m处的点变化较小，约为1cm左右。由现场施工日志可知，北索塔在5月30日开始安装首节钢锚箱，从6月12日开始拆除中塔柱的支撑，14日拆掉了下面的3个支撑，6月21日左右全部拆完。索塔Y方向的实际偏位情况与设计相符合，设计上在索塔拆除支撑后，对不同高程处分别留下了1cm4cm左右的预偏。200m高程处的点由于其接近中上塔柱连接段，所以变化较小。,苏通大桥施工变形监测,测量机器人在苏通大桥施工监测中的应用索塔施工期变形分析200m处的点变化较小，约为1cm左右。由现场施工日志可知，北索塔在5月30日开始安装首节钢锚箱，从6月12日开始拆除中塔柱的支撑，14日拆掉了下面的3个支撑，6月21日左右全部拆完。索塔Y方向的实际偏位情况与设计相符合，设计上在索塔拆除支撑后，对不同高程处分别留下了1cm4cm左右的预偏。200m高程处的点由于其接近中上塔柱连接段，所以变化较小。,苏通大桥施工变形监测,测量机器人在苏通大桥施工监测中的应用索塔周日变形分析针对苏通大桥的结构特点，变形观测时间选在索塔竣工以后，斜拉索挂索之前的施工间隙期间，以研究索塔在无应力状态下的由日照温差作用产生的静态变形，掌握索塔的摆动大小和规律，从而获知索塔在一天中变形最小的时间段，为后续工程施工提供资料,苏通大桥施工变形监测,测量机器人在苏通大桥施工监测中的应用索塔周日变形分析气象条件较好情况，进行24小时全天候观测，并同时记录观测时间、温度以及观测时的风力、风向等，每小时观测一次结合环境量、时间等因素来分析塔柱的变形规律及挠度，从而掌握索塔在日照、温差、风力等外界条件变化影响下的摆动变形规律,苏通大桥施工变形监测,测量机器人在苏通大桥施工监测中的应用索塔周日变形分析监测点分布索塔未竣工，塔顶没有监测点，由于临时墩的遮挡，中塔柱只能观测到下游塔柱上的监测棱镜，选择布设在4#索塔岸侧的部分监测棱镜进行观测。分别选取下游塔柱(中塔柱)120米、140米、 160米三个断面上的3个监测棱镜，上塔柱249米、260米、270米、280米、290米五个断面9个监测棱镜(除249米断面一棱镜损坏外，其它均为两个棱镜)进行观测。,苏通大桥施工变形监测,测量机器人在苏通大桥施工监测中的应用索塔周日变形分析监测时间选择9月21日上午9点一9月22日上午10点气象条件较好的情况下，进行了1昼夜的周日变形观测。其中9月21日上午10:00一12:00太阳时有时无，白天东北风2级左右，夜晚北风3级左右,苏通大桥施工变形监测,测量机器人在苏通大桥施工监测中的应用索塔周日变形分析,苏通大桥施工变形监测,测量机器人在苏通大桥施工监测中的应用索塔周日变形分析,苏通大桥施工变形监测,测量机器人在苏通大桥施工监测中的应用索塔周日变形分析,苏通大桥施工变形监测,苏通大桥主跨合拢测量监控,苏通大桥施工变形监测,苏通大桥主跨合拢测量监控利用GPSRTK测量距离远、不受通视影响、测量精度高、能实时监测的优势，进行钢吊箱的测控工作对比试验，结果表明在桥址区域内，GPSRTK技术平面和高程的测量精度均在士15mm以内，能够满足钢吊箱的测控精度。所以拟定了以GPSRTK技术为主要测量手段，以全站仪、水准仪等常规测量方法为辅助，进行钢吊箱测控工作的基本策略,苏通大桥施工变形监测,苏通大桥主跨合拢测量监控按照钢吊箱的设计