橋梁變形的原因及其觀測方法

石祥

橋梁變形可分為靜態(tài)變形和動態(tài)變形。靜態(tài)變形通常是指變形觀測的結果只表示在某一期間內的變形值。動態(tài)變形是指在外力影響下而產(chǎn)生的變形，它是以外力為函數(shù)來表示的動態(tài)系統(tǒng)對于時間的變化，其觀測結果是表示橋梁在某個時刻的瞬時變形。

1 橋梁變形觀測的幾個概念

各橋墩臺的沉降觀測，這當中包含各墩臺沿水流方向（或沿垂直于橋軸線方向）和沿橋軸線方向的傾斜觀測，通稱為垂直位移觀測；各橋墩臺在上下游方向上的水平位移觀測，稱之為橫向位移觀測；各橋墩臺沿橋軸線方向的水平位移觀測，稱之為縱向位移觀測；橋墩結構（如鋼梁）在恒載或活載情況下的撓度觀測，稱之為撓度變形觀測；水中橋墩基礎周圍河床演變情況的觀測，即橋墩周圍的水下地形測量。

2 導致橋梁變形的原因分析

2.1自然條件及其變化的原因

是指橋墩臺地基的工程地質、水文地質、土壤的物理性質、大氣溫度、水位變化以及地震等。如橋墩臺基礎的地質條件不同，會引起橋墩臺不均勻沉陷，使橋跨結構傾斜，象鋼梁或鋼筋混凝土梁就容易發(fā)生這種現(xiàn)象；再有土基的塑性變形也將引起均勻沉陷；還有溫度與水位；季節(jié)性或周期性的變化以及水流方向的變化，橋梁將產(chǎn)生規(guī)律變形。

2.2與橋梁本身相聯(lián)系的原因

是指作用在橋梁上部結構的恒載與作用墩臺的恒載、墩臺與梁的結構、型式以及活載的作用。如車輛通過時的震動、風力等。

2.3人為設計、施工等不合理

是指由于勘測、設計時不合理，施工時不按規(guī)范施工，運營、管理工作不恰當?shù)?，都會使橋梁產(chǎn)生變形。

3 橋梁變形的觀測方法

3.1大地測量方法

也叫做常規(guī)地面測量方法，它是變形觀測的主要手段，垂直位移觀測采用的是精密水準測量和精密跨河水準測量因橫向位移觀測中，遇到直線橋梁按基準線法觀測，如測小角法和活覘牌法。如果是曲線橋梁，則應利用導線測量方法。縱向位移觀測通常采用最精密的光電測距儀，如由瑞士Kern廠生產(chǎn)的、測程可達2.5km的Mekometer ME 3000，其精度為0.3mm 1ppm；還有測程可達5.0km的ME 5000，其精度為0.2mm （0.2～1ppm）。如橋跨距較短，可用特制的因瓦線尺或鋼線尺來測定相鄰橋墩之間的跨距變化。橋跨結構的恒載和活載的撓度觀測采用四等水準測量。該方法具有以下優(yōu)點：

（1）可以提供橋墩如和橋跨結構的變形狀態(tài)；

（2）把觀測量組成網(wǎng)的形式，便于進行測量結果的處理和精度評定；

（3）靈活性好，適用于各種結構形式的橋梁以及不同的外界條件和精度要求。其缺點是外業(yè)工作量大，作業(yè)時間長，很難解決連續(xù)監(jiān)測及測量過程的自動化問題。

3.2特殊的測量方法

包括傾斜測量和激光準直測量。在垂直位移觀測過程中，對于墩臺本身的傾斜可使用短基線傾斜儀，如垂直擺錘式和水準氣泡式傾斜儀來測定兩點之間的高差變化，而對于相鄰墩臺的高差變化可使用長基線傾斜儀進行測定。長基線傾斜儀采用靜力水準原理制成，其精度可達到10-6。在橫向位移觀測中，采用激光準直，如激光經(jīng)緯儀準直和波帶板激光準直來測量各橋墩上觀測點與激光束的偏離值。在大氣條件下，激光準直的精度為10-5～10-6。

特殊測量方法同大地測量方法相比，具有以下優(yōu)點：

（1）使測量過程簡單化；

（2）容易解決連續(xù)監(jiān)測和自動化觀測的問題；

（3）可以提供局部的變形信息。

3.3攝影測量方法

主要是指地面攝影測量方法。這種方法日趨廣泛地被用于大型工程建筑物的變形觀測，原因是近十多年來攝影測量點位的測定精度顯著提高，加之本身具有的特殊優(yōu)點以及近年來硬件上的改進（包括高質量的攝影機和精密的量測儀器）、軟件的發(fā)展和計算機的應用等等，使人們有可能利用嚴密的數(shù)學處理方法對攝影測量過程中的系統(tǒng)誤差進行模擬操作，其中包括攝影機鏡頭的畸變和底片的變形等，并利用數(shù)理統(tǒng)計的方法評定觀測值的質量和剔除誤差，使成果的可靠性得以保證。目前，攝影測量點位測定精度可達到2～4μm9像片坐標的精度）。取決于攝影機的焦距，地面攝影測量的精度可達到攝影距離的10-5。

地面攝影測量方法在橋梁變形觀測的應用中，具有以下優(yōu)點：

（1）能夠同時測定橋墩臺上任意點的變形；

（2）可以提供瞬時和完全的三維空間信息；

（3）大大減少了野外測量的工作量；

（4）可以不接觸被攝物體；

（5）有了攝影底片，可以觀測到橋墩臺以前的狀態(tài)。

對于跨越江河的大橋，應用地面攝影測量方法進行變形觀測時，應注意選擇適宜的攝影測站位置。

4 注意事項

在橋梁變形測量中，確定合理的測量精度是至關重要的，精度要求過高會使測量工作變得復雜，經(jīng)費大，時間長；精度太低又會增加變形分析的難度，所估計的變形參數(shù)誤差變大，甚至得出不正確的結論。橋梁變形觀測的精度取決于變形值的大小、變形速度、觀測儀器和方法所能達到的實際精度，以及觀測的目的等。一般情況，如果橋梁變形觀測的目的是為了使變形值不超過某一允許的數(shù)值，以確保橋梁的安全，則其觀測的中誤差應小于允許變形值的1/10～1/20；如果觀測的目的是為了研究其變形的過程，則其中誤差應比上面這個數(shù)值小得多，甚至應采用目前測量手段和測量儀器所能達到的最高精度。

橋梁變形觀測的頻率取決于變形值的大小、變形速度和觀測的目的。一般要求觀測次數(shù)既能反映出變化的過程，又不遺漏變化的時刻。具體地說，在橋梁建成初期，變形的速度比較快，觀測頻率要大一些。經(jīng)過一段時間后，橋梁趨于穩(wěn)定，可以減少觀測次數(shù)，但一定要堅持定期觀測。

通過變形觀測獲得的大量可靠資料，可以監(jiān)視橋梁的狀態(tài)變化和工作情況，當發(fā)生不正?，F(xiàn)象時，可及時分析原因，采取措施或改善運營方式，以保證安全。所以說，變形觀測是橋梁管理的耳目。另外，利用變形觀測資料，還可以驗證地基與基礎的計算機方法、橋梁結構的設計方法，合理規(guī)定不同地基于橋梁結構的允許變形值，為橋梁設計、施工、管理和科學研究提供資料，以保證橋梁設計和施工正確合理和安全使用。