桥梁综合项目工程变形监测专项方案

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年代早期以来在中国如雨后春笋般发展。这种桥梁结构特点是跨度大、塔柱高,主跨段含有柔性特征。在这类桥梁施工测量中,大家已针对动态施工测量作了部分研究并取得了部分经验。在完工通车运行期间,怎样针对它们柔性结构和动态特征进行监测也是大家十分关心另一问题。尽管现在有些桥梁已建立了了解结构内部物理量改变“桥梁健康系统”,它对于了解桥梁结构内力改变、分析变形原因无疑有着十分关键作用。然而,要真正达成桥梁安全监测之目标,了解桥梁改变情况,还必需立即测定它们几何量改变及大小。所以,在建立“桥梁健康系统”同时,研究采取大地测量原理和多种专用工程测量仪器和方法建立大跨度桥梁监测系统也是十分必需。二、变形监测内容依据中国最新颁发“公路技术养护规范”中相关要求和要求,和大跨度桥梁塔柱高、跨度大和主跨梁段为柔性梁特点,桥梁工程变形监观察关键内容包含:1)桥梁墩台沉陷观察、桥面线形和挠度观察、主梁横向水平位移观察、高塔柱摆动观察；2)为了进行上述各项目标测量,还必需建立对应水平位移基准网和沉陷基准网观察。三、系统部署1）桥墩沉陷和桥面线形观察点部署桥墩(台)沉陷观察点通常部署在和墩(台)顶面对应桥面上；桥面线形和挠度观察点部署在主梁上。对于大跨度斜拉段,线形观察点还和斜拉索锚固着力点位置对应；桥面水平位移观察点和桥轴线一侧桥面沉陷和线形观察点共点。2）塔柱摆动观察点部署塔柱摆动观察点部署在主塔上塔柱顶部、上横梁顶面以上约1.5ｍ上塔柱侧壁上,每柱设2点。3）水平位移监测基准点部署水平位移观察基准网应结合桥梁两岸地形地质条件和其它建筑物分布、水平位移观察点部署和观察方法,和基准网观察方法等原因确定,通常分两级布设,基准网布设在岸上稳定地方并埋设深埋钻孔桩标志；在桥面用桥墩水平位移观察点作为工作基点,用它们测定桥面观察点水平位移。4）垂直位移监测基准网部署为了便于观察和使用方便,通常将岸上平面基准网点纳入垂直位移基准网中,同时还应在较稳定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基准；为统一两岸高程系统,在两岸基准点之间应部署了一条过江水准线路。四、方法和结果精度1）GPS定位系统测量平面基准网为了满足变形观察技术要求,考虑到基准网边长相差悬殊,对基准网边长相对精度应达成不低于1/10和边长误差小于±5mm双控精度指标；因为工作基点多在大桥桥面,它们和基准点之间难以全部通视,可采取GPS定位系统施测。为了在观察期间不中止交通,且避开车辆通行引发仪器抖动和干扰GPS接收机信号接收,对设置在桥面工作基点观察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升观察精度。2）精密水准测量建立高程基准网和沉陷观察高程基准网和桥面沉陷观察均根据“国家一、二等水准测量规范”二等技术要求要求实施。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。高程基准网观察采取精密水准仪；高程基准网中过江水准测量,可采取三角高程测量方法，用2台精密全站仪同时对向观察。3）全站仪坐标法观察横向水平位移众所周知,直线型建筑物水平位移常采取基准线法观察,它实质测定垂直于基准线方向偏离值。为充足发挥现代全站仪优点,桥面水平位移观察可采取类似基准线法原理坐标法,以直接测定观察点横坐标。武汉长江二桥采取该法观察横向水平位移，依据对全桥136个观察点结果进行了统计分析,在未顾及视线长度不等对Ｙ坐标精度影响条件下,求得Ｙ坐标精度为±0.48mm,远高于桥梁监测技术中精度要求(±3mm)。4)智能型全站仪(测量机器人)测定高塔柱摆动塔柱摆动可观察采取现代最优异智能型全站仪TCA,其标称精度为0.5″,±(1mm+1×10-6D)。它能够实现自动寻求和正确照准目标,自动测定测站点至目标点距离、水平方向值和天顶距,计算出3维坐标并统计在内置模块或计算机内。因为它不需要人工照准、读数、计算,有利于消除人差影响、降低统计计算犯错几率,尤其是在夜间也不需要给标志照明。该仪器每次观察统计一个目标点不超出7ｓ,每点观察4测回也仅30ｓ。一周期观察10个点以内通常不会超出5min，其观察速度之快是人工无法比拟。武汉长江二桥采取该法测定高塔柱摆动，为了评定该法精度,利用车流量极少夜间观察结果进行了统计分析。仿照桥面水平位移观察统计分析方法,对视线长度为800ｍ观察点,依据夜间6周期观察资料进行了统计分析计算,求得mx=0.034mm、my=0.61mm,它表明该法含有较高精度,能够满足塔柱动态观察精度要求。五、结果整理分析观察结果整理分析关键包含:每期观察后计算基准点坐标、高程及其改变量；桥墩、桥面沉陷观察点、线形点高程及改变量；桥面水平位移观察点Ｙ坐标及横向位移。依据这些变形量绘制了对应变形曲线。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”关键建设项目，在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“中国第一，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，该跨径在中国亦居领先。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完工线型和位置基准，并对南汊大桥、北汊大桥及八卦洲引线（软土地基）等关键路段、桥墩进行位移监测，为以后大桥维修、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)索塔及基础对索塔关键监测塔基础位移（三维）和塔顶水平改变（二维）。对于南汊大桥，塔基础位移监测点部署在约9m高程面塔柱上，塔顶水平改变监测点部署在塔顶柱体上，上、下游塔柱和塔柱南北侧各部署一测点，图13-1所表示。南北塔累计部署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#四个桥墩墩柱上，每个桥墩上、下游墩柱各布一个点，累计8个点，点位也设在约9m高程面上，图13-2所表示。索塔及基础变位情况为每三个月观察一期。测量使用瑞士Leica高精度TC全站仪，以三维前方交会法进行角度观察四测回，观察方法图13-1和图13-2所表示。南、北汊大桥皆以完工时恢复首级控制网为基准，经平差计算取得三维坐标，为便于塔柱变位方向分析，平差计算采取桥轴坐标系。图13-1图13-1南汊大桥索塔变位监测点位置及观察示意图梁下监测点标志塔顶监测点水面南塔长江监测点标志北塔水面水面监测点标志桥面长江桥墩桥墩上游柱桥轴线下游柱桥墩桥墩图13-2北汊大桥桥墩变位监测点位置及观察示意图(2)桥面线形（挠度）桥面线形包含桥面标高及桥中线，在南京长江二桥主桥施工期间，南汊大桥和北汊大桥轴线和标高均控制在±5mm范围内,桥面上按一定间距设有监测点。桥面铺装完成后,观察点全部遭埋没。所以，必需重新建立桥面线型监观察点，并做周期性监测。因为南汊大桥和北汊大桥桥轴线均是桥轴坐标系X轴，且当初施工中施工控制精度均较高，另外，南京长江二桥首级控制网已得到了全方面恢复，所以，能够认为南汊大桥和北汊大桥桥轴线仍是桥轴坐标X轴。以后维修等工作若需检测桥轴线，仅需经过首级控制网控制点即可进行检验，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，利用防护拦铆钉头作为观察标志，共设28个点；引桥为上、下游幅结构，所以，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，采取围棋子做测量标点，用强力胶将其粘贴在路面上，四面用红色油漆标注。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察一期。观察采取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。图13-3南汊大桥桥面挠度监测点位置示意图注：图13-3南汊大桥桥面挠度监测点位置示意图注：间隔点每隔一个表示监测点长江八卦洲北引桥段钢箱梁段北塔水面南塔南引桥段南引线图图13-4北汊大桥桥面挠度监测点位置示意图北引线八卦洲(3)主梁及主塔应力对桥梁施工时施工监控设置应力观察断面观察点继续进行应力观察,研究主梁及主塔应力改变。(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改变情况。以上观察项目在交工验收后第1年内每六个月观察1次,以后每十二个月观察1次。若出现地震、风暴等特殊荷载或结构出现异常情况,需增加观察次数。3）精度分析（1)全站仪测量精度分析全站仪测量空间点三维坐标中误差为:式中符号及意义说明以下:(1)Ｖ代表竖直角观察值,Ａ为坐标方位角,Ｓ为斜距观察值,Ｒ为地球半径,ρ=206265″；(2)MXP，MYP和MHP分别为观察点ｐ三维坐标中误差；(3)MXN，MYN和MHN分别为测站三维坐标中误差平面分量和高程分量,包含控制点本身点位中误差和架设仪器误差。因为每次观察时全部采取同一测站和后视方向,所以,控制点本身误差不影响观察点精度,同时在固定观察墩上使用强制对中器,仪器对中误差可控制在0.1mm(4)MS为测距中误差,由仪器标称精度确定:MS=a+b·S(ａ为固定误差,ｂ为百分比误差系数)；(5)MV和MA分别为竖直角和坐标方位角中误差,因全站仪含有竖轴赔偿器,故,)MV=MA=Mβ(Mβ为水平角观察中误差,,μ为仪器标称精度)没；(6)ＭＫ为大气折光系数代表性误差,通常取MK=0.05；(7)Mi为棱镜对点中误差,Mr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Mi=Mr=0。将上式中平面误差部分合并得:当取距离最大为500ｍ,竖直角最大为20°,采取测距标称精度为±(1+1×10-6·Ｓ)mm,测角标称精度为±1″,赔偿器精度为±0.3″全站仪观察一测回,代入上式计算,能够得出:MXY=±3.71mm,MH=±3.83mm。在实际工程中,全站仪实际观察精度通常要比标称精度低,若假定实际测角精度为±2″,测距精度为±(2+2×10-6·Ｓ)mm,赔偿器精度为±0.3″,观察一测回,代入上式计算,能够得出:MXY=±7.41mm,MH=±6.82mm,若观察二测回,则:MXY=±5.24mm,MH2)沉降变形观察精度分析假设,和,分别为ｊ点和ｋ点在第ｉ和ｉ-1周期观察所得高程中误差,则ｊ点和ｋ点沉降量中误差分别为:于是ｊ点和ｋ点不均匀沉降量中误差为:因为每七天期观察时,均采取同一观察方案,由同一台仪器和同一组人员,在外界环境大致相同条件下进行观察,故假设:则有:南京长江二桥塔基础承台上监测点距最远基准点不超出600ｍ,精密水准测量每测站水准路线长通常不超出60ｍ,则由基准点到监测点测站数为ｎ=600/60=10,所以:式中Ｍ站为每一测站精密水准所测高差中误差。采取每公里观察高差中误差为±0.3mmＭ站=±0.30ｍｍ×0.06=±0.018mm于是每一监测点沉降量中误差为:故采取每公里观察高差中误差为±0.3ｍｍ精密水准仪进行观察,符合《国家一、二等水准测量规范》上对仪器要求,足以把大于±1.0ｍｍ不均匀沉降量反应出来。4）部分观察结果及其分析（1）南汊大桥索塔变位观察结果列于表13-1，从9期坐标改变量来看，塔顶变位较大，在6月测量中出现过最大改变量值：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期监测坐标（X、Y、Z）改变量均在±10.0mm以内变动，但也偶发出现较大最大改变量，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），该改变量关键由测量误差带来，并非是塔基础发生了位移。因为，在对桥墩所采取前方交会测量方法虽是变形监测中常规和有效方法，对塔柱观察所使用仪器也是现在世界最高精度测量仪器，但因为所监测点均在江中，人无法直接抵达，另外还存在很多不利原因，如交会角较小、交会距离长、大气折光和水汽蒸发等等，这些原因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°，依据误差理论分析可知，仅观察误差就达±12.2mm，若考虑大气折光等其它原因，测量误差还将更大些。所以，能够认为南北索塔基础未出现显著变位。从对索塔下横梁上门洞内水准点（钢箱梁吊装前建立）联测结果(见表2.4)，其差值较小，也能够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为南汊大桥主桥段（钢箱梁段）测点高程各期观察值。从8期结果比较能够看出，主桥段标高改变在-23.4~+15.2mm之间。综合8期观察结果能够看出，桥梁线形（标高）显著有季节性改变规律，伴随环境温度改变而升降，这种改变量值在钢箱梁段尤为显著，最大处近3cm。将各期观察结果用Excel图形显示桥面线形改变曲线能够看出，南汊桥桥面未产生挠曲改变。表13-1南汊桥索塔变位监测数据点号位置符号坐标观测值（m）本期增量（mm）累计增量（mm）第一期（．3）第二期（．6）第三期（．9）第四期（．12）第五期（．3）第六期（．6）第七期（．9）第八期（．12）第九期（．3）NS上上南塔南向上游塔顶X7465.61447465.57107465.57107465.57107465.65297465.54957465.59117465.62207465.585836.328.6Y2997.15012997.13022997.13022997.13022997.12072997.11222997.12102997.12092997.11654.333.6NS下上南塔南向下游塔顶X7465.61457465.64737465.64737465.64737465.64737465.54657465.61377465.63057465.588542.026.0Y3003.01343003.00433003.00433003.00433003.00433002.99713003.00193003.00313003.00013.013.3NS上下南塔南向上游梁下X7464.86287464.86597464.86007464.86147464.86207464.85627464.85997464.86097464.85862.44.2Y2986.84262986.83482986.83802986.83452986.83162986.82952986.83192986.83172986.83061.112.0H13.996513.990113.991413.990513.990514.000113.993713.992113.9961-4.00.4NS下下南塔南向下游梁下X7464.86977464.87317464.86607464.86887464.86737464.85667464.86427464.86587464.86124.68.5Y3013.18333013.17903013.17703013.16453013.16163013.16203013.16273013.16223013.16210.121.2H14.133614.137514.134414.133614.135114.148214.155614.145414.1518-6.7-18.2NN上上南塔北向上游塔顶X7473.12047473.11197473.14077473.17597473.15807473.13097473.15497473.15657473.143712.8-23.3Y2996.98792996.99482996.99992996.98892996.96952996.96432996.97422996.97192996.96813.819.8NN下上南塔北向下游塔顶X7473.11287473.10647473.14387473.16907473.17987473.15797473.16897473.17447473.16618.2-53.3Y3002.80383002.80693002.81853002.81013002.76673002.75613002.77763002.77223002.76418.039.7NN上下南塔北向上游梁下X7474.43617474.44217474.44127474.44037474.44387474.44387474.44267474.44327474.4435-0.3-7.4Y2986.93282986.93912986.93992986.92952986.92172986.92172986.92432986.92302986.92240.610.5H13.930413.921513.928113.929213.930613.930613.930113.930413.9305-0.1-0.1NN下下南塔北向下游梁下X7474.42917474.43427474.43427474.44067474.43967474.43967474.43997474.43987474.43970.1-10.6Y3013.11803013.12603013.12603013.11263013.11033013.11033013.11113013.11073013.11050.27.5H14.056114.053014.053014.046914.050314.050314.049214.049714.0500-0.36.1BS上上北塔南向上游塔顶X8094.14088094.15248094.16938094.16938094.16438094.14408094.15928094.16188094.15298.9-12.1Y2996.54722996.53002996.51112996.51112996.49642996.49432996.50062996.49852996.49642.150.8BS下上北塔南向下游塔顶X8094.09888094.15088094.15348094.17128094.13968094.05938094.12348094.13158094.095436.13.4Y3003.27753003.25973003.24113003.24993003.22503003.22243003.23243003.22873003.22563.251.9BS上下北塔南向上游梁下X8092.87168092.86208092.86498092.87228092.87238092.86618092.87028092.87138092.86872.62.9Y2986.78152986.77612986.77732986.77822986.78122986.77452986.77802986.77962986.77702.54.5H13.850313.858213.855313.859213.857313.844013.853513.855413.84975.70.6BS下下北塔南向下游梁下X8092.89348092.88198092.89028092.89148092.90048092.89078092.89428092.89738092.89403.3-0.6Y3013.21373013.20503013.20753013.20523013.21283013.21173013.20993013.21143013.2115-0.22.2H13.999214.012414.000014.002013.999613.996213.999313.999413.99781.61.4BN上上北塔北向上游塔顶X8101.67208101.68488101.66908101.61358101.62308101.72068101.65248101.63778101.6791-41.5-7.1Y2996.65872996.63912996.62522996.62322996.59852996.59502996.60562996.60202996.59853.560.2BN下上北塔北向下游塔顶X8101.67108101.67108101.68828101.68828101.62008101.71838101.67558101.64788101.6830-35.3-12.0Y3003.31313003.31313003.29963003.29963003.28733003.28733003.29143003.28943003.28831.024.8BN上下北塔北向上游梁下XYHBN下下北塔北向下游梁下XYHBN中北塔北向梁下中间X8101.32938101.32898101.32698101.32518101.32188101.33778101.32828101.32508101.3314-6.4-2.1Y2998.32472998.31922998.32432998.31722998.31472998.31272998.31492998.31482998.31371.011.0H33.965433.968633.979733.964933.965133.963533.964533.964833.96420.71.2说明：（1）平面坐标采取桥轴坐标系，高程采取黄海高程；（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；（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点号高程观测值（m）本期沉降量（mm）累积沉降量（mm）第一期（．6）第二期（．9）第三期（．12）第四期（．3）第五期（．6）第六期（．9）第七期（．12）第八期（．3）Z0131.371331.372131.370931.371331.370131.373331.371231.37050.70.8Z0232.465032.467232.465832.464032.461632.465532.463932.46162.33.4Z0333.744233.741733.739433.739133.743833.747333.742033.73813.96.1Z0435.078535.074935.065135.066535.078235.082335.072135.061710.316.8Z0536.426436.422636.411536.411236.426936.428936.418236.404313.922.1Z0637.786037.784437.776037.775337.778337.790537.778737.766212.519.8Z0739.194239.195539.194639.192039.188339.39.192939.18676.27.5NTX39.017839.019539.019539.021639.021639.021639.021639.02160.0-3.8Z0840.522440.523940.533840.533640.512040.531240.525740.52124.51.2Z0941.676241.678341.696541.696041.658141.682141.679941.67029.66.0Z1042.664642.668842.689542.688042.641942.669042.667742.652914.711.7Z1143.369243.375943.389043.392343.343243.371643.368943.348120.821.1Z1243.909243.920943.931643.932243.882943.911243.907743.879128.630.1Z1344.224944.237244.235944.236744.189144.219344.213544.175038.549.9Z1444.297644.312744.308944.306544.263244.293544.285244.241343.956.3Z1544.307944.3222