§13—4橋梁工程變形監(jiān)測一、概述大型橋梁，如斜拉橋、懸索橋自20世紀90年頭初期以來在我國如雨后春筍般的發(fā)展。這種橋梁的結構特點是跨度大、塔柱高,主跨段具有柔性特性。在這類橋梁的施工測量中,人們已針對動態(tài)施工測量作了一些探討并取得了一些閱歷。在竣工通車運營期間,如何針對它們的柔性結構與動態(tài)特性進行監(jiān)測也是人們非常關切的另一問題。盡管目前有些橋梁已建立了了解結構內(nèi)部物理量的改變的“橋梁健康系統(tǒng)”,它對于了解橋梁結構內(nèi)力的改變、分析變形緣由無疑有著非常重要的作用。然而,要真正達到橋梁平安監(jiān)測之目的,了解橋梁的改變狀況,還必需剛好測定它們幾何量的改變及大小。因此,在建立“橋梁健康系統(tǒng)”的同時,探討采納大地測量原理和各種專用的工程測量儀器和方法建立大跨度橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)也是非常必要的。二、變形監(jiān)測內(nèi)容依據(jù)我國最新頒發(fā)的“馬路技術養(yǎng)護規(guī)范”中的有關規(guī)定和要求,以及大跨度橋梁塔柱高、跨度大和主跨梁段為柔性梁的特點,橋梁工程變形監(jiān)觀測的主要內(nèi)容包括:1)橋梁墩臺沉陷觀測、橋面線形與撓度觀測、主梁橫向水平位移觀測、高塔柱搖擺觀測；2)為了進行上述各項目的測量,還必需建立相應的水平位移基準網(wǎng)與沉陷基準網(wǎng)觀測。三、系統(tǒng)布置1）橋墩沉陷與橋面線形觀測點的布置橋墩(臺)沉陷觀測點一般布置在與墩(臺)頂面對應的橋面上；橋面線形與撓度觀測點布置在主梁上。對于大跨度的斜拉段,線形觀測點還與斜拉索錨固著力點位置對應；橋面水平位移觀測點與橋軸線一側的橋面沉陷和線形觀測點共點。2）塔柱搖擺觀測點布置塔柱搖擺觀測點布置在主塔上塔柱的頂部、上橫梁頂面以上約1.5ｍ的上塔柱側壁上,每柱設2點。3）水平位移監(jiān)測基準點布置水平位移觀測基準網(wǎng)應結合橋梁兩岸地形地質(zhì)條件和其他建筑物分布、水平位移觀測點的布置與觀測方法,以及基準網(wǎng)的觀測方法等因素確定,一般分兩級布設,基準網(wǎng)布設在岸上穩(wěn)定的地方并埋設深埋鉆孔樁標記；在橋面用橋墩水平位移觀測點作為工作基點,用它們測定橋面觀測點的水平位移。4）垂直位移監(jiān)測基準網(wǎng)布置為了便于觀測和運用便利,一般將岸上的平面基準網(wǎng)點納入垂直位移基準網(wǎng)中,同時還應在較穩(wěn)定的地方增加深埋水準點作為水準基點,它們是大橋垂直位移監(jiān)測的基準；為統(tǒng)一兩岸的高程系統(tǒng),在兩岸的基準點之間應布置了一條過江水準線路。四、方法與成果精度1）GPS定位系統(tǒng)測量平面基準網(wǎng)為了滿意變形觀測的技術要求,考慮到基準網(wǎng)邊長相差懸殊,對基準網(wǎng)邊長相對精度應達到不低于1/120000和邊長誤差小于±5mm的雙控精度指標；由于工作基點多位于大橋橋面,它們與基準點之間難以全部通視,可采納GPS定位系統(tǒng)施測。為了在觀測期間不中斷交通,且避開車輛通行引起儀器的抖動和干擾GPS接收機的信號接收,對設置在橋面工作基點的觀測時段應支配在夜間作業(yè),盡可能使其符合靜態(tài)作業(yè)條件以提高觀測精度。2）精密水準測量建立高程基準網(wǎng)和沉陷觀測高程基準網(wǎng)與橋面沉陷觀測均依據(jù)“國家一、二等水準測量規(guī)范”的二等技術規(guī)定要求實施。并將垂直位移基準網(wǎng)點、橋面沉陷點、過江水準線路之間構組成多個環(huán)線。高程基準網(wǎng)的觀測采納精密水準儀；高程基準網(wǎng)中的過江水準測量,可采納三角高程測量方法，用2臺精密全站儀同時對向觀測。3）全站儀坐標法觀測橫向水平位移眾所周知,直線型建筑物的水平位移常采納基準線法觀測,它的實質(zhì)測定垂直于基準線方向的偏離值。為充分發(fā)揮現(xiàn)代全站儀的優(yōu)點,橋面水平位移觀測可采納類似基準線法原理的坐標法,以干脆測定觀測點的橫坐標。武漢長江二橋采納該法觀測橫向水平位移，依據(jù)對全橋136個觀測點的結果進行了統(tǒng)計分析,在未顧及視線長度不等對Ｙ坐標的精度影響的條件下,求得Ｙ坐標的精度為±0.48mm,遠高于橋梁監(jiān)測技術中的精度要求(±3mm)。4)智能型全站儀(測量機器人)測定高塔柱的搖擺塔柱搖擺可觀測采納當代最先進的智能型全站儀TCA2003,其標稱精度為0.5″,±(1mm+1×10-6D)。它可以實現(xiàn)自動找尋和精確照準目標,自動測定測站點至目標點的距離、水平方向值和天頂距,計算出3維坐標并記錄在內(nèi)置模塊或計算機內(nèi)。由于它不須要人工照準、讀數(shù)、計算,有利于消退人差的影響、削減記錄計算出錯的幾率,特殊是在夜間也不須要給標記照明。該儀器每次觀測記錄一個目標點不超過7ｓ,每點觀測4測回也僅30ｓ。一周期觀測10個點以內(nèi)一般不會超過5min，其觀測速度之快是人工無法比擬的。武漢長江二橋采納該法測定高塔柱的搖擺，為了評定該法的精度,利用車流量很少的夜間觀測成果進行了統(tǒng)計分析。仿照橋面水平位移觀測的統(tǒng)計分析方法,對視線長度為800ｍ的觀測點,依據(jù)夜間6周期的觀測資料進行了統(tǒng)計分析計算,求得mx=0.034mm、my=0.61mm,它表明該法具有較高的精度,可以滿意塔柱動態(tài)觀測的精度要求。五、成果整理分析觀測成果的整理分析主要包括:每期觀測后計算基準點的坐標、高程及其改變量；橋墩、橋面沉陷觀測點、線形點的高程及改變量；橋面水平位移觀測點的Ｙ坐標及橫向位移。依據(jù)這些變形量繪制了相應的變形曲線。六、南京長江二橋變形監(jiān)測實例1）工程概況南京長江其次大橋是國家“九五”重點建設項目，位于現(xiàn)南京長江大橋下游11公里處，全長21.337公里，由南、北汊大橋和南岸、八卦洲及北岸引線組成。其中：南汊大橋為鋼箱梁斜拉橋，橋長2938米，主跨為628米，該跨徑在建時居同類橋型中“國內(nèi)第一，世界第三”；北汊大橋為鋼筋混凝土預應力連續(xù)箱梁橋，橋長2172米，主跨為3×165米，該跨徑在國內(nèi)亦居領先。全線還設有4座互通立交、4座特大橋、6座大橋。該橋設計標準為雙向六車道高速馬路；設計速度為100公里/小時；設計荷載為汽——超20，掛——120；路基寬33.5米，橋面寬32米（不含斜拉索錨固區(qū)）。全線設有監(jiān)控、通訊、收費、照明、動靜態(tài)稱重等系統(tǒng)，并設有南汊主橋景觀照明，南、北汊橋公園和八卦洲服務區(qū)。為了建立南京長江二橋全線結構物的竣工線型和位置基準，并對南汊大橋、北汊大橋及八卦洲引線（軟土地基）等重要路段、橋墩進行位移監(jiān)測，為今后大橋修理、驗收等工作留下起始數(shù)據(jù)，須要對南京長江二橋進行變形監(jiān)測。2）監(jiān)測內(nèi)容和方法(1)索塔及基礎對索塔主要監(jiān)測塔基礎位移（三維）和塔頂水平改變（二維）。對于南汊大橋，塔基礎位移監(jiān)測點布置在約9m高程面的塔柱上，塔頂水平改變監(jiān)測點布置在塔頂柱體上，上、下游塔柱和塔柱南北側各布置一測點，如圖13-1所示。南北塔共計布置17個監(jiān)測點，其中北塔為9個點；對于北汊大橋，基礎位移監(jiān)測點設在江中22#、23#、24#、25#四個橋墩的墩柱上，每個橋墩的上、下游墩柱各布一個點，共計8個點，點位也設在約9m高程面上，如圖13-2所示。索塔及基礎變位狀況為每三個月觀測一期。測量運用瑞士Leica高精度TC2003全站儀，以三維前方交會法進行角度觀測四測回，觀測方法如圖13-1和圖13-2所示。南、北汊大橋皆以竣工時復原的首級限制網(wǎng)為基準，經(jīng)平差計算獲得三維坐標，為便于塔柱變位方向分析，平差計算采納橋軸坐標系。圖13-1圖13-1南汊大橋索塔變位監(jiān)測點位置及觀測示意圖梁下監(jiān)測點標記塔頂監(jiān)測點水面南塔長江監(jiān)測點標記北塔水面水面監(jiān)測點標記橋面長江橋墩橋墩上游柱橋軸線下游柱橋墩橋墩圖13-2北汊大橋橋墩變位監(jiān)測點位置及觀測示意圖(2)橋面線形（撓度）橋面線形包括橋面標高及橋中線，在南京長江二橋主橋施工期間，南汊大橋和北汊大橋的軸線和標高均限制在±5mm范圍內(nèi),橋面上按肯定的間距設有監(jiān)測點。橋面鋪裝完畢后,觀測點全部遭埋沒。因此，必需重新建立橋面線型監(jiān)觀測點，并做周期性的監(jiān)測。由于南汊大橋和北汊大橋橋軸線均是橋軸坐標系的X軸，且當時施工中的施工限制精度均較高，此外，南京長江二橋首級限制網(wǎng)已得到了全面復原，因此，可以認為南汊大橋和北汊大橋的橋軸線仍是橋軸坐標的X軸。今后修理等工作若需檢測橋軸線，僅需通過首級限制網(wǎng)的限制點即可進行檢查，橋軸線監(jiān)測點可不考慮復原，僅需重新建立標高（撓度）監(jiān)測點。新建的橋面標高監(jiān)測點沿全橋布設，每隔40米設一個點，主橋（鋼箱梁）段點位布在橋梁中心分隔帶護攔上，利用防護攔的鉚釘頭作為觀測標記，共設28個點；引橋為上、下游幅結構，因此，每隔40米上、下游幅各設一個點，點位設在大橋防撞護攔一側路邊上，采納圍棋子做測量標點，用強力膠將其粘貼在路面上，四周用紅色油漆標注。南引橋共布42個點，北引橋共布46個點。測點布設位置示意圖見圖13-3和圖13-4。橋面標高為每三個月觀測一期。觀測采納精密幾何水準測量方法，以二等水準精度和要求進行。水準基點設在兩岸橋下墩臺上。圖13-3南汊大橋橋面撓度監(jiān)測點位置示意圖注：圖13-3南汊大橋橋面撓度監(jiān)測點位置示意圖注：間隔點每隔一個表示監(jiān)測點長江八卦洲北引橋段鋼箱梁段北塔水面南塔南引橋段南引線圖圖13-4北汊大橋橋面撓度監(jiān)測點位置示意圖北引線八卦洲(3)主梁及主塔應力對橋梁施工時施工監(jiān)控設置的應力觀測斷面的觀測點接著進行應力觀測,探討主梁及主塔的應力改變。(4)斜拉索索力對全橋244根斜拉索用頻率法測量斜拉索索力改變狀況。以上觀測項目在交工驗收后第1年內(nèi)每半年觀測1次,以后每年觀測1次。若出現(xiàn)地震、風暴等特殊荷載或結構出現(xiàn)異樣狀況,需增加觀測次數(shù)。3）精度分析（1)全站儀測量的精度分析全站儀測量空間點三維坐標中誤差為:式中符號及意義說明如下:(1)Ｖ代表豎直角觀測值,Ａ為坐標方位角,Ｓ為斜距觀測值,Ｒ為地球半徑,ρ=206265″；(2)MXP，MYP和MHP分別為觀測點ｐ的三維坐標中誤差；(3)MXN，MYN和MHN分別為測站三維坐標中誤差的平面重量和高程重量,包括限制點本身點位中誤差和架設儀器誤差。由于每次觀測時都采納同一測站和后視方向,因此,限制點本身誤差不影響觀測點精度,同時在固定觀測墩上運用強制對中器,儀器對中誤差可限制在0.1mm(4)MS為測距中誤差,由儀器標稱精度確定:MS=a+b·S(ａ為固定誤差,ｂ為比例誤差系數(shù))；(5)MV和MA分別為豎直角和坐標方位角中誤差,因全站儀具有豎軸補償器,故,)MV=MA=Mβ(Mβ為水平角觀測中誤差,,μ為儀器標稱精度)沒；(6)ＭＫ為大氣折光系數(shù)代表性誤差,一般取MK=0.05；(7)Mi為棱鏡對點中誤差,Mr為棱鏡高量測中誤差,因監(jiān)測點棱鏡用強制對中器固定在橋塔頂部,此兩項誤差可忽視不計,故Mi=Mr=0。將上式中平面誤差部分合并得:當取距離最大為500ｍ,豎直角最大為20°,采納測距標稱精度為±(1+1×10-6·Ｓ)mm,測角標稱精度為±1″,補償器精度為±0.3″的全站儀觀測一測回,代入上式計算,可以得出:MXY=±3.71mm,MH=±3.83mm。在實際工程中,全站儀實際觀測精度一般要比標稱精度低,若假定實際測角精度為±2″,測距精度為±(2+2×10-6·Ｓ)mm,補償器精度為±0.3″,觀測一測回,代入上式計算,可以得出:MXY=±7.41mm,MH=±6.82mm,若觀測二測回,則:MXY=±5.24mm,MH2)沉降變形觀測的精度分析假設,和,分別為ｊ點和ｋ點在第ｉ和ｉ-1周期觀測所得的高程中誤差,則ｊ點和ｋ點的沉降量中誤差分別為:于是ｊ點和ｋ點不勻稱沉降量的中誤差為:由于每周期觀測時,均采納同一觀測方案,由同一臺儀器和同一組人員,在外界環(huán)境大致相同的條件下進行觀測,故假設:則有:南京長江二橋塔基礎承臺上的監(jiān)測點距最遠基準點不超過600ｍ,精密水準測量每測站水準路途長一般不超過60ｍ,則由基準點到監(jiān)測點的測站數(shù)為ｎ=600/60=10,所以:式中Ｍ站為每一測站精密水準所測高差的中誤差。采納每公里觀測高差中誤差為±0.3mmＭ站=±0.30ｍｍ×0.06=±0.018mm于是每一監(jiān)測點沉降量的中誤差為:故采納每公里觀測高差中誤差為±0.3ｍｍ的精密水準儀進行觀測,符合《國家一、二等水準測量規(guī)范》上對儀器的要求,足以把大于±1.0ｍｍ的不勻稱沉降量反映出來。4）部分觀測結果及其分析（1）南汊大橋索塔變位觀測結果列于表13-1，從9期的坐標改變量來看，塔頂變位較大，在2002年6月的測量中出現(xiàn)過最大改變量值：X方向（南北向）為+68.0mm（向南），Y方向（東西向）為＋63.7mm（向下游）。這是索塔柱受日照、風力作用所至，屬正常現(xiàn)象。對塔基礎9期監(jiān)測的坐標（X、Y、Z）改變量均在±10.0mm以內(nèi)變動，但也偶發(fā)出現(xiàn)較大的最大改變量，其量值X方向為－11.0mm（向北），Y方向（東西向）為＋21.2mm（向上游），H方向（垂直向）為＋18.0mm（向下），該改變量主要由測量誤差帶來，并非是塔基礎發(fā)生了位移。因為，在對橋墩所采納的前方交會測量方法雖是變形監(jiān)測中常規(guī)和有效的方法，對塔柱觀測所運用的儀器也是目前世界最高精度的測量儀器，但由于所監(jiān)測的點均在江中，人無法干脆到達，另外還存在很多不利因素，如交會角較小、交會距離長、大氣折光和水汽蒸發(fā)等等，這些因素均大大降低了測量精度。以“北塔南向下游梁下”點為例，監(jiān)測點離岸上兩限制點距離分別為1014m和1011m，交會角為16°，依據(jù)誤差理論分析可知，僅觀測誤差就達±12.2mm，若考慮大氣折光等其他因素，測量誤差還將更大些。因此，可以認為南北索塔基礎未出現(xiàn)明顯變位。從對索塔下橫梁上門洞內(nèi)水準點（鋼箱梁吊裝前建立的）聯(lián)測結果(見表2.4)，其差值較小，也可以認為索塔基礎未出現(xiàn)沉降位移。（2）南汊大橋橋面線形（撓度）表13-2為南汊大橋的主橋段（鋼箱梁段）測點高程的各期觀測值。從8期結果比較可以看出，主橋段標高改變在-23.4~+15.2mm之間。綜合8期的觀測結果可以看出，橋梁線形（標高）明顯有季節(jié)性的改變規(guī)律，隨著環(huán)境溫度的改變而升降，這種改變量值在鋼箱梁段尤為明顯，最大處近3cm。將各期觀測結果用Excel圖形顯示橋面線形改變曲線可以看出，南汊橋橋面未產(chǎn)生撓曲改變。表13-1南汊橋索塔變位監(jiān)測數(shù)據(jù)點號位置符號坐標觀測值（m）本期增量（mm）累計增量（mm）第一期（2001．3）第二期（2001．6）第三期（2001．9）第四期（2001．12）第五期（2002．3）第六期（2002．6）第七期（2002．9）第八期（2002．12）第九期（2003．3）NS上上南塔南向上游塔頂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頂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頂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頂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頂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頂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頂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頂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中北塔北向梁下中間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說明：（1）平面坐標采納橋軸坐標系，高程采納黃海高程；（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南汊橋主橋路面標高監(jiān)測數(shù)據(jù)點號高程觀測值（m）本期沉降量（mm）累積沉降量（mm）第一期（2001．6）第二期（2001．9）第三期（2001．12）第四期（2002．3）第五期（2002．6）第六期（2002．9）第七期（2002．12）第八期（2003．3）Z0131.371331.372131.370931.371331.370131.373331.371231.37050.70.8Z0232.465032.467232.465832.464032.461632.465532.463932.46162.33.4Z0333.744233.741733.739433.739133.743833.747333.742033.73813.96.1Z0435.078535.074935.065135.066535.078235.082335.072135.061710.316.8Z0536.426436.422636.411536.411236.426936.428936.418236.404313.922.1Z0637.786037.784437.776037.775337.778337.790537.778737.766212.519.8Z0739.194239.195539.194639.192039.188339.201539.192939.18676.27.5NTX39.017839.019539.019539.021639.021639.021639.021639.02160.0-3.8Z0840.522440.523940.533840.533640.512040.531240.525740.52124.51.2Z0941.676241.678341.696541.696041.658141.682141.679941.67029.66.0Z1042.664642.668842.689542.688042.641942.669042.667742.652914.711.7Z1143.369243.375943.389043.392343.343243.371643.368943.348120.821.1Z1243.909243.920943.931643.932243.882943.911243.907743.879128.630.1Z1344.224944.237244.235944.236744.189144.219344.213544.175038.549.9Z1444.297644.312744.308944.306544.263244.293544.285244.241343.956.3Z