探討懸索橋運營期的維護測量

陳遠紅

摘要 隨著我國橋梁工程建設(shè)的不斷推進，為確保橋梁的安全運營，需要重視并做好橋梁運營期間的維護測量。文章以某懸索橋梁為研究對象，基于該懸索橋的運營維護、測量要求構(gòu)建維護測量基準網(wǎng)絡(luò)，對該懸索橋梁體、懸索、索塔等關(guān)鍵部位進行測量，以完成懸索橋運營維護測量的主要任務(wù)。根據(jù)該懸索橋的結(jié)構(gòu)特點以及所處環(huán)境因素，探討合理的維護測量手段，旨在為類似的懸索橋運營維護測量提供技術(shù)借鑒。

關(guān)鍵詞 大型懸索橋;運營維護;索塔變形監(jiān)測

中圖分類號 U445.7 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）13-0117-03

0 引言

工程實踐中，懸索橋多用于江海、峽谷的聯(lián)通，該次研究的懸索橋主橋體連續(xù)鋼箱梁，共兩跨，其中主跨長1 760 m。長時間的服役運營使該懸索橋的結(jié)構(gòu)因環(huán)境改變、車輛荷載等因素作用而出現(xiàn)一定程度的破壞，目前該懸索橋橋頭部分動態(tài)運動，如不加以控制，橋梁結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)變化，將威脅橋梁的安全運營，因此，必須重視并做好該懸索橋運營階段的維護及測量工作，做到及早發(fā)現(xiàn)安全隱患，及時處理[1]。

1 大型懸索橋運營期維護測量內(nèi)容

懸索橋運營期間，主梁承受了大部分的車輛荷載，該懸索橋主梁為半漂浮連續(xù)鋼制箱梁，長時間的車輛載荷及應(yīng)力的作用可能導(dǎo)致箱梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞損傷，形成裂縫，最終斷裂。而且在溫度變化、雨水等外部環(huán)境的長期反復(fù)影響下，箱梁可能出現(xiàn)過度變形，進而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損壞。為保證箱梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、完整性，應(yīng)重視并做好主梁豎線測量[2]。

（1）運營階段的懸索橋懸索系統(tǒng)在長時間干濕交替作用下容易出現(xiàn)氧化腐蝕，導(dǎo)致懸索鋼絲銹蝕，導(dǎo)致應(yīng)力過度集中，降低懸索的疲勞強度，甚至導(dǎo)致懸索斷裂。因此懸索橋運營階段應(yīng)密切監(jiān)測主纜線形，如測得數(shù)據(jù)異常，第一時間進行處治，以有效保障懸索橋運營階段的使用安全。

（2）該橋的索塔結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力鋼混結(jié)構(gòu)，其下部與橋梁基礎(chǔ)連接，上部懸掛并固定在主纜上。如果作用在索塔上的合力方向偏離其中心軸未指向基礎(chǔ)，則索塔將產(chǎn)生彎矩，使索塔出現(xiàn)橫向位移，導(dǎo)致橋梁整體結(jié)構(gòu)變形。懸索橋的跨度越大，施加在索塔上的力越大，其上部發(fā)生位移或變形的可能性就越大[3]。因此，在橋梁運營階段應(yīng)該密切監(jiān)測塔頂位移和變形，如發(fā)現(xiàn)異常必須及時處治。

（3）通過分析總結(jié)懸索橋主要部位的受力情況和結(jié)構(gòu)特點，該文認為應(yīng)建立和使用位移監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，基于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對懸索橋主梁豎向線形、懸索線形以及索塔變形進行密切監(jiān)測。

2 大型懸索橋運營期維護測量方法

2.1 位移監(jiān)測基準網(wǎng)的建立與維護

基于現(xiàn)有工程數(shù)據(jù)和實地勘測發(fā)現(xiàn)，該懸索橋施工階段建立了四個全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測點以及高程監(jiān)測點，各監(jiān)測點靠近橋梁但均位于橋梁承壓區(qū)域范圍外，均采用強制對中觀測墩，附近無遮擋，視野好。

（1）與平面基準點共處同一個樁的高度監(jiān)測點為定心觀測墩的參考點，使用簡便、易于維護，可靠性高。共有八個監(jiān)測點可作為參考點，用于監(jiān)測運營階段的橋梁位移。此外，運營后期該懸索橋設(shè)置了一個全球定位導(dǎo)航動態(tài)位移監(jiān)測點以及多個流動監(jiān)測點，構(gòu)成全球定位導(dǎo)航監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[4]。在位移監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中加入一個跨域資源共享監(jiān)測基準站，便于進行位移數(shù)據(jù)的整體計算。因此，該懸索橋共計九個位移監(jiān)測點，形成最終的位移監(jiān)測基準網(wǎng)絡(luò)。

（2）位移監(jiān)測基準網(wǎng)常用全球定位導(dǎo)航靜態(tài)定位法進行測量。按照現(xiàn)行道路橋梁工程測量規(guī)范要求，大型懸索橋的橫向位移測量精度需達到毫米級，現(xiàn)場測量精度應(yīng)滿足精度二級要求。因此，采用八臺全球定位導(dǎo)航接收設(shè)備對橋梁布設(shè)的八個全球定位導(dǎo)航監(jiān)測點進行測量，同時橋梁南側(cè)的跨域資源共享監(jiān)測基準站布設(shè)一臺全球定位導(dǎo)航接收設(shè)備。

（3）該懸索橋的垂直位移監(jiān)測點布設(shè)于橋梁兩端，為確保橋梁兩端的垂直位移測量誤差在合理范圍，需進行跨越橋梁兩端的垂直位移測量。按照橋梁監(jiān)測的相關(guān)技術(shù)標準和操作要求對橋梁兩端的垂直位移進行二級精度測量。

（4）為保證該懸索橋運營階段的安全使用，需對該橋整個生命周期的位移進行監(jiān)控，此外還需保護好測量基準網(wǎng)絡(luò)，確保監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)完整可靠，并做好定期復(fù)測，確保測量精度滿足要求，通過穩(wěn)定監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)衡量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是否穩(wěn)定。

2.2 主梁豎向線形和主纜線形測量

2.2.1 主梁豎向線形測量

應(yīng)優(yōu)先選擇在橋梁封閉期間測量其主梁豎向線形，以有效提高測量精度，減少動載荷對測量結(jié)果的影響，同時應(yīng)盡量選擇溫差較小的時間段進行主梁豎向線形測量，以最大限度地減少溫度變化對測量結(jié)果的影響[5]。

（1）利用幾何水準測量法測量該懸索橋主梁線形，根據(jù)相關(guān)測量技術(shù)標準，沿由橋面測量點組成的封閉水平線進行測量[6]。最后，計算并平差，得到每個線形測量點的測量數(shù)據(jù)，最終得到實際的主梁線形，比較實際線形和測量線形，明確線形的變化情況，以評估橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。

（2）為保證該懸索橋主梁豎向線形的測量數(shù)據(jù)精度，結(jié)合測量現(xiàn)場實況，將測量控制點均勻設(shè)置于橋梁東西兩側(cè)的維護通道圍欄上，測量點分布及標記見圖1。

（3）在視野較好的主梁線形測量點安裝全站儀，觀測該懸索橋主梁各線形測量點，配合線下高程測量基準點，組合成完整的測量路線。測量時需重復(fù)測量相鄰測量點的重疊區(qū)域，以相互驗證相鄰測量點的測量結(jié)果，圖2為該懸索橋主梁線形測量示意圖。

（4）利用全站儀測量各測量點和后視點之間的高程差，比較測得的高程差與已知高程差值，從而計算出測量區(qū)域空氣中光折射和地球曲率實時差分改正值dh，從而保證主梁豎向線形測量精度：

式中，hO——測量點與后視點之間的高程差精確值;hJ——測量點和后視點之間的測量高程差;SJ——測量點與后視點之間的測量斜距。

（5）利用實時差分球?qū)y量點與基準站之間的實際測量高程差進行面校正，經(jīng)校正處理后的測量點和基準站之間的三角高度差計算公式為：

式中，hp——測量點與基準站之間未經(jīng)微分校正測得的三角高程差;Sp——測量點與基準站之間測得的斜距。

（6）橋梁未封閉的情況下實際測量得到的主梁豎向線形與橋梁封閉狀態(tài)下測量得到的主梁豎向線形對比如圖3所示。據(jù)圖可知，兩種狀態(tài)下的主梁豎向線形趨勢線重合，表明該懸索橋主梁未發(fā)生明顯變形，橋梁的左右幅豎向線形對稱分布。

2.2.2 主纜線形測量

為測量該懸索橋的主索線形，需先將主索線形測量點布設(shè)于距離主索一段距離的索夾上[7]。為確保測量點分布均勻，可將主索均分四段，即分別在橋梁兩邊跨的1/4、2/4和3/4處設(shè)置測量點，具體布設(shè)見圖4。

為保證測量精度，需先確定主纜線形測量點的三維坐標。該次測得的橋梁主索線形大致為拋物線形，同時東西兩向主索對稱分布[8]。此時測得的主索形態(tài)與橋梁施工時的主索形態(tài)趨勢線一致，無明顯差異（如圖5、圖6）。

2.3 索塔變形監(jiān)測

考慮到橋塔上部的位移，應(yīng)將橋梁上部變形測點設(shè)于橋梁索塔上部的對應(yīng)位置。因索塔較高，塔頂監(jiān)測點的平面坐標可以通過靜態(tài)全球定位導(dǎo)航測量獲得[9-10]。該次測量結(jié)合懸索橋的地形地質(zhì)實際情況，采取多項平面擬合法對橋梁索塔頂部變形測量點的全球定位導(dǎo)航高程進行擬合，基于距離差監(jiān)測法，參照圖7所示的三跨徑測量方案。該次測量的南邊跨、中跨、北邊跨跨徑依次為Sac、Scd、和Sbd，其余時間段測得的三跨跨徑分別為、、，則三跨跨徑變化值和、、可按下式計算：

當>0，<0，當不變，則橋梁南側(cè)索塔朝南錨偏移;當<0，>0，不變，則橋梁南側(cè)索塔朝北錨移動;當<0，>0，不變，則橋梁北側(cè)索塔朝北錨移動;當>0，>0，不變，則橋梁北側(cè)索塔朝南錨移動;當>0，<0，不變，則橋梁南側(cè)索塔朝南錨移動，橋梁北側(cè)索塔朝北錨移動;當<0，>0，>0，則橋梁南側(cè)索塔朝北錨移動，橋梁北側(cè)索塔朝南錨移動。錨頂部兩個測量點a到b的距離為三跨跨徑之和，各期測量點a、b間距應(yīng)固定不變，以驗證該方法是否可靠。

3 結(jié)論

通過研究該懸索橋運營階段的維護性測量工作方法與要點，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)特點、工程實踐總結(jié)以下研究結(jié)論：

（1）現(xiàn)階段的橋梁維護測量技術(shù)標準中缺少針對大型懸索橋運營過程中的維護測量技術(shù)要求，該次研究基于某懸索橋的運營維護測量需求，對維護測量工作內(nèi)容和要點進行了總結(jié)。

（2）在橋梁正常通車的狀態(tài)下，可利用全站儀測量橋梁主梁豎向線形，利用全站儀測量各測量點和后視點之間的高程差，比較測得的高程差與已知高程差值，從而計算出測量區(qū)域空氣中光折射和地球曲率實時差分改正值dh，保證測量精度。

（3）采用靜態(tài)全球定位導(dǎo)航測量法，測量該懸索橋索塔頂部變形，通過多項式平面擬合全球定位導(dǎo)航高程，實驗驗證了該方法的正確性。

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