大跨徑鋼桁梁拱橋變形監(jiān)測方案設(shè)計(jì)與精度分析

潘成軍

(重慶市勘測院，重慶 400020)

大跨徑鋼桁梁拱橋變形監(jiān)測方案設(shè)計(jì)與精度分析

潘成軍?

(重慶市勘測院，重慶 400020)

橋梁在運(yùn)營過程中由于受到外部因素破壞及內(nèi)部性能退化等影響，橋梁的安全性、適用性和耐久性都會(huì)降低，為了保證橋梁的安全運(yùn)營，必須對(duì)其進(jìn)行健康監(jiān)測及安全評(píng)估。本文結(jié)合工程實(shí)例詳細(xì)介紹了大跨徑橋梁變形監(jiān)測的基準(zhǔn)網(wǎng)建立、變形點(diǎn)布設(shè)原則和數(shù)據(jù)監(jiān)測，并對(duì)位移和沉降觀測進(jìn)行精度分析等，為同類型橋梁健康安全監(jiān)測和運(yùn)營管理起參考借鑒作用。

變形監(jiān)測；位移；撓度；沉降；精度分析

1 引 言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和交通運(yùn)輸?shù)男枨?，大型橋梁工程的建設(shè)規(guī)模和速度都在快速增長，具有“橋都”美譽(yù)的重慶，在主城區(qū)嘉陵江和長江上規(guī)劃和建設(shè)有十多座大型橋梁，其中的菜園壩長江大橋是重慶主城區(qū)首座大跨徑鋼桁梁拱橋，其主跨跨度居世界系桿拱橋之首。在橋梁的運(yùn)營過程中，由于受到車載、風(fēng)載、溫度、地震等外部因素以及材料性能退化、疲勞效應(yīng)等內(nèi)部因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性都會(huì)降低，甚至造成橋梁結(jié)構(gòu)的破壞引起工程事故。因此，為了橋梁在設(shè)計(jì)年限內(nèi)的安全運(yùn)營，要對(duì)橋梁定期進(jìn)行形變監(jiān)測，并根據(jù)長期的監(jiān)測結(jié)果做出合理的分析和安全預(yù)報(bào)，為橋梁安全使用和養(yǎng)護(hù)管理決策提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

2 項(xiàng)目概況

重慶菜園壩長江大橋是1996年國務(wù)院批準(zhǔn)的重慶市總體規(guī)劃中的主城區(qū)長江上的一座大型橋梁。于2007年10月建成通車，是重慶主城區(qū)首座大跨度拱橋。主橋采用鋼構(gòu)與提籃式鋼箱系桿拱、鋼桁梁的組合結(jié)構(gòu)，系桿拱橋主跨 420 m，大橋全長1 866 m。該橋的實(shí)景如圖1所示。

圖1 菜園壩長江大橋?qū)嵕?/p>

為了掌握菜園壩大橋及立交的運(yùn)營狀況，必須對(duì)大橋及立交進(jìn)行健康監(jiān)測及安全評(píng)估。監(jiān)測從大橋竣工后第一年開始，每年冬季最冷時(shí)進(jìn)行。

3 監(jiān)測方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 基準(zhǔn)網(wǎng)的建立

平面基準(zhǔn)網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)的選埋按照規(guī)范要求并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，在大橋兩岸共埋設(shè)9個(gè)C級(jí)GPS控制點(diǎn)作為變形監(jiān)測平面基準(zhǔn)點(diǎn)。觀測采用Trimble 5800 GPS接收機(jī)進(jìn)行觀測。平面基準(zhǔn)網(wǎng)采用天寶TGO軟件進(jìn)行基線解算，基線精度符合規(guī)范要求后，采用POWERADJ4.0軟件對(duì)GPS獨(dú)立基線向量網(wǎng)進(jìn)行驗(yàn)算，其異步環(huán)閉合差WS、復(fù)測基線較差dS均滿足規(guī)范要求。在橋軸系中:二維坐標(biāo)增量改正數(shù)較差δV△x為1.7 mm，限差為 ±20.1 mm；δV△y為 －3.2 mm，限差為±20.6 mm。表明GPS網(wǎng)平差成果正確可靠。

高程基準(zhǔn)網(wǎng)采用Leica DNA03自動(dòng)補(bǔ)償電子水準(zhǔn)儀配條形碼因瓦尺按二等水準(zhǔn)精度要求進(jìn)行往返高差觀測。各測段觀測高差除進(jìn)行真長改正外，還應(yīng)進(jìn)行正常水準(zhǔn)面不平行改正，其公式如下:

式中:φ為測段兩端點(diǎn)緯度平均值，以度為單位；H為測段兩端點(diǎn)近似高程平均值，以米為單位；△φ為測段兩端點(diǎn)緯度差，以分為單位。

經(jīng)計(jì)算每千米水準(zhǔn)測量的偶然中誤差M△的值為0.05 mm，完全滿足規(guī)范M△＝±1.0 mm的要求。

3.2 變形點(diǎn)的監(jiān)測

(1)水平位移監(jiān)測

大橋橋面受日照、風(fēng)力、溫度及外力作用會(huì)產(chǎn)生不同的水平位移，因此必須對(duì)其進(jìn)行水平位移觀測。考慮到儀器特點(diǎn)及觀測方法的簡便易行，決定采用Leica TCA2003智能型全站儀(測角精度0.5″，測距精度1 mm＋1 ppm)按極坐標(biāo)法進(jìn)行觀測，其觀測點(diǎn)坐標(biāo)中誤差能夠達(dá)到±3.0 mm的精度要求。平面位移觀測點(diǎn)布設(shè)在立交橋面及橋墩上部、主橋拱頂兩側(cè)1/4間距處、主跨橋面上下游1/2間距處。

測量時(shí)將儀器置于基準(zhǔn)站上，后視并檢?；鶞?zhǔn)點(diǎn)，觀測位移點(diǎn)上的棱鏡得到距離和方向角。為提高觀測精度，每次均采用兩測回觀測讀數(shù)和雙極坐標(biāo)法觀測。各項(xiàng)觀測精度滿足要求后進(jìn)行邊長投影改正，采用NASEW測量平差軟件對(duì)位移點(diǎn)在橋軸系下進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算。統(tǒng)計(jì)位移點(diǎn)本期與起零值、前期觀測值的絕對(duì)和相對(duì)位移量，繪制位移矢量圖，分析位移點(diǎn)在監(jiān)測期間的位移變化規(guī)律。圖2所示為大橋主橋部分位移點(diǎn)在橋軸線縱向的位移矢量。

圖2 主橋位移矢量圖

(2)撓度、沉降監(jiān)測

撓度、沉降變化是評(píng)價(jià)橋梁使用功能和安全性的重要指標(biāo)之一。本項(xiàng)目沉降及撓度觀測采用 Leica DNA03電子水準(zhǔn)儀(標(biāo)稱精度為0.3 mm/km)配因瓦標(biāo)尺按二等水準(zhǔn)要求進(jìn)行，其垂直變形平差精度能夠達(dá)到±0.5 mm。監(jiān)測點(diǎn)采用不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)件作為標(biāo)記。起零值往返觀測，以后單向觀測。觀測后進(jìn)行數(shù)據(jù)平差計(jì)算，統(tǒng)計(jì)其絕對(duì)和相對(duì)變形量，繪制變化曲線圖。主橋部分橋面點(diǎn)撓度觀測結(jié)果如表1所示，沉降變化曲線圖如圖3、圖4所示。

主橋部分橋面點(diǎn)撓度觀測結(jié)果(累計(jì)沉降/mm) 表1

ZQN33 94.0 10.8 9.5 ZQN35 73.2 6.8 6.2 ZQN37 44.8 3.0 1.9 ZQN39 20.7 －0.1 －2.0 ZQN41 15.4 －0.4 －2.1 ZQN43 13.4 0.0 －1.8

下游橋面點(diǎn)

圖3 主橋上游撓度變化圖

圖4 主橋下游撓度變化圖

由主橋部分撓度點(diǎn)累計(jì)變化統(tǒng)計(jì)表和變化曲線圖看出，主橋上、下游橋面撓度呈線形變化，趨勢基本一致。

4 變形監(jiān)測精度分析

4.1 平面位移觀測精度分析

采用Leica TCA2003全站儀測量位移點(diǎn)坐標(biāo)，誤差主要包括基準(zhǔn)點(diǎn)本身的點(diǎn)位中誤差、對(duì)中誤差、測距誤差和測角誤差等，由于每次觀測時(shí)都采用同一基準(zhǔn)點(diǎn)，它本身的誤差不影響觀測精度，且觀測時(shí)使用強(qiáng)制歸心觀測墩和強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)件，對(duì)中誤差較小可忽略，故水平位移測量的精度可由下式計(jì)算:

式中:Ms為測距中誤差；Ms＝a＋b×S(a為固定誤差，b為比例誤差，S為測距)；Mβ為測角中誤差，(u為儀器標(biāo)稱精度)；ρ＝206 265。

取基準(zhǔn)點(diǎn)到觀測點(diǎn)的最大觀測距離為700 m，儀器測距標(biāo)稱精度為1 mm＋1 ppm，測角精度為0.5″，代入精度計(jì)算公式，得Mx，y＝±1.7 mm，若采用兩測回，則Mx，y＝±1.2 mm，采用三測回，則Mx，y＝±1.0 mm，可見增加測回?cái)?shù)可以提高觀測精度，測回?cái)?shù)n與各測站平差后一測回方向中誤差的平均值mα和測角中誤差mβ以及導(dǎo)入系統(tǒng)誤差影響系數(shù)λ存在如下函數(shù)表達(dá)式:

從上式推算可知，菜園壩長江大橋變形監(jiān)測項(xiàng)目采用的平面位移觀測方法完全可以滿足《建筑變形測量規(guī)范》中變形測量二級(jí)對(duì)位移觀測點(diǎn)坐標(biāo)中誤差±3.0 mm的要求。

4.2 沉降觀測精度分析

則a點(diǎn)和b點(diǎn)不均勻沉降量的中誤差為:

由于在每周期對(duì)每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的觀測中，均采用同一觀測方案，由同一臺(tái)儀器和同一組人員在外界環(huán)境大致相同的條件下進(jìn)行觀測，故假設(shè):

以菜園壩大橋?yàn)槔?，大橋墩臺(tái)的沉降監(jiān)測點(diǎn)離最遠(yuǎn)高程基準(zhǔn)點(diǎn)的距離不超過1 000 m，二級(jí)精度水準(zhǔn)觀測視線長度≤50 m，也就是每測站的水準(zhǔn)路線長不超過100 m，則由基準(zhǔn)點(diǎn)到監(jiān)測點(diǎn)的測站數(shù)為:

采用標(biāo)稱精度為±0.3 mm/km的Leica DNA03電子水準(zhǔn)儀配條紋碼因瓦尺進(jìn)行觀測，則:

于是每一監(jiān)測點(diǎn)沉降量的中誤差為:

所以，采用每千米觀測高差中誤差為±0.3 mm的精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測，符合《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》上對(duì)儀器的要求，足以把大于±1.0 mm的不均勻沉降量反映出來。

5 結(jié) 語

橋梁變形監(jiān)測可以對(duì)橋梁在使用過程中的變形情況進(jìn)行監(jiān)控，獲得梁體撓度、結(jié)構(gòu)沉降等幾何形變信息，對(duì)橋梁的運(yùn)營管理、科學(xué)養(yǎng)護(hù)和安全預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。本文系統(tǒng)地介紹了變形監(jiān)測方法的選擇及監(jiān)測方案的設(shè)計(jì)等內(nèi)容，并以重慶菜園壩長江大橋?yàn)閷?shí)例介紹了大跨徑鋼桁梁拱橋監(jiān)測的實(shí)施方法和精度分析。

[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范[S].

[2] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督總局頒.國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范[S].

[3] 建設(shè)部.建筑變形測量規(guī)范[S].

[4] 伊?xí)詵|，李保平.變形監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用[M].黃河水利出版社

[5] 賀志勇，盛飛.大跨度橋梁的變形監(jiān)測及精度分析[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)

[6] 賀栓海.橋梁結(jié)構(gòu)理論與計(jì)算方法[M].人民交通出版社

Scheme Design and Accuracy Analysis of the Long－span Truss－steel Beam Arch Bridge Deformation Monitoring

Pan Chengjun
(Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China)

During the bridge operational period，because of the external and inner factors，the safety，applicability and durability of bridge structure will be destroyed.In order to ensure the safe operation of bridges，it is necessary to take health monitoring and safety assessment.Combined with engineering practices，datum network building，layout principle of deformation points，and data monitoring of long－span bridges are described in detail in this paper.Furthermore，the accuracy analysis of displacement and settlement observation is discussed.This paper provides reference function for the health monitoring and operation management of the bridges with the same type.

Deformation Monitoring；Displacement；Deflection；Settlement；Accuracy Analysis

2011—07—14

潘成軍(1979—)，男，工程師，主要從事工程測量和變形監(jiān)測方面的工作。

1672－8262(2012)02－149－03

TU196＋.1

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