大型公鐵兩用橋的變形監(jiān)測方案研究

李洪超 聶松廣 師軍良

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

大型公鐵兩用橋的變形監(jiān)測方案研究

李洪超 聶松廣 師軍良

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

公鐵兩用橋中公路和鐵路共用同一橋位，其載荷大、跨度大、受力復(fù)雜，要保證橋梁安全運(yùn)行需對橋體變形進(jìn)行監(jiān)測及預(yù)報(bào)。本文以某大型公鐵兩用橋?yàn)槔龑ψ冃伪O(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)、橋梁平面位移、橋面撓度、橋墩沉降、垂直度和伸縮縫寬度的監(jiān)測方案進(jìn)行了研究，可為其它公鐵兩用橋的變形監(jiān)測工作提供借鑒。

公路；鐵路；公鐵兩用橋；變形監(jiān)測；方案

1 引言

目前，我國公路、鐵路均處在快速發(fā)展階段，特別是高速鐵路技術(shù)已經(jīng)成為中國制造走向世界的名片。我國地域廣袤、河流湖泊較多，當(dāng)公路、鐵路建設(shè)遇到河流湖泊時(shí)，橋梁是跨越河流湖泊障礙的最佳選擇。橋梁建設(shè)須考慮船舶航行、河流沖刷引起的河床變遷、河床的地質(zhì)情況等因素，因此，在建設(shè)橋梁時(shí)可選擇的橋位比較有限［1］。公鐵兩用橋由于能使公路和鐵路共用橋位而在工程建設(shè)中備受推崇。與分別建設(shè)公路橋和鐵路橋相比，公鐵兩用橋不僅能充分合理地利用土地、河流湖泊等資源的自然空間，而且能夠大大節(jié)省基礎(chǔ)建設(shè)的材料及施工費(fèi)，具有良好的環(huán)保性、節(jié)能性、可持續(xù)發(fā)展性等科學(xué)發(fā)展觀的要求［2］。

公鐵兩用橋的設(shè)計(jì)壽命一般都大于100年，變形監(jiān)測是保證公鐵兩用橋的安全運(yùn)行必不可少的工作。許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，孫英杰等對鄭州黃河公鐵兩用橋施工控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，采用板梁索相結(jié)合的空間計(jì)算模型，使控制計(jì)算與施工過程更加吻合［3］。秦順全等對武漢天興洲公鐵兩用長江大橋結(jié)構(gòu)體系、主桁結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)選型和基礎(chǔ)施工等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究［4］。丁幼亮等對公鐵兩用斜拉橋的豎向撓度的長期變化特點(diǎn)，分析了豎向撓度與溫度、列車載荷、汽車載荷的相關(guān)性［5］。呂龍等分別分析了列車在制動和運(yùn)行情況下大跨度公鐵兩用斜拉橋的縱向振動特點(diǎn)［6］。以上研究大多是針對公鐵兩用橋的關(guān)鍵技術(shù)及局部變形監(jiān)測進(jìn)行了研究，引起大型公鐵兩用橋變形的因素較多、變化特點(diǎn)復(fù)雜，因此有必要對對整體變形監(jiān)測分析方案進(jìn)行探討。文章結(jié)合某具體公鐵兩用橋 （大橋?yàn)閱嗡嗡髅娌糠中崩瓨蚪Y(jié)構(gòu)，長700多米，上層為公路，下層為鐵路）研究了大型公鐵兩用橋整體變形監(jiān)測方案，以期為相關(guān)工程建設(shè)及研究提供借鑒。

2 基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)

2.1 平面基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)

平面基準(zhǔn)網(wǎng)是大橋進(jìn)行水平位移監(jiān)測的基礎(chǔ)。理論上2個(gè)平面控制點(diǎn)就可以確定大橋水平位移監(jiān)測的基準(zhǔn)，為了防止基準(zhǔn)網(wǎng)中部分控制點(diǎn)的破壞而無法恢復(fù)平面基準(zhǔn)網(wǎng)以及為了大橋水平位移監(jiān)測的方便，實(shí)際中往往建立3個(gè)以上平面控制點(diǎn)組成的平面基準(zhǔn)網(wǎng)。經(jīng)實(shí)地調(diào)研、踏勘，大橋共布設(shè)平面基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)8個(gè)，以滿足水平位移監(jiān)測的需要，平面基準(zhǔn)點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 平面基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)位分布圖

圖中，YZ01、YZ02是橋梁施工獨(dú)立坐標(biāo)系下的已知基準(zhǔn)點(diǎn)，XJ01、XJ02、XJ03、XJ04、XJ05、XJ06是新建變形監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)。平面基準(zhǔn)網(wǎng)采用GPS靜態(tài)測量的方法按照城市三等的精度要求施測。其主要技術(shù)要求為各基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)站至少2次，每個(gè)時(shí)段長度不小于90分鐘，觀測有效衛(wèi)星數(shù)不少于6顆，衛(wèi)星高度角大于15°，網(wǎng)中與各點(diǎn)連接的基線邊不少于3條。靜態(tài)數(shù)據(jù)采集完成后，對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差計(jì)算處理，計(jì)算完成以后，其主要的精度結(jié)果為重復(fù)基線最大較差為13.9mm，限差為±29.7mm；最大同步環(huán)分量閉合差為：28.2mm，分量限差為±36.6mm；異步環(huán)分量閉合差最大為28.8mm，限差為±36.6mm；三維無約束平差中，基線分量改正最大值為7.7mm，限差為15.1mm，以上指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。通過重復(fù)基線較差、同步環(huán)、異步環(huán)和三維無約束平差等項(xiàng)目限差的檢查，證明平面基準(zhǔn)網(wǎng)的GPS基線完全滿足城市三等GPS測量規(guī)范的要求，基線的實(shí)際質(zhì)量優(yōu)于規(guī)范要求，而且在橋梁施工獨(dú)立坐標(biāo)系對GPS控制點(diǎn)進(jìn)行二維約束平差以后，其精度指標(biāo)也能夠滿足大橋變形監(jiān)測的要求［7］。

計(jì)算得到新建6個(gè)平面變形監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)在橋梁施工獨(dú)立坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)后，利用主橋橋軸線上布設(shè)的平面位移點(diǎn)在橋梁施工獨(dú)立坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)，構(gòu)建新的專門服務(wù)于橋梁變形監(jiān)測的橋軸線獨(dú)立坐標(biāo)系。最后將平面基準(zhǔn)控制點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)和平移后得到平面基準(zhǔn)控制點(diǎn)在橋軸線獨(dú)立坐標(biāo)系下的新坐標(biāo)值，作為后期橋梁變形監(jiān)測的平面坐標(biāo)起算基準(zhǔn)。

2.2 高程基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)

高程基準(zhǔn)網(wǎng)由 11個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)組成，其中“GCJZ01”、 “GCJZ02”、 “GCJZ03”、 “GCJZ04”為高程基準(zhǔn)點(diǎn)， “BM1”、 “BM2”、 “BM3”、“BM4”、 “BM5”、 “BM6”和 “BM7”是位于橋頭穩(wěn)定地段的高程工作基點(diǎn)。高程基準(zhǔn)網(wǎng)的點(diǎn)位分布如圖2所示。

圖2 高程基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)位分布圖

高程基準(zhǔn)網(wǎng)采用國家二等水準(zhǔn)觀測精度進(jìn)行觀測。外業(yè)觀測完成后，技術(shù)指標(biāo)為：最長視距為47.31m，限差為50.0m；前后視距差最大為1.31m，限差為±1.5m；前后視距累積差最大為4.7m，限差為±6.0m；電子水準(zhǔn)儀兩次讀數(shù)之差最大為0.2mm，限差為±0.4mm；所測高差之差最大為0.4mm，限差為±0.6mm；各測段往返高差較差最大為3.12mm，限差為±4.3mm；環(huán)閉合差最大為0.45mm，限差為±21.6mm；每千米水準(zhǔn)測量的偶然中誤差為0.93mm，限差為±1.0mm。觀測數(shù)據(jù)經(jīng)各項(xiàng)改正后，采用平差軟件進(jìn)行整網(wǎng)嚴(yán)密平差計(jì)算，各項(xiàng)精度指標(biāo)均優(yōu)于規(guī)范要求［8］。

3 橋梁平面位移監(jiān)測

大橋共布設(shè)平面位移監(jiān)測點(diǎn)42個(gè)，包括主橋橋面平面位移監(jiān)測點(diǎn) 23個(gè)，分別命名為ZQM01～ZQM23。匝道橋面平面位移監(jiān)測點(diǎn)18個(gè)，分別命名為ZDM01～ZDM18。主塔平面位移監(jiān)測點(diǎn)1個(gè)，命名為ZTM01。部分平面位移監(jiān)測點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 部分平面位移監(jiān)測點(diǎn)位置分布圖

使用1″級測量機(jī)器人對42個(gè)平面位移監(jiān)測點(diǎn)按照建筑變形觀測二級精度進(jìn)行觀測。采用全站儀自由測站邊角交會網(wǎng)的外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。外業(yè)數(shù)據(jù)采集的各項(xiàng)誤差如下：2C互差最大值為4.5秒，限差為9.0秒；水平方向觀測6測回，測回間方向值較差最大值為3.1秒，限差為±5.0秒；半測回歸零差最大值為 1.9秒，限差為±5.0秒；每測站天頂距觀測6測回，指標(biāo)差互差最大值為2.7秒，限差為±5.0秒，測回間天頂距較差最大值為1.3秒，限差為±5.0秒，各項(xiàng)限差均符合規(guī)范要求［9］。采用測量平差處理軟件在橋軸線獨(dú)立坐標(biāo)系進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到平面位移監(jiān)測點(diǎn)在橋軸線獨(dú)立坐標(biāo)系的平面坐標(biāo)，作為橋梁變形監(jiān)測的首期坐標(biāo)。

4 橋面撓度及橋墩沉降監(jiān)測

橋面撓度點(diǎn)和橋墩沉降點(diǎn)分布于大橋兩側(cè)人行道路沿上，為不銹鋼鋼釘。橋面撓度點(diǎn)點(diǎn)號上游方向?yàn)槠鏀?shù)，下游方向?yàn)榕紨?shù)，共計(jì) 64點(diǎn)。撓度點(diǎn)以監(jiān)測主橋上層橋面撓度變化為主，根據(jù)目前引橋兩側(cè)在進(jìn)行深基坑施工情況，兼顧A、B、C、D匝道及引橋的撓度變形，故點(diǎn)位布設(shè)以主橋按1/4跨距布設(shè)原則，共計(jì)布設(shè)撓度點(diǎn)34個(gè)，點(diǎn)名為 “QSN15”~“QSN48”；引橋、C和D匝道按每跨跨中位置布設(shè)于匝道內(nèi)側(cè)，A和B匝道現(xiàn)在未建成，導(dǎo)致 “QSN49”～“QSN54”共6個(gè)撓度點(diǎn)未測。暫計(jì)劃按每匝道3個(gè)點(diǎn)布測，聯(lián)中及聯(lián)兩端位置 （根據(jù)實(shí)際建成情況而定）共布設(shè)撓度點(diǎn) 30個(gè)，點(diǎn)名為 “QSN01”～“QSN14”和 “QSN55”～“QSN64”。部分撓度點(diǎn)位位置如圖4所示。

圖4 部分撓度點(diǎn)位置分布圖

為監(jiān)測橋臺、橋墩的沉降，在大橋每個(gè)橋墩墩底上部1～2m的位置布設(shè)1個(gè)沉降觀測點(diǎn)，索塔上沉降點(diǎn)布設(shè)在高于橋面約0.5m的位置。大橋共布設(shè)沉降點(diǎn) 37個(gè)，分別命名為 CJD01～CJD37，部分沉降點(diǎn)位置如圖5所示。

圖5 部分沉降點(diǎn)位置分布圖

為了確保變形觀測的連續(xù)性和準(zhǔn)確性，橋面撓度點(diǎn)和橋墩沉降點(diǎn)的觀測在夜間隔斷交通的條件下進(jìn)行。外業(yè)觀測采用電子水準(zhǔn)儀配條形碼銦瓦尺，按 《建筑變形測量規(guī)范》二級水準(zhǔn)精度要求進(jìn)行。所有外業(yè)數(shù)據(jù)經(jīng)檢核合格后，采用平差軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。

5 垂直度監(jiān)測

為監(jiān)測大橋引橋和匝道超過15m高的墩柱的垂直度變化，需要布設(shè)垂直度觀測點(diǎn)，C匝道的CP0、CP1、CP2、CP3、CP4墩柱，D匝道的DP4、DP5、DP6，DP7、DP8、DP9橔柱，引橋的YP6墩柱和主橋的ZP3墩柱共12個(gè)墩柱。在超過15m的每個(gè)墩柱的順橋向和橫橋向方向的墩頂與墩底位置均布設(shè)觀測點(diǎn)，即每個(gè)墩柱為四個(gè)觀測點(diǎn)，分別為順橋向上、順橋向下、橫橋向上、橫橋向下。對各垂直度觀測點(diǎn)進(jìn)行多期觀測即可獲取墩柱各位置的垂直度變化情況。

6 伸縮縫寬度量測

大橋伸縮縫包括主橋兩端的模數(shù)式伸縮縫以及匝道上安裝的異型鋼單縫式伸縮縫，模數(shù)式伸縮縫共4道，其中主橋與南北引橋相接處各1道，主橋和C、D匝道相接處各1道。異型鋼單縫式伸縮縫有4道，分別為C、D匝道的二聯(lián)交接處及橋跨與橋臺接接處。

對于模數(shù)式伸縮縫除對伸縮縫的總寬變化進(jìn)行監(jiān)測外，還需要對伸縮縫每個(gè)中梁間的小縫寬度變化進(jìn)行監(jiān)測，大橋的模數(shù)式伸縮縫有5道小縫。伸縮縫的變形監(jiān)測方法為在每道伸縮縫的兩側(cè)靠人行道處伸縮縫的順橋向兩側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)帶十字絲的測標(biāo)，每次量測兩測標(biāo)十字絲之間的寬度即為伸縮縫總寬度，對于中梁間的小縫以兩測標(biāo)十字絲之間的連線為基線分別量測其寬度。需要設(shè)立的測標(biāo)數(shù)量模數(shù)式伸縮縫為16個(gè)，異型鋼單縫式伸縮縫設(shè)置測標(biāo)數(shù)量為16個(gè)。觀測縫寬數(shù)量模數(shù)式伸縮縫為28個(gè)，異型鋼單縫式伸縮縫為8個(gè)。

采用專門鋼尺對北引橋與主橋邊跨連接處縫進(jìn)行量測。每條伸縮縫測量3次，讀數(shù)取位至0. 1mm，取3次量測的平均值作為伸縮縫量距觀測值，并將首期觀測成果作為伸縮縫寬度初始值，后續(xù)相同位置完成的量測結(jié)果與之對比，從而獲取伸縮縫寬度的變化量。

7 結(jié)語

目前，國內(nèi)外已建成跨度大于300m的公鐵兩用橋20余座，公鐵兩用橋正朝著大跨度、新工藝、新材料等方向發(fā)展，公鐵兩用橋的變形監(jiān)測工作也需要由電算化向智能化轉(zhuǎn)變。文章結(jié)合實(shí)例研究了大型公鐵兩用橋的整體變形監(jiān)測方案，分析了監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)及監(jiān)測方法，對于同類型的工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

［1］許兆軍，侯文葳，張玉玲.公鐵兩用橋在我國的應(yīng)用前景［J］.鐵道建筑，2000（12）:16-19.

［2］雷俊卿，黃祖慰，桂成中，等.公鐵兩用大橋現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展趨勢分析 ［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2016，31（11）:1-4.

［3］孫英杰，肖海珠，徐偉.鄭州黃河公鐵兩用橋施工控制關(guān)鍵技術(shù)研究 ［J］.橋梁建設(shè)，2011（2）:5-8.

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［5］丁幼亮，卞宇，趙瀚瑋，等.公鐵兩用斜拉橋豎向撓度的長期監(jiān)測與分析 ［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，14（2）：271-277.

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［7］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范：CJJ/T73-2010［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［8］全國地理信息標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范：GB/T 12897-2006［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［9］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑變形測量規(guī)范：JGJ 8-2016［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

Scheme of Deformation Monitoring of Large-Scale Highway-Railway Bridge

LI Hong-chao NIE Song-guang SHI Jun-liang

The same bridge position is shared between the highway and the railway in large-scale highway-railway bridge.The load is large,the span is large and the force is complicated.So,to ensure the safe operation of the bridge,it is necessary to monitor and forecast the deformation of the bridge.In this article, a large-scale highway-railway bridge is used as an example to study the layout of the deformation monitorng base network,the monitoring of the plane displacement of the bridge,the monitoring of the bridge delection,the monitoring of the bridge pier settlement,the verticality monitoring and the width measurement of the expansion joints.The scheme can provide reference for the deformation monitoring work of other highway-railway bridge.

highway,railway,highway-railway bridge,deformation monitoring,scheme

U446.2

A

1008-3812（2017）02-001-03

2017-03-20

2015年度黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院校內(nèi)課題 （2015KXJS007）。

李洪超 （1985— ），男，河南永城人，助教。研究方向：衛(wèi)星重力學(xué)、海平面變化及工程測量等。