基于精確大地測(cè)量技術(shù)對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)研究

劉艷杰， 張 紅， 劉旭東

(1.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 園藝園林學(xué)院， 河南 中牟 451450； 2.河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院 建筑工程系， 河南 平頂山 467000； 3.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院， 四川 成都 610031)

?

基于精確大地測(cè)量技術(shù)對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)研究

劉艷杰1， 張 紅2， 劉旭東3

(1.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 園藝園林學(xué)院， 河南 中牟 451450； 2.河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院 建筑工程系， 河南 平頂山 467000； 3.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院， 四川 成都 610031)

針對(duì)新建成投入使用的公路橋梁產(chǎn)生的沉降現(xiàn)象及結(jié)構(gòu)變形問題，設(shè)計(jì)了公路橋梁變形監(jiān)測(cè)方案。以襄十高速襄武段公路橋梁為例，進(jìn)行實(shí)例研究：選取4個(gè)監(jiān)測(cè)站、6個(gè)控制點(diǎn)以及22個(gè)橋梁變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了測(cè)量網(wǎng)絡(luò)；采用7參數(shù)轉(zhuǎn)換法對(duì)不同觀測(cè)期的監(jiān)測(cè)站坐標(biāo)進(jìn)行變換，消除了因觀測(cè)期歷元不同所導(dǎo)致的觀測(cè)誤差。結(jié)果表明算例橋梁在2014年12月～2015年12月內(nèi)整體沉降值為25 mm，跨中最大豎向變形值為20 mm；在整個(gè)使用過程中橋梁整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并未產(chǎn)生不合理變形以及傾斜等不均勻沉降問題。

結(jié)構(gòu)變形； 沉降； 觀測(cè)誤差； 穩(wěn)定性

0 引言

變形是自然界普遍存在的現(xiàn)象，公路橋梁在長期自重以及車輛荷載作用下，期形狀大小均會(huì)產(chǎn)生一定的變化。當(dāng)結(jié)構(gòu)變形量不超過某一范圍時(shí)，屬于正?，F(xiàn)象，不會(huì)導(dǎo)致事故，如果超出范圍，可能發(fā)生坍塌等重大事故[1]。尤其針對(duì)我國，正處于大規(guī)模建設(shè)時(shí)期，每年建設(shè)投入服役的公路橋梁數(shù)量眾多[2]，工程質(zhì)量難以保障，因此針對(duì)最新建成的公路橋梁，其結(jié)構(gòu)變形問題需得到重視。由于橋梁自重以及荷載較大，新投入使用的橋梁往往沉降現(xiàn)象明顯[3]，要注重沉降與變形的區(qū)別，橋梁沉降屬于正?，F(xiàn)象，橋梁結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)的變形也屬于正?，F(xiàn)象，過度的變形則需受到足夠重視[4]。基于此，本文主要研究公路橋梁結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)問題，以期掌握橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為安全診斷提供必要信息。

1 測(cè)點(diǎn)布置與觀測(cè)

選取襄十高速公路襄武段公路橋梁為算例橋梁，襄十高速是我國西部開發(fā)大通道武漢至銀川高速公路的重要組成部分，連接了鄂北重鎮(zhèn)襄陽市和鄂西北重鎮(zhèn)十堰市，交通便利，車流量巨大。采用山嶺重丘區(qū)和平原微丘區(qū)高速公路標(biāo)準(zhǔn)修建，設(shè)計(jì)時(shí)速為80，100 km/h，雙向四車道，瀝青混凝土路面。襄武段公路橋梁通車時(shí)間為2014年10月，總長216 m，寬17 m，平均高度為7.55 m，雙向四車道(見圖1)，鋼筋混凝土橋梁。橋梁受到活荷載與靜荷載兩種荷載類型作用。靜荷載考慮為橋梁自重，活荷載考慮為橋梁上的交通運(yùn)輸。

圖1 算例橋梁觀測(cè)簡圖Figure 1 An example of bridge observation

橋梁變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)包括橋附近的水平大地測(cè)量網(wǎng)和分布在橋梁兩側(cè)上被選定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)是獲取監(jiān)測(cè)站以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)或絕對(duì)位置關(guān)系，在監(jiān)測(cè)站中測(cè)量得到橋上更加詳細(xì)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置。監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由兩支撐四邊形構(gòu)成，如圖2所示，每個(gè)四邊形包含四個(gè)角點(diǎn)觀測(cè)站，采用雙頻接收機(jī)進(jìn)行基線觀測(cè)，在不同時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行了四期觀測(cè)，利用最小二乘平差法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)站的坐標(biāo)。在第一期觀測(cè)時(shí)段，做一次大地測(cè)量網(wǎng)觀測(cè)，所有觀測(cè)站的位置是固定不變的，進(jìn)行第一期橋梁變形監(jiān)測(cè)之前，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)勘查以及橋區(qū)地形測(cè)量。

算例橋梁共設(shè)置6個(gè)控制點(diǎn)以及每側(cè)設(shè)置11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見圖2)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間分布完全覆蓋整個(gè)橋梁，布置原則如下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大變形值產(chǎn)生在每個(gè)跨度的中間位置，因此在這些位置必須布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，考慮到橋梁的整體沉降作用，在橋臺(tái)與橋面支撐處正上方布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。使用單棱鏡將監(jiān)測(cè)點(diǎn)固定在橋的上部結(jié)構(gòu)，這些觀測(cè)點(diǎn)必須是安全固定的，并且其位置必須在觀測(cè)站中可見。在橋的外面布置四個(gè)觀測(cè)站，并且距離觀測(cè)點(diǎn)的位置不能太遠(yuǎn)。如圖2所示(RS1，RS2，RS3，RS4)，這些觀測(cè)站全部固定在穩(wěn)定堅(jiān)固的土體之中，以保障觀測(cè)的精確性。使用的觀測(cè)站越多越好，為了觀測(cè)便利，本文設(shè)置4個(gè)觀測(cè)站。對(duì)橋梁的控制點(diǎn)(見圖2：CP3，CP4，CP5，CP6)以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，為了研究橋梁的結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)行了四期數(shù)據(jù)的觀察記錄(2014年12月，2015年4月，2015年8月、2015年12月)。

圖2 公路橋梁監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)分布Figure 2 Distribution of monitoring network of highway bridge

選用設(shè)備：GPS雙頻接收機(jī)(索佳)、geomax全站儀，測(cè)量角度精度為1”，測(cè)量距離精度為2 mm±2×10-6反射測(cè)量、四腳架、鉛錘、直徑為30 mm的單棱鏡；測(cè)量前對(duì)使用儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.1 坐標(biāo)計(jì)算

通過全站儀進(jìn)行測(cè)量，可得到大橋測(cè)量點(diǎn)的兩邊坡距離S1，S2，其計(jì)算公式如下所示：

(1)

通過坐標(biāo)公式，可得到水平角度α1與α2：

(2)

垂直角度γ1與γ2計(jì)算公式如下所示：

(3)

公式(1)～式(3)是6個(gè)含有參數(shù)與觀測(cè)值的非線性函數(shù)；每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)可得到輔因子矩陣Q=W-1，該矩陣為六乘六方陣，并且具備以下形式：

(4)

1.2 7參數(shù)轉(zhuǎn)換法

在衛(wèi)星定位系統(tǒng)中，所獲數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻也稱為歷元[5]。本文共進(jìn)行了四期數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，在不同監(jiān)測(cè)期之間，受到歷元的影響，監(jiān)測(cè)站的定位坐標(biāo)并不唯一，導(dǎo)致了四期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)際上處于4個(gè)不同的系統(tǒng)內(nèi)，為了消除不同系統(tǒng)導(dǎo)致的坐標(biāo)差異，需找出四期數(shù)據(jù)中監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)的差異，然后將這些差異融入到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)之中。用于檢測(cè)橋梁變形的所有數(shù)據(jù)實(shí)際上是監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，這些點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算依賴于監(jiān)測(cè)站的坐標(biāo)，任何在原始和重復(fù)觀測(cè)歷元間的控制點(diǎn)坐標(biāo)的偏差都會(huì)影響監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，從而影響結(jié)構(gòu)的變形值。

在算例橋梁監(jiān)測(cè)中，兩個(gè)歷元之間沒有相同的坐標(biāo)點(diǎn)，系統(tǒng)觀測(cè)誤差導(dǎo)致的坐標(biāo)偏差的主要因素有溫度、氣壓、儀器誤差、以及在不同時(shí)間的觀察等…，為了消除系統(tǒng)誤差的影響，對(duì)得到數(shù)據(jù)進(jìn)行如下步驟變換：

① 以第一期觀測(cè)站為基準(zhǔn)站，從其它幾個(gè)觀測(cè)期展開觀測(cè)站坐標(biāo)變換，通過七參數(shù)轉(zhuǎn)換法計(jì)算并找不同觀測(cè)期的觀測(cè)站坐標(biāo)變換參數(shù)。

② 根據(jù)所得到的變換參數(shù)，對(duì)所有第二，第三和第四期監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行改造，使其成為第一期測(cè)量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的坐標(biāo)點(diǎn)。通過這種方式，可消除小的監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)偏差。

7個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)換是用于有關(guān)的原始和重復(fù)的原始點(diǎn)的坐標(biāo)，具體變換方式如下：

(5)

1ωZ-ωY-ωZ1ωXωY-ωX1é?êêêêù?úúúú·XkJYkJZkJé?êêêêù?úúúúrep

(6)

采用最小二乘理論[6]來尋找七個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，參數(shù)最小二乘數(shù)學(xué)模型形式如下：

(7)

其中：m為方程組數(shù)，在本文中m=3n；n為相同點(diǎn)的數(shù)目，對(duì)于算例橋梁，參考站個(gè)數(shù)為4個(gè)，所以n=4。矩陣A中的元素可以通過方程組(6)變換參數(shù)的不同而被確定，通過參數(shù)最小二乘法求解7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，如果在不同時(shí)期測(cè)得基準(zhǔn)站(觀測(cè)站)的坐標(biāo)相同，7個(gè)參數(shù)將全部為零。采用7參數(shù)轉(zhuǎn)換法對(duì)監(jiān)測(cè)站之間偏差以及四期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到轉(zhuǎn)換參數(shù)值如表1所示。

2 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于確定某一組數(shù)據(jù)是否具備科學(xué)合理性等。通過對(duì)殘差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，來確定結(jié)論是否可以得到數(shù)據(jù)支持，對(duì)于大地測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估，通過統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)來監(jiān)測(cè)每兩期觀測(cè)數(shù)據(jù)之間是否存在顯著性差異。在2個(gè)不同時(shí)期形成不同觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)矢量，計(jì)算點(diǎn)位移ΔJ，從初始時(shí)刻獲得的坐標(biāo)如下：

(8)

mΔJ=σ2ΔXJ000σ2ΔYJ000σ2ΔZJé?êêêêêù?úúúúú=

σ2XKJ+σ2X0J000σ2YKJ+σ2Y0J000σ2ZKJ+σ2Z0Jé?êêêêêù?úúúúú

(9)

(10)

(11)

根據(jù)以下步驟進(jìn)行橋梁變形數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)：

① 在第一期數(shù)據(jù)觀測(cè)期，對(duì)第一個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)(CP1，CP2)進(jìn)行確定，使水平大地測(cè)量網(wǎng)得到固定，觀測(cè)水平大地測(cè)量網(wǎng)中的24個(gè)水平、垂直角與12個(gè)距離，通過計(jì)算得到所有角度與距離。

② 采用最小二乘平方法，根據(jù)兩個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)調(diào)整確定監(jiān)測(cè)站坐標(biāo)。

③ 對(duì)橋梁兩側(cè)的觀測(cè)點(diǎn)與觀測(cè)站進(jìn)行觀測(cè)，計(jì)算出每一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。

④ 在確定變形值之前，檢查觀測(cè)站的坐標(biāo)，采取七參數(shù)變換法消除在不同觀測(cè)期的觀測(cè)站坐標(biāo)偏差。

⑤ 對(duì)經(jīng)過坐標(biāo)參數(shù)變換后的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析，得到自第一觀測(cè)期開始至第四觀測(cè)期結(jié)束，橋梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形情況如圖3、圖4所示。

圖3 橋梁測(cè)點(diǎn)豎直方向變形情況Figure 3 The vertical deformation of the bridge

圖4 橋梁測(cè)點(diǎn)水平方向變形情況Figure 4 The horizontal deformation of the bridge

由圖3可知：橋梁在豎直方向產(chǎn)生了沉降與變形，結(jié)合測(cè)點(diǎn)的位置情況可知編號(hào)1、3、5、7、9、11、12、14、16、18、20、22測(cè)點(diǎn)為橋臺(tái)與橋面支撐處正上方測(cè)點(diǎn)，在不考慮橋臺(tái)軸向變形情況下，其變換情況可用來表示橋梁的整體沉降量，編號(hào)2、4、6、8、10、13、15、17、19、21測(cè)點(diǎn)為橋梁跨中測(cè)點(diǎn)，去掉橋梁整體沉降值，即為橋橋梁跨中豎向變形值，通過計(jì)算可知橋梁整體沉降值約為25 mm，最大豎向變形值產(chǎn)生在跨中測(cè)點(diǎn)6與測(cè)點(diǎn)17位置，約為20 mm。由圖4可知各測(cè)點(diǎn)在水平方向變形并不明顯，變形范圍在±2 mm以內(nèi)，“±”表示變形方向，圖中水平方向顯示變形很小方向不唯一，且豎直方向南北兩側(cè)變形量基本相同，說明橋梁整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、并未產(chǎn)生傾斜等不均勻沉降現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并進(jìn)行了襄十高速公路襄武段公路橋梁變形監(jiān)測(cè)研究，得出以下結(jié)論：

① 設(shè)計(jì)了測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，選取了4個(gè)監(jiān)測(cè)站、6個(gè)控制點(diǎn)以及22個(gè)橋梁變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置原則為橋梁每跨跨中位置以及橋臺(tái)正上方位置，空間分布完全覆蓋整個(gè)橋梁，準(zhǔn)確反映了橋梁的沉降以及變形情況。

② 采取7參數(shù)轉(zhuǎn)換法對(duì)不同觀測(cè)期的基準(zhǔn)站(監(jiān)測(cè)站)坐標(biāo)進(jìn)行變換，得到了轉(zhuǎn)換參數(shù)值，使不同系統(tǒng)(觀測(cè)期)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一系統(tǒng)中，消除了因2個(gè)不同觀測(cè)期歷元不同所導(dǎo)致的觀測(cè)誤差，提高了數(shù)據(jù)的精確性。

③ 對(duì)橋梁變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)及計(jì)算得出結(jié)論橋梁在2014年12月～2015年12月一年內(nèi)整體沉降值約為25 mm，最大豎向變形值產(chǎn)生在跨中測(cè)點(diǎn)6與測(cè)點(diǎn)17位置，約為20 mm。在整個(gè)使用過程中橋梁整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、并未產(chǎn)生不合理變形以及傾斜等不均勻沉降現(xiàn)象。

[1] 馬建，孫守增，楊琦，等.中國橋梁工程學(xué)術(shù)研究綜述[J].中國公路學(xué)報(bào)，2014(05)：1-96.

[2] 張力文.基于長期監(jiān)測(cè)的大型橋梁維護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2012.

[3] 席恩偉.基于北斗/GPS與GIS的橋梁變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].昆明：云南大學(xué)，2015.

[4] Aicheng Shan. Analytical Research on Deformation Monitoring of Large Span Continuous Rigid Frame Bridge during Operation[J].Engineering，2015，0708.

[5] Ashraf Abd El-Wanis Beshr.Structural Deformation Monitoring and Analysis of Highway Bridge Using Accurate Geodetic Techniques[J].Engineering，2015，0708.

[6] Mosbeh R.Kaloop，Hui Li.Monitoring of bridge deformation using GPS technique[J].KSCE Journal of Civil Engineering，2009，136.

[7] Weibing Gan， Wenbin Hu， Fang Liu， Jianguang Tang，Sheng Li，Yan Yang.Bridge continuous deformation measurement technology based on fiber optic gyro[J].Photonic Sensors，2016，61.

[8] 馬興峰，胡慶國，譚潔瓊.基于GM(1，1)模型的高速公路邊坡變形預(yù)測(cè)[J].公路工程，2012(05)：68-69+76.

[9] 魏召蘭.高速鐵路大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[10] 黃衛(wèi)蘭，陳程，陳燦明，等.高性能混凝土與鋼筋及纖維組合體長期變形試驗(yàn)研究[J].公路工程，2013(02)：210-213.

[11] 孫宗全，劉斌.營運(yùn)期特大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋變形監(jiān)測(cè)分析[J].公路工程，2014(02)：232-237+250.

Structural Deformation Monitoring and Analysis of Highway Bridge Using Accurate Geodetic Techniques

LIU Yanjie1， ZHANG Hong2， LIU Xudong3

(1.Henan Vocational College of Agriculture， Zhongmu， Henan 451450， China； 2.Henan Engineering Vocational College Construction Engineering Quality， Pingdingshan， Henan 467000， China； 3.Sou-thwest Jiaotong University School of Transportation and Logistics， Chengdu， Sichuan 610031， China)

In view of the settlement phenomenon and the structural deformation of the newly built highway bridge，the highway bridge deformation monitoring scheme is designed.Xiang-shi highway bridge was selected as an example，case study：selected four monitoring stations，six control points and 22 bridge deformation monitoring，design the network measurement；the seven parameter transformation method of different observation period of monitoring station coordinates transform，eliminates the LED from different observation epochs of observation error.The results show that example bridge in 2014 December 2015 December overall settlement value is 25 mm，cross in maximum vertical deformation value of 20 mm；In the whole process，the overall structure of the bridge is stable，and the uneven settlement is not happened.

structural deformation； settlement； observation error； stability

??測(cè)期中的基準(zhǔn)站坐標(biāo)偏差以及參數(shù)轉(zhuǎn)換值Table1

tationcoordinatedeviationandparameterconversionvalueinthethreeobservationperiod基準(zhǔn)站(監(jiān)測(cè)站)兩不同觀測(cè)期期間基準(zhǔn)站坐標(biāo)差異/mm轉(zhuǎn)換參數(shù)值/mm2期～1期3期～1期參數(shù)2期～1期3期～1期RS1X25.1017.31Tx,m0.188610.1534Y-29.4917.50Ty,m0.09810.1224Z-1.19-4.10Tz,m0.23450.2003RS2X-38.08 -30.9 (1+λ)1.00020.9988Y8.319.30ωX8”16.2’9”22.1’Z-14.3915.62ωY5”37.5’4”11.8’RS3X32.2813.38ωZ10”28.4’7”43.1’Y29.047.28Z-14.3815.62RS4X42.23-12.22 Y16.6121.79Z4.11-9.20

2016 — 06 — 12

河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究(132300410118)

劉艷杰(1979 — )，女，河南淮陽人，工程碩士，講師，研究方向：工程測(cè)量技術(shù)研究。

U 446.2

A

1674 — 0610(2016)05 — 0185 — 05