第11章橋梁工程變形監(jiān)測(cè)

主要內(nèi)容概述橋梁基礎(chǔ)垂直位移監(jiān)測(cè)橋梁撓度觀測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)的健康診斷11.1概述

目的與意義

橋梁變形觀測(cè)是橋梁運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)的重要內(nèi)容，對(duì)橋梁的健康診斷和安全運(yùn)營(yíng)有著重要的意義。成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別和確認(rèn)，橋梁運(yùn)營(yíng)過程中的損傷檢測(cè)、預(yù)警及適時(shí)維修制度的建立，有助于從根本上消除隱患及避免災(zāi)難性事故的發(fā)生。運(yùn)營(yíng)中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實(shí)驗(yàn)室調(diào)查的補(bǔ)充，而且可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實(shí)的信息。橋梁安全監(jiān)測(cè)帶來的將不僅是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和對(duì)某特定橋梁設(shè)計(jì)的反思，它還可能并應(yīng)該成為橋梁研究的“現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室”。

變形監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容橋梁變形按其類型可分為靜態(tài)變形和動(dòng)態(tài)變形;靜態(tài)變形是指變形觀測(cè)的結(jié)果只表示在某一期間內(nèi)的變形值，它是時(shí)間的函數(shù)。動(dòng)態(tài)變形是指在外力影響下而產(chǎn)生的變形，它是表示橋梁在某個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)變形，是以外力為函數(shù)來表示的對(duì)于時(shí)間的變化。橋梁墩臺(tái)的變形一般來說是靜態(tài)變形，而橋梁結(jié)構(gòu)的撓度變形則是動(dòng)態(tài)變形。

橋梁墩臺(tái)變形觀測(cè)橋梁墩臺(tái)的變形觀測(cè)主要包括兩方面：墩臺(tái)的垂直位移觀測(cè)。主要包括墩臺(tái)特征位置的垂直位移和沿橋軸線方向（或垂直于橋軸線方向）的傾斜觀測(cè)。墩臺(tái)的水平位移觀測(cè)。其中各墩臺(tái)在上、下游的水平位移觀測(cè)稱為橫向位移觀測(cè)；各墩臺(tái)沿橋軸線方向的水平位移觀測(cè)稱為縱向位移觀測(cè)。兩者中，以橫向位移觀測(cè)更為重要。塔柱變形觀測(cè)（1）塔柱頂部水平位移監(jiān)測(cè)；（2）塔柱整體傾斜觀測(cè)；（3）塔柱周日變形觀測(cè)；（4）塔柱體撓度觀測(cè)；（5）塔柱體伸縮量觀測(cè)。橋面撓度觀測(cè)橋面撓度是指橋面沿軸線的垂直位移情況。橋面在外界荷載的作用下將發(fā)生變形，使橋梁的實(shí)際線形與設(shè)計(jì)線形產(chǎn)生差異，從而影響橋梁的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)。過大的橋面線形變化不但影響行車的安全，而且對(duì)橋梁的使用壽命有直接的影響。橋面水平位移觀測(cè)橋面水平位移主要是指垂直于橋軸線方向的水平位移。橋梁水平位移主要由基礎(chǔ)的位移、傾斜以及外界荷載（風(fēng)、日照、車輛等）等引起，對(duì)于大跨徑的斜拉橋和懸索橋，風(fēng)荷載可使橋面產(chǎn)生大幅度的擺動(dòng)，這對(duì)橋梁的安全運(yùn)營(yíng)十分不利。垂直位移監(jiān)測(cè)

精密水準(zhǔn)測(cè)量三角高程測(cè)量液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量壓力測(cè)量法GPS測(cè)量水平位位移監(jiān)監(jiān)測(cè)三角測(cè)測(cè)量法法交會(huì)法法導(dǎo)線測(cè)測(cè)量法法基準(zhǔn)線線法測(cè)小角角法GPS觀測(cè)專用方方法撓度觀觀測(cè)懸錘法法精密水水準(zhǔn)法法全站儀儀觀測(cè)測(cè)法GPS觀測(cè)法法靜力水水準(zhǔn)觀觀測(cè)法法測(cè)斜儀儀觀測(cè)測(cè)法攝影測(cè)測(cè)量法法專用撓撓度儀儀觀測(cè)測(cè)法11.2橋梁基基礎(chǔ)垂垂直位位移監(jiān)監(jiān)測(cè)概述橋梁垂垂直位位移觀觀測(cè)主主要研研究橋橋梁墩墩臺(tái)空空間位位置在在垂直直方向向上的的變化化。觀測(cè)建建筑物物垂直直位移移的方方法有有多種種，如如：精精密水水準(zhǔn)測(cè)測(cè)量、、連通通管測(cè)測(cè)量、、GPS測(cè)量等等;各種方方法都都有其其自身身的特特點(diǎn)，，在實(shí)實(shí)際工工程中中，應(yīng)應(yīng)根據(jù)據(jù)工程程特點(diǎn)點(diǎn)和要要求靈靈活應(yīng)應(yīng)用。。基點(diǎn)網(wǎng)網(wǎng)的布布設(shè)為了觀觀測(cè)墩墩臺(tái)的的垂直直位移移，需需建立立變形形監(jiān)測(cè)測(cè)基點(diǎn)點(diǎn)網(wǎng)，，基點(diǎn)點(diǎn)網(wǎng)由由基準(zhǔn)準(zhǔn)點(diǎn)和和工作作基點(diǎn)點(diǎn)組成成。基準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)應(yīng)盡盡量選選在橋橋梁承承壓區(qū)區(qū)之外外，但但又不不宜離離橋梁梁墩臺(tái)臺(tái)太遠(yuǎn)遠(yuǎn)。基基準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)需成成組埋埋設(shè)，，以便便相互互檢核核。工作基基點(diǎn)一一般選選在橋橋臺(tái)或或其附附近，，以便便于觀觀測(cè)布布設(shè)在在橋梁梁墩臺(tái)臺(tái)上的的觀測(cè)測(cè)點(diǎn)，，測(cè)定定各橋橋墩相相對(duì)于于橋臺(tái)臺(tái)的變變形。。而工工作基基點(diǎn)的的垂直直變形形可由由基準(zhǔn)準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)測(cè)定，，以求求得觀觀測(cè)點(diǎn)點(diǎn)相對(duì)對(duì)于穩(wěn)穩(wěn)定點(diǎn)點(diǎn)的絕絕對(duì)變變形。。觀測(cè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)的的布布設(shè)設(shè)在布布設(shè)設(shè)監(jiān)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)時(shí)時(shí)，，應(yīng)應(yīng)遵遵循循既既要要均均勻勻又又要要有有重重點(diǎn)點(diǎn)的的原原則則。。均均勻勻布布設(shè)設(shè)是是指指在在每每個(gè)個(gè)墩墩臺(tái)臺(tái)上上都都要要布布設(shè)設(shè)觀觀測(cè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)，，以以便便全全面面判判斷斷橋橋梁梁的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性；；重重點(diǎn)點(diǎn)布布設(shè)設(shè)是是指指對(duì)對(duì)那那些些受受力力不不均均勻勻、、地地基基基基礎(chǔ)礎(chǔ)不不良良或或結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的重重要要部部分分，，應(yīng)應(yīng)加加密密觀觀測(cè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)，，主主橋橋橋橋墩墩尤尤應(yīng)應(yīng)如如此此。。主橋橋墩墩臺(tái)臺(tái)上上的的觀觀測(cè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)，，應(yīng)應(yīng)在在墩墩臺(tái)臺(tái)頂頂面面的的上上下下游游兩兩端端的的適適宜宜位位置置處處各各埋埋設(shè)設(shè)一一點(diǎn)點(diǎn)，，以以便便研研究究墩墩臺(tái)臺(tái)的的沉沉降降和和不不均均勻勻沉沉陷陷（（即即傾傾斜斜變變形形））。。垂直直位位移移觀觀測(cè)測(cè)所謂謂垂垂直直位位移移觀觀測(cè)測(cè)，，就就是是定定期期地地測(cè)測(cè)量量布布設(shè)設(shè)在在橋橋墩墩臺(tái)臺(tái)上上的的觀觀測(cè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)相相對(duì)對(duì)于于基基準(zhǔn)準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)的的高高差差，，以以求求得得觀觀測(cè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)的的高高程程，，并并將將不不同同時(shí)時(shí)期期觀觀測(cè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)的的高高程程加加以以比比較較，，得得出出墩墩臺(tái)臺(tái)的的垂垂直直位位移移值值。。監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)的的觀觀測(cè)測(cè)一一般般應(yīng)應(yīng)根根據(jù)據(jù)實(shí)實(shí)際際情情況況布布設(shè)設(shè)成成附附合合路路線線或或閉閉合合路路線線。。觀測(cè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)觀觀測(cè)測(cè)包包括括引引橋橋觀觀測(cè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)觀觀測(cè)測(cè)和和水水中中橋橋墩墩觀觀測(cè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)的的觀觀測(cè)測(cè)。。由由于于引引橋橋觀觀測(cè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)是是在在岸岸上上，，其其施施測(cè)測(cè)方方法法與與一一般般水水準(zhǔn)準(zhǔn)測(cè)測(cè)量量方方法法相相同同。。11.3橋梁梁撓撓度度觀觀測(cè)測(cè)索塔塔撓撓度度觀觀測(cè)測(cè)索塔塔的的撓撓度度是是指指索索塔塔在在高高程程方方向向上上索索塔塔各各點(diǎn)點(diǎn)的的水水平平位位移移分分布布情情況況，，它它包包括括橋橋軸軸線線方方向向的的水水平平位位移移和和垂垂直直于于橋橋軸軸線線方方向向的的水水平平位位移移。。索塔塔產(chǎn)產(chǎn)生生撓撓度度變變形形的的原原因因主主要要有有三三個(gè)個(gè)方方面面：：（1）由由于于索索塔塔兩兩側(cè)側(cè)的的拉拉力力不不等等，，而而使使索索塔塔在在順順橋橋向向產(chǎn)產(chǎn)生生撓撓度度變變形形；；（2）由由于于索索塔塔受受風(fēng)風(fēng)力力、、日日照照等等外外界界環(huán)環(huán)境境因因素素的的影影響響，，而而產(chǎn)產(chǎn)生生撓撓度度變變形形；；（3）由由于于設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)與與施施工工的的不不合合理理性性，，而而使使索索塔塔產(chǎn)產(chǎn)生生額額外外的的變變形形。。索塔塔撓撓度度觀觀測(cè)測(cè)的的目目的的(1)在索索塔塔建建設(shè)設(shè)過過程程中中，，隨隨著著索索塔塔高高度度的的增增加加，，撓撓度度變變形形的的幅幅度度也也急急劇劇增增大大。。只只有有準(zhǔn)準(zhǔn)確確地地掌掌握握索索塔塔擺擺動(dòng)動(dòng)和和扭扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的的規(guī)規(guī)律律，，才才能能有有效效地地指指導(dǎo)導(dǎo)施施工工和和相相應(yīng)應(yīng)的的施施工工測(cè)測(cè)量量工工作作。。(2)在大橋鋼鋼箱梁吊吊裝過程程中，由由于施工工原因，，致使索索塔兩側(cè)側(cè)受力不不平衡，，從而使使索塔在在順橋向向產(chǎn)生一一定的偏偏移。這這種偏移移有時(shí)可可達(dá)幾十十厘米。。為了將將這種變變形限制制在一定定范圍內(nèi)內(nèi)，不致致于使其其危及索索塔安全全，需對(duì)對(duì)此變形形進(jìn)行觀觀測(cè)。(3)為了延長(zhǎng)長(zhǎng)橋梁的的使用壽壽命，驗(yàn)驗(yàn)證工程程設(shè)計(jì)與與施工的的效果，，并為科科學(xué)研究究提供資資料，應(yīng)應(yīng)該對(duì)橋橋梁進(jìn)行行變形觀觀測(cè)。索塔撓度度觀測(cè)常常用方法法交會(huì)法（（測(cè)角、、測(cè)邊、、邊角交交會(huì)）；；全站儀極極坐標(biāo)法法；天頂距測(cè)測(cè)量法；；傾斜儀法法;垂線法。。主梁撓度度觀測(cè)主梁的撓撓度變形形是主梁梁結(jié)構(gòu)狀狀態(tài)改變變最靈敏敏、最精精確的反反映，因因此，對(duì)對(duì)主梁進(jìn)進(jìn)行撓度度監(jiān)測(cè)能能夠更為為準(zhǔn)確地地把握主主梁結(jié)構(gòu)構(gòu)內(nèi)力狀狀態(tài)的改改變。部分的結(jié)結(jié)構(gòu)損傷傷也將導(dǎo)導(dǎo)致主梁梁撓度情情況的異異常，通通過對(duì)主主梁撓度度的監(jiān)測(cè)測(cè)也可識(shí)識(shí)別出這這些損傷傷來。通過撓度度監(jiān)測(cè)可可以達(dá)到到以下目目的：①①修正結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)力力反演的的結(jié)果，，確保內(nèi)內(nèi)力狀態(tài)態(tài)的識(shí)別別精度；；②進(jìn)行行基于剛剛度變化化的損傷傷識(shí)別。。主梁撓度度觀測(cè)的的主要方方法有：：水準(zhǔn)測(cè)測(cè)量法、、全站儀儀測(cè)量法法、專用用撓度儀儀測(cè)量法法、動(dòng)態(tài)態(tài)GPS測(cè)量法、、液體靜靜力水準(zhǔn)準(zhǔn)測(cè)量法法、連通通管測(cè)壓壓法等。。11.4橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)的健康康診斷健康診斷斷理論的的發(fā)展目前，橋橋梁健康康診斷理理論的研研究主要要集中于于結(jié)構(gòu)整整體性評(píng)評(píng)估和損損傷識(shí)別別。結(jié)構(gòu)狀態(tài)態(tài)反演和和損傷識(shí)識(shí)別是健健康診斷斷的核心心。其目的是是建立一一個(gè)與橋橋梁安全全監(jiān)測(cè)系系統(tǒng)適配配的結(jié)構(gòu)構(gòu)狀態(tài)識(shí)識(shí)別系統(tǒng)統(tǒng)，能根根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)監(jiān)測(cè)系系統(tǒng)采集集的數(shù)據(jù)據(jù)與信號(hào)號(hào)，應(yīng)用用結(jié)構(gòu)識(shí)識(shí)別理論論和損傷傷識(shí)別方方法反演演出橋梁梁的工作作狀態(tài)、、或識(shí)別別出可能能的結(jié)構(gòu)構(gòu)損傷及及其程度度。研究?jī)?nèi)容容（1）建立立橋梁結(jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)態(tài)檢測(cè)模模態(tài)參數(shù)數(shù)識(shí)別方方法；（2）建立立基于橋橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)的各種種神經(jīng)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型型和結(jié)構(gòu)構(gòu)分析的的損傷分分級(jí)識(shí)別別策略；；（3）研究究各種結(jié)結(jié)構(gòu)損傷傷參數(shù)識(shí)識(shí)別方法法，優(yōu)選選及改造造合適的的方法應(yīng)應(yīng)用于橋橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)監(jiān)測(cè)和損損傷識(shí)別別；（4）通過過實(shí)體模模型試驗(yàn)驗(yàn)，對(duì)所所選損傷傷識(shí)別方方法及軟軟件進(jìn)行行實(shí)測(cè)對(duì)對(duì)比、驗(yàn)驗(yàn)證、優(yōu)優(yōu)選；（5）通過過結(jié)構(gòu)損損傷檢測(cè)測(cè)分析方方法研究究，建立立結(jié)構(gòu)損損傷報(bào)警警系統(tǒng)，，以便給給橋梁管管理部門門進(jìn)行人人工探傷傷確認(rèn)及及維護(hù)提提供方向向性的指指引。輔助決策策系統(tǒng)的的發(fā)展橋梁輔助助決策系系統(tǒng)可以以使橋梁梁管理維維護(hù)由被被動(dòng)和盲盲目走向向主動(dòng)和和目標(biāo)明明確；在監(jiān)測(cè)系系統(tǒng)和評(píng)評(píng)估系統(tǒng)統(tǒng)的幫助助下，可可以清楚楚的了解解橋梁主主要構(gòu)件件的狀態(tài)態(tài)；在準(zhǔn)確的的橋梁結(jié)結(jié)構(gòu)模型型及其結(jié)結(jié)構(gòu)響應(yīng)應(yīng)模擬分分析的基基礎(chǔ)上，，可以預(yù)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)構(gòu)在各種種可能工工況下的的反應(yīng)、、極限荷荷載和失失效路徑徑；就可以有有針對(duì)性性的對(duì)相相關(guān)橋梁梁構(gòu)件進(jìn)進(jìn)行預(yù)測(cè)測(cè)性或保保護(hù)性的的維護(hù)以以防患未未然。存在的主主要問題題（1）系統(tǒng)統(tǒng)在應(yīng)用用程序模模式上過過于固定定，采用用模塊化化的設(shè)計(jì)計(jì)思想，，程序的的結(jié)構(gòu)和和數(shù)據(jù)流流程是固固定的，，各模塊塊之間的的調(diào)用順順序也是是一成不不變的，，由于當(dāng)當(dāng)代先進(jìn)進(jìn)開發(fā)技技術(shù)不斷斷涌現(xiàn)，，對(duì)橋梁梁安全監(jiān)監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)的要求求也不斷斷的提高高，如果果采用這這種應(yīng)用用模式，，不利于于系統(tǒng)功功能的添添加和更更新。系系統(tǒng)缺乏乏良好的的開放性性和兼容容性。（2）監(jiān)測(cè)測(cè)內(nèi)容不不全面，，不足以以反映橋橋梁的整整體特性性，監(jiān)測(cè)測(cè)系統(tǒng)并并沒有實(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)實(shí)時(shí)的監(jiān)監(jiān)測(cè)，統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)據(jù)不足，，無法系系統(tǒng)的分分析和處處理數(shù)據(jù)據(jù)為輔助助決策系系統(tǒng)服務(wù)務(wù)。（3）橋梁梁監(jiān)測(cè)模模型理論論尚不成成熟，用用于監(jiān)控控橋梁的的模型一一般都借借鑒于大大壩或其其他方面面應(yīng)用比比較成功功的模型型，顯然然不能準(zhǔn)準(zhǔn)確的監(jiān)監(jiān)控橋梁梁的運(yùn)營(yíng)營(yíng)狀態(tài)，，必須根根據(jù)建模模理論和和經(jīng)驗(yàn)，，并結(jié)合合工程實(shí)實(shí)際來確確定真正正適合其其系統(tǒng)本本身的模模型。（4）對(duì)橋橋梁缺損損狀態(tài)的的評(píng)價(jià)缺缺乏統(tǒng)一一有效的的綜合性性指標(biāo)，，難以反反映個(gè)別別構(gòu)件的的缺損及及嚴(yán)重程程度對(duì)整整個(gè)橋梁梁的影響響。（5）結(jié)構(gòu)構(gòu)系統(tǒng)的的復(fù)雜性性，增加加了系統(tǒng)統(tǒng)評(píng)估的的難度。。橋梁是是由多種種材料、、不同結(jié)結(jié)構(gòu)組合合的大型型綜合系系統(tǒng)，系系統(tǒng)中各各個(gè)成分分應(yīng)力狀狀態(tài)易損損性不一一，剛度度、動(dòng)力力特性相相差很大大，很難難用單一一的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)評(píng)判得得到預(yù)期期的效果果。（6）已開開發(fā)的系系統(tǒng)在設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)沒沒有考慮慮到突發(fā)發(fā)事件（（如撞橋橋）時(shí)如如何從監(jiān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)獲得實(shí)實(shí)時(shí)的數(shù)數(shù)據(jù)中迅迅速評(píng)估估結(jié)構(gòu)的的重大損損傷情況況和整體體工作狀狀態(tài)，從從而無法法作出快快速合理理的決策策和響應(yīng)應(yīng)。系統(tǒng)主要要功能（1）異常常測(cè)值檢檢查。利利用異常常值分析析準(zhǔn)則（（時(shí)空評(píng)評(píng)判準(zhǔn)則則、模型型評(píng)判準(zhǔn)準(zhǔn)則、監(jiān)監(jiān)控指標(biāo)標(biāo)評(píng)判準(zhǔn)準(zhǔn)則等））對(duì)實(shí)測(cè)測(cè)值進(jìn)行行檢查。。（2）結(jié)構(gòu)構(gòu)異常成成因分析析。排除除由觀測(cè)測(cè)因素引引起的異異常情況況須進(jìn)行行物理成成因分析析，其中中包括外外因分析析、內(nèi)因因分析，，該分析析過程需需要調(diào)用用結(jié)構(gòu)分分析的計(jì)計(jì)算結(jié)果果。（3）綜合合評(píng)判。。經(jīng)上述述分析還還未得到到結(jié)論時(shí)時(shí)則進(jìn)入入綜合評(píng)評(píng)判處理理，根據(jù)據(jù)能正確確反映橋橋梁安全全運(yùn)行基基本要求求的準(zhǔn)則則，利用用正確的的評(píng)判方方法得出出可用的的評(píng)判結(jié)結(jié)果。（4）結(jié)結(jié)構(gòu)異異常程程度以以及技技術(shù)報(bào)報(bào)警級(jí)級(jí)別的的確定定。當(dāng)當(dāng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)異常常情況況時(shí)，，需確確定異異常程程度并并調(diào)用用輔助助