大跨度斜拉桥变形监测研究

1、现代大跨度斜拉桥变形监测研究吴弘 11101020013（长沙理工大学 交通运输工程学院 湖南长沙）摘要：随着大跨度桥梁的大量建设，桥梁结构安全受到前所未有的重视。大跨度斜拉桥的长度与跨径较大，具有较好的跨越能力，方便通航，但大型桥梁事故容易造成重大生命和财产损失。在介绍现代大跨度桥梁变形监测的内容、变形监测的方案与资料分析的同时，结合对某跨越长江的斜拉桥的监测实践，指出利用现代测量仪器和技术，如 GPS 定位系统、测量机器人等不仅完全可以满足大跨度桥梁管理部门提出的要求，而且还可以提高测量速度，其测量成果也具有很高的精度。关键词：斜拉桥；动态特性；变形监测；监测体系1 概述大型斜拉桥是近代发

2、展起来的新型桥梁，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，斜拉段具有柔性特性。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

3、大跨度桥梁的监测系统也是十分必要的。本文结合已通车运营的某长江大桥进行变形监测的实践介绍了相应的变形监测系统。2 变形机理与监测内容桥梁产生变形的原因，归结起来有以下几类：（1）自然条件及其变化，即桥墩台地基的工程地质、水文地质、土壤物理性质、大气温度、水位变化及地震等。（2）与桥梁本身相联系的原因，动荷载和风力等。车辆动荷载和人群动荷载，本质上是强迫共振现象，桥梁结构振动影响桥面行车的舒适与安全，加大振动变形，甚至使桥梁完全破坏；洪水、船舶、水中悬浮物、北方河中浮冰等等，都可能对桥墩产生撞击，而使桥梁产生局部变形。桥梁变形可分为静态变形和动态变形。静态变形通常是指变形监测的结果在某一周期的变

4、形值，也就是说，它只是时间的函数。动态变形是指在外力影响下产生的变形，它是以外力为函数，表示动态系统对于时间的变化，其监测结果表示桥梁在某时刻的瞬时变形。桥梁结构在荷载和环境因素作用下产生的变形分成两类：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，在所有监测项目中，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，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、方向揭示桥梁老化(或缺陷)部位和性质。桥梁工程监测分为施工

5、监测和运营监测。大跨度桥梁监测是桥梁施工和运营的重要组成部分，不论何种类型的桥梁，其施工监测一般包括几何参数监测，主要为桥梁上部结构的扰度、线形、倾斜及下部结构的位移、沉降变形监测等，结构物理参数监测包括桥梁各部分的应力、应变、徐变、混凝土温度等参数的监测，环境参数监测包括有风力、风向、温度、地震、交通荷载等因素监测。对斜拉桥索塔的变形监测, 现行城市桥梁养护技术规范只要求对斜拉桥的墩、台身及索塔的沉降量进行监测，而现行公路桥涵养护规范则不仅要求对墩、台身及索塔的高程进行监测，而且还要求监测墩、台身及索塔的倾斜度。考虑到特大型、大型桥梁的重要性，不管是公路桥梁还是城市桥梁，在控制检测中一般要求

6、检测墩、台身及索塔高程和倾斜度。3 变形观测系统的布置3. 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。3. 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. 5 m 的上塔柱侧壁上, 每柱两点。3. 3 水平位移监测桥面水平位移主要是指垂直于桥轴线方向的水平位移。主要由基础位移、倾斜及外界荷载(风、日照、车辆等)等引起，对大跨径斜拉桥和悬索桥，风荷载可使

7、桥面产生大幅度摆动，对桥梁安全运营十分不利。测定水平位移的方法与桥梁形状有关：直线形桥梁，一般采用基准线法、测小角法等；曲线桥梁，一般采用三角测量法、交会法、导线测量法等。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，水平位移观测基准网分两极布设，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。3. 4 垂直位移监测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

8、一两岸的高程系统，在两岸的基准点之间还布置了一条过江水准线路。定期测量桥墩台或基础高程，计算墩台垂直位移。引桥监测点和水中桥墩监测点，根据实际情况布设成附合路线或闭合路线。引桥监测点在岸上，其施测方法与一般水准测量方法相同；水中监测点从一个墩到另一个墩的监测，可采用跨河水准测量，或跨墩水准测量。即把仪器设站于一墩上，监测后、前视两相邻桥墩，形成跨墩水准测量，考虑其照准误差、大气折光误差等，必须采取措施提高监测精度。垂直位移监测方法主要：精密水准测量；三角高程测量；液体静力水准测量(又称连通管测量)；压力测量法；GPS测量。3.5 挠度监测主梁挠度变形是主梁结构状态改变最灵敏、最精确的反映，桥梁

9、挠度测量是桥梁检测的重要组成部分，桥梁建成后，桥梁承受静荷载和动荷载，必然会产生挠曲变形，因此，对主梁进行挠度监测，准确掌握主梁结构内力状态，此外，结构损伤也将导致主梁挠度异常，通过对主梁挠度的监测可判别这些损伤。主梁挠度监测的主要方法有：水准测量法、全站仪测量法、专用挠度仪测量法、动态GPS测量法、液体静力水准测量法、连通管测压法等。前3种方法一般需封闭桥梁才能监测，且测量时间较长，不利于桥梁运行管理；液体静力水准测量对测点高差要求较高，测量精度高，但测程较小，限制了该法的应用。因此，目前大型桥梁长期挠度监测主要采用动态GPS测量（RTK）和连通管测压两种方法。4 变形观测方法与成果精度4.

10、 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，对基准网提出了边长相对精度不低于1/ 12 万、边长误差小于 5 mm的双控精度指标；鉴于工作基点均位于大桥桥面，它们与基准点之间难以全部通视，确定采用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均安排在夜间作业。尽可能使其符合静态作业条件以提高观测精度。4. 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、

11、过江水准线路之间构组成了多个环线。高程基准网的观测采用了Leica NA3000 数字式水准仪与条纹编码水准尺，它可以不需人工读数，只需照准条纹码水准尺便可以自动的显示读数，减少了照准误差和人工读数的误差影响，有利于提高水准测量的精度；桥面沉陷观测采用了Ni007 自动安平水准仪；高程基准网中的过江水准测量，采用2 台全站仪同时对向观测的测量方案。4. 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，桥面水平位移观测采用了类似基准线法原理的坐标法，以直接测定观测点的横坐标。根据对全桥136

12、 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. 48 mm，它远高于桥梁监测技术中的精度要求(3mm) 。4. 4 智能型全站仪( 测量机器人) 测定高塔柱的摆动塔柱摆动观测采用当代最先进的智能型全站仪TCA1800，其标称精度为，( 2 mm+ 2) 。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7 s，每

13、点观测4 测回也仅30 s。一周期观测9 个点( 一个后视定向点、8 个观测点) 不超过5 min。其观测速度之快是人工无法比拟的。塔柱摆动观测的周期视车流量的大小而定。在白天车流量较大时两周期间隔仅5 min；而在夜间车流量小的时间段，两周期的最长间隔达1 h。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800 m 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= 0.034 mm、= 0. 61 mm, 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。5 结论与建议（1）桥梁的安全和健康状态主要

14、表症为结构的变形，运营期外部监测是对大跨度斜拉桥的实际健康状态的监测，内部监测系统是寻找桥梁健康问题重要手段。因此，通过外部变形监测可以进一步地建立健全斜拉桥的出生与成长的健康状况档案，为大型桥梁工程建设管理积累经验、收集资料，总结出实用的技术成果。（2）了解桥梁结构内部的应力、应变及其变化对于监视桥梁安全无疑是十分重要的，但对于全面监视与分析桥梁安全是不够的，只有通过测定它们几何量的变化，使之更直观、更明了地判断其安全状态更是十分必要的。因此，采用现代大地测量原理和技术、方法，以及特种精密工程测量技术测定它们几何量的变化就显得更有必要。（3）本桥变形监测中，尽管采用了现代测绘的最新技术和仪器，包括GPS 全球定位系统、测量机器人( 智能型全站仪) 、数字式水准仪等，它们对测定和了解高塔柱的动态变形规律起着相当重要的作用。但我们认为与信息化的时代要求相比，要使该系统达到自动化和实时显示的目的尚有一段差距。我们也相信：只要在加大资金投入的基础上，建立整套自动化的实时大跨度斜拉桥的安全监测系统是很快可以实现的。参考文献1 马真安；浅谈桥梁施工和运营期的变形监测 J ；城市道路与防洪，2