變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

史宗信

【摘要】隨著我國橋梁建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)和形勢(shì)日趨復(fù)雜，規(guī)模也越來越大，橋梁的施工正朝著超大化的方向發(fā)展，對(duì)其進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)也就顯得尤為重要。本文進(jìn)一步分析了變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，以供同仁參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】橋梁檢測(cè)；變形監(jiān)測(cè)；技術(shù)應(yīng)用

引文：橋梁的變形監(jiān)測(cè)是對(duì)橋梁整體性能的監(jiān)測(cè)，其基于工程測(cè)量的原理、技術(shù)和精密測(cè)量儀器，對(duì)橋梁在垂直方向和水平方向的位移變形進(jìn)行定期或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，并通過繪制相應(yīng)的位移變形影響線或影響面來監(jiān)測(cè)橋梁各部位位移的變形狀態(tài)，預(yù)測(cè)其變形規(guī)律，為橋梁的維修、養(yǎng)護(hù)和管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

一、 橋梁變形監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容及其原理

根據(jù)橋梁的變形性質(zhì)，將橋梁變形監(jiān)測(cè)分為：

（1）橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)。墩臺(tái)在地基環(huán)境和水流沖刷的影響下會(huì)發(fā)生沉降變形及水平位移，以沉降監(jiān)測(cè)為主。

（2）橋梁主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。包括橋面垂直位移監(jiān)測(cè)、橋面水平位移監(jiān)測(cè)、橋面撓度監(jiān)測(cè)及斜拉橋塔柱的水平位移監(jiān)測(cè)、整體傾斜監(jiān)測(cè)、撓度監(jiān)測(cè)、伸縮量監(jiān)測(cè)等。橋面變形主要由橋墩的位移、傾斜及外界荷載等引起，直接影響過橋行車的安全，對(duì)橋梁的安全營運(yùn)十分重要；塔柱主要通過斜拉索支撐主體的荷載，變形主要由外界荷載產(chǎn)生，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握塔柱的變形狀況對(duì)評(píng)判斜拉橋的安全狀態(tài)十分重要。

（3）為完成上述監(jiān)測(cè)，需建立相應(yīng)的基礎(chǔ)控制網(wǎng)，保證橋梁變形監(jiān)測(cè)的精度。

根據(jù)不同的測(cè)量要求和規(guī)范，橋梁變形測(cè)量的等級(jí)及精度要求也各不相同。在實(shí)際的工程監(jiān)測(cè)中，需要根據(jù)不同的規(guī)范要求實(shí)施監(jiān)測(cè)。

（1）橋面沉降監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)橋梁在垂直方向上的變形。在沉降觀測(cè)中，需要始終遵循“五定原則”，即基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)、觀測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位要穩(wěn)定；所用儀器、設(shè)備要穩(wěn)定；觀測(cè)人員要穩(wěn)定；觀測(cè)環(huán)境條件要一致；觀測(cè)路線、鏡位、程序和方法要固定。橋面沉降監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括：沉降觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)及網(wǎng)的測(cè)量、沉降監(jiān)測(cè)、跨河橋沉降觀測(cè)等。沉降觀測(cè)網(wǎng)一般采用閉合水準(zhǔn)路線或附合水準(zhǔn)路線，用高精度數(shù)字水準(zhǔn)以進(jìn)行觀測(cè)。而對(duì)于跨河橋沉降

觀測(cè)，由于橋墩在河中時(shí)，觀測(cè)采用閉合水準(zhǔn)測(cè)量。在橋臺(tái)上架設(shè)儀器，觀測(cè)前后相鄰橋臺(tái)測(cè)點(diǎn)，返測(cè)時(shí)測(cè)量往測(cè)時(shí)未測(cè)量的測(cè)點(diǎn)，對(duì)于中間聯(lián)測(cè)部分，通過往測(cè)已測(cè)點(diǎn)來進(jìn)行觀測(cè)。

（2）橋梁的水平監(jiān)測(cè)主要是通過監(jiān)測(cè)橋梁承臺(tái)的水平位移來對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)觀測(cè)及水平位移觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量兩個(gè)主要內(nèi)容。在實(shí)施承臺(tái)水平位移監(jiān)測(cè)的過程中，首先需要對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)和校核，對(duì)只布設(shè)一條基準(zhǔn)線的大橋，只需進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)距離測(cè)量，但需要建立校核點(diǎn)，作為檢核基準(zhǔn)線穩(wěn)定性的條件。對(duì)于多條基線的大橋，除上述檢核之外，還需進(jìn)行相鄰基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離及角度測(cè)量。在具體的水平位移觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)中，其觀測(cè)精度主要受測(cè)角誤差和測(cè)距誤差的影響。

二、橋梁變形監(jiān)測(cè)方法及技術(shù)分析

傳統(tǒng)橋梁變形監(jiān)測(cè)方法：與其他工程建筑物相比，橋梁構(gòu)造較復(fù)雜且細(xì)微的變形可能造成較大的應(yīng)力變化，因此對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)精度要求較高。橋梁變形監(jiān)測(cè)方法有多種，常規(guī)大地測(cè)量法和物理傳感器法是獲取變形數(shù)據(jù)的主要手段，因其具有簡(jiǎn)單、易行、成本低等優(yōu)點(diǎn)，較適合大眾化監(jiān)測(cè)。

（1）常規(guī)大地測(cè)量方法：常規(guī)大地測(cè)量法是20世紀(jì)80年代前最主要的橋梁變形測(cè)量方法，通常采用電子或光學(xué)測(cè)量儀器（包括水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、電磁測(cè)距儀、全站儀等），根據(jù)橋梁監(jiān)測(cè)需求，周期性、重復(fù)性地測(cè)量角度和距離等來獲取橋梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而確定橋梁結(jié)構(gòu)的垂直位移和水平位移。該方法具有較高的靈活性，測(cè)量精度高，隨著各種精密儀器的出現(xiàn)，大地測(cè)量方法在橋梁監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，能適用于多種不同結(jié)構(gòu)形式的橋梁變形監(jiān)測(cè)精度要求。但在實(shí)際工作中該方法監(jiān)測(cè)速度慢，自動(dòng)化程度較低，且需要投入大量的人力、物力，易受現(xiàn)場(chǎng)地形條件、天氣和通視等條件的影響。

（2）物理傳感器方法：常規(guī)大地測(cè)量法只能獲取橋梁整體變形信息，而橋梁局部變形的監(jiān)測(cè)不容忽視，于是將物理傳感器引入局部橋梁監(jiān)測(cè)中。目前用來測(cè)定橋梁局部變形的物理傳感器主要包括測(cè)力計(jì)、應(yīng)變計(jì)、位移計(jì)、傾斜儀、重量動(dòng)態(tài)測(cè)量儀、銹蝕檢測(cè)儀、電子水平儀及振動(dòng)、溫度、風(fēng)力、壓力、濕度、雨量等傳感器。物理傳感器法的特點(diǎn)是能獲取觀測(cè)橋梁內(nèi)部的應(yīng)力、壓力、傾斜角度、溫度變化及高精度的局部變形信息，且能長期連續(xù)地自動(dòng)觀測(cè)。胡現(xiàn)輝等通過將徠卡 NIVEL200電子水平儀的串口與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制和獲取電子水平儀傾斜數(shù)據(jù)，并繪制了橋梁變形示意圖；唐山高等利用傾斜傳感器成功對(duì)塞浦路斯高速公路高架橋橋墩進(jìn)行了位移測(cè)量。物理傳感器固定安裝在橋梁中，使用靈活，能在惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)。但該方法只能監(jiān)測(cè)橋梁的局部變形和相對(duì)變形狀況，無法掌握橋梁變形的整體情況，存在一定的局限性。

近年來，隨著3S技術(shù)尤其是遙感技術(shù)和導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)和空間技術(shù)等的迅猛興起，變形測(cè)量技術(shù)發(fā)生了革命性的變化，推動(dòng)橋梁變形監(jiān)測(cè)技術(shù)從地面擴(kuò)展到空間、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，逐漸實(shí)現(xiàn)全天候、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。目前橋梁變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用較廣的3S技術(shù)包括攝影測(cè)量技術(shù)、GPS技術(shù)及雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)。

（1）攝影測(cè)量技術(shù)：利用攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行橋梁變形監(jiān)測(cè)可行，適合于大范圍地面變形監(jiān)測(cè)，但與全站儀監(jiān)測(cè)相比，該方法精度不是很高，且測(cè)量設(shè)備成本高，在橋梁的適用研究中還需進(jìn)一步探索。

（2）GPS測(cè)量技術(shù)：GPS技術(shù)應(yīng)用于橋梁變形監(jiān)測(cè)能達(dá)到毫米級(jí)的精度，大大減少了外業(yè)工作量，降低了人為因素的影響。然而對(duì)于部分橋梁，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的天頂通視差，監(jiān)

測(cè)精度受到影響，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多時(shí)其成本較高；且與全站儀相比，其垂直位移監(jiān)測(cè)精度較低，還有待提高。

（3）雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)：采用INSAR技術(shù)提取高程的精度可達(dá)數(shù)米，而運(yùn)用差分干涉手段（D-INSAR）可達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)，對(duì)橋梁微小形變的監(jiān)測(cè)應(yīng)用潛力巨大。由意大利IDS公司與弗洛倫薩大學(xué)聯(lián)合研制的遙感干涉測(cè)量系統(tǒng)IBIS-S已應(yīng)用于大型橋梁及建筑物的變形監(jiān)測(cè)，錢塘江大橋、金沙江大橋、石崆山大橋的靜態(tài)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及自振頻率監(jiān)測(cè)結(jié)果表明IBIS-S可以在較短時(shí)間內(nèi)獲取橋梁靜態(tài)、動(dòng)態(tài)撓度變化，擁有最高200Hz的自振頻率，靜態(tài)精度0.1mm，動(dòng)態(tài)精度0.01mm；利用IBIS-S和角反射器配合，可提取橋墩任意位置的微變形；在斜拉橋的應(yīng)用中，IBIS-S一次可對(duì)多根索同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，無需阻斷交通。作為一種全新的變形測(cè)量技術(shù)，其價(jià)格較昂貴，且無法直接獲取目標(biāo)物的三維信息，需通過投影獲得，若與三維激光掃描等技術(shù)結(jié)合，更能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

結(jié)束語

橋梁變形監(jiān)測(cè)涉及到橋梁的運(yùn)行、管理和維護(hù)，因而在保證公共出行交通等方面具有重要的意義。因而，需要根據(jù)不同的實(shí)地觀測(cè)情況，做出具體的布設(shè)方案來解決實(shí)際工程應(yīng)用。

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