大跨度斜拉橋變形觀測的實施方法

覃文柱，符海鷗

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大跨度斜拉橋變形觀測的實施方法

覃文柱，符海鷗

（四川省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，成都 610061）

在橋梁運營期間，由于各種原因，會造成其不同程度的損傷和破壞。為了保證既有橋梁的安全運營和盡可能延長它的正常使用年限，應對其進行實時健康監(jiān)測與安全性評估[1]。介紹了現(xiàn)代大跨度斜拉橋變形產(chǎn)生的原因、監(jiān)測的內(nèi)容、變形監(jiān)測的實施方法，指出利用現(xiàn)代測量儀器和技術(shù)不僅完全可以滿足大跨度橋梁管理部門提出的要求，而且還可以提高測量速度，其測量成果也具有很高的精度。

斜拉橋；健康監(jiān)測；變形監(jiān)測；GPS

大型斜拉橋是近代發(fā)展起來的新型橋梁。這種橋梁的結(jié)構(gòu)特點是跨度大、塔柱高、斜拉段具有柔性特性。在這類橋梁的施工測量中，人們已針對動態(tài)施工測量作了一些研究并取得了一些經(jīng)驗[2]。在竣工通車運營期間，如何針對它們的柔性結(jié)構(gòu)與動態(tài)特性進行監(jiān)測是人們十分關心的另一問題。盡管目前有些橋梁已建立了了解結(jié)構(gòu)內(nèi)部物理量的變化的“橋梁健康系統(tǒng)”，它對于了解橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應力、應變及其變化對于監(jiān)測橋梁安全無疑是十分重要的，但對于全面監(jiān)測與分析橋梁安全尚嫌不夠，還要通過測定它們幾何量的變化，才能更直觀明了地判斷其安全狀態(tài)。因此，采用現(xiàn)代大地測量原理和技術(shù)方法[3]，以及特種精密工程測量技術(shù)測定它們宏觀幾何量的變化顯得十分必要。

1 變形產(chǎn)生的原因

斜拉橋變形產(chǎn)生的原因，一般由以下原因引起[4]: 第一，自然條件及其變化，即橋梁墩臺地基的工程性質(zhì)、水文地質(zhì)、土壤的物理性質(zhì)以及地震等。例如在開挖基礎時，由于去掉地表土，改變了基巖或地基的原始受力狀況，因而產(chǎn)生回彈，即比原始狀況升高；或樁基礎施工完工未加上部荷載；隨著工程的進展，基礎的受力逐漸增加，因而基礎的受力逐漸增加，因而基礎會逐漸下沉；由于基礎基底的地質(zhì)條件不同，會使墩臺產(chǎn)生不均勻的下沉，影響墩臺發(fā)生傾斜和位移；由于溫度和水位季性和周期性變化以及水流方向的變化，橋梁將會產(chǎn)生規(guī)律性變形；由于洪水、流水及在偶然情況下船只的碰撞也會使墩臺發(fā)生傾斜和位移。第二，與橋梁本身相聯(lián)系的原因，即作用在橋梁上部結(jié)構(gòu)靜荷載與作用在墩臺的靜荷載，墩臺、梁、斜拉索的結(jié)構(gòu)形式以及動荷載的作用，斜拉索的斷絲 、銹蝕及錨固松弛等。第三，勘測、設計、施工以及運營管理不善也會引起橋梁的額外變形。

2 變形觀測的內(nèi)容

根據(jù)我國最新頒發(fā)的“公路技術(shù)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，變形觀測的主要內(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、高塔柱擺動觀測；②為了進行上述各項目的測量，還必須建立相應的水平位移基準網(wǎng)與沉陷基準網(wǎng)觀測。上述各觀測內(nèi)容應根據(jù)是否允許中斷交通的要求確定具體的靜態(tài)或動態(tài)觀測方式。

3 全站儀及GPS變形監(jiān)測基本原理

全站儀由電子經(jīng)緯儀，光電測距儀和微處理機組成，它可在測站上同時測角和測距，并能自動計算出待定點的坐標和高程，儀器安置一次便可完成測站上的全部測量工作。特別是最近推出的直接反射型全站儀，無需在測點布設反射棱鏡，對于測定難以企及或者其他儀器不可能測量的點十分適用。RTK定位技術(shù)是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)[5]，它能夠?qū)崟r地提供觀測站在指定坐標系中的三維定位結(jié)果，并達到厘米級精度。在RTK作業(yè)模式下，基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和觀測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結(jié)果。流動站可處于靜止狀態(tài)，也可處于運動狀態(tài)；可在固定點上先進行初始化后再進入動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機，并在動態(tài)環(huán)境下完成整周模糊度的搜索求解（OTF）。在整周未知數(shù)解固定后，即可進行每個歷元的實時處理，只要能保持4顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，流動站就能隨時給出厘米級定位結(jié)果。

4 變形觀測方法與成果精度

4.1 GPS定位系統(tǒng)測量平面基準網(wǎng)

為了滿足變形觀測的技術(shù)要求，考慮到基準網(wǎng)邊長相差懸殊，對基準網(wǎng)提出了邊長相對精度不低于1/12萬、邊長誤差小于±5 mm的雙控精度指標；鑒于工作基點均位于大橋橋面，它們與基準點之間難以全部通視，確定采用GPS定位系統(tǒng)施測[6]。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均安排在夜間作業(yè)，盡可能使其符合靜態(tài)作業(yè)條件以提高觀測精度。

4.2 高程基準網(wǎng)和沉陷觀測

高程基準網(wǎng)與橋面沉陷觀測均按照“國家一、二等水準測量規(guī)范”的二等技術(shù)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(gòu)組成了多個環(huán)線。高程基準網(wǎng)的觀測采用了 Leica NA3000 數(shù)字式水準儀與條紋編碼水準尺，它可以不需人工讀數(shù)，只需照準條紋碼水準尺便可以自動的顯示讀數(shù)，減少了照準誤差和人工讀數(shù)的誤差影響，有利于提高水準測量的精度；橋面沉陷觀測采用了 Ni007 自動安平水準儀；高程基準網(wǎng)中的過江水準測量，采用 2 臺全站儀同時對向觀測的測量方案。

4.3 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用基準線法觀測，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，橋面水平位移觀測采用了類似基準線法原理的坐標法，以直接測定觀測點的橫坐標。根據(jù)對全橋觀測點的結(jié)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. 48 mm，它遠高于橋梁監(jiān)測技術(shù)中的精度要求（±3mm）。

5 結(jié)論

由以上分析可以看到，采用GPS與全站儀對大橋在控制荷載和環(huán)境荷載作用下進行變形監(jiān)測是可行的。隨機激勵法的一個缺點就是輸入能量可能過小，不足以激起感興趣的高階模態(tài) 。此次GPS動態(tài)監(jiān)測時由于過往車輛較少，所引起橋梁結(jié)構(gòu)的振幅只有幾個厘米，但對于嘗試性的試驗，結(jié)果仍基本令人滿意。監(jiān)測過程及結(jié)果表明，這種方法對于普通大橋的變形監(jiān)測十分適用，既有效地降低了監(jiān)測成本，又極大地提高了作業(yè)的靈活性，是一種具有良好應用前景的方法?？梢韵胂?，通過適當增加GPS接收機與全站儀的數(shù)量，在不同測點同時監(jiān)測，可以得到大橋整體結(jié)構(gòu)變形情況，配以適當?shù)能浖蓪Υ髽虻膭討B(tài)變形進行實時顯示。這對反映大橋工作環(huán)境和荷載的變化，進一步分析主要構(gòu)件，例如主懸索纜、縱向主梁等的實際內(nèi)力的分布情況，以及為大橋營運和維修決策者提供大橋超載的警告信息具有重要現(xiàn)實意義。未來基于GPS技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)將是一個集衛(wèi)星定位技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、計算機網(wǎng)絡技術(shù)、自動控制技術(shù)、精密工程測量技術(shù)及現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)等高新技術(shù)的綜合監(jiān)測系統(tǒng)[7]。

[1] 張啟偉．大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測概念與監(jiān)測系統(tǒng)設計[A]．上海:同濟大學出版社．2000,908～913．

[2] WU Dong 2 cai. Construction Survey of Large Cable 2stayedBridge [M] . Beijing : Publishing House of Surveying andMapping ，1996. （in Chinese）

[3] 李青岳．《工程測量學》[M]．測繪出版社，1984．

[4] 賀國宏．橋隧控制測量[M]．北京:人民交通出版社，1999．

[5] 中華人民共和國城鄉(xiāng)建設環(huán)境保護部.《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》（CJJ73-97）[S]. 1997．

[6] 劉正光．人造衛(wèi)星定位系統(tǒng)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應用[J]．廣西交通科技，2003,（ 1）:3．

[7] 李英冰，徐紹銓，張永軍，等．譜分析在GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究[J]．武漢大學學報（信息科學版），2001,（8）：343～348．

Deformation Monitoring of Long-Span Cable-Stayed Bridge

QIN Wen-zhu FU Hai-ou

(Sichuan Institute of Uranium Geological Survey, Chengdu 610061)

This paper discusses deformation causes of modern long-span cable-stayed bridge and its monitoring method of deformation and points out that using modern measuring instruments and technology not only can meet fully needs of the long-span bridges administration, but also can heighten measurement speed and accuracy.

cable-stayed bridge; health monitoring; deformation monitoring; GPS

P642.3

A

1006-0995（2015）01-0093-02

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.01.021

2013-07-08

覃文柱（1982～），男，湖南懷化人，測繪工程師，主要從事測量及其相關工作