某大橋墩柱變形監(jiān)測(cè)與結(jié)構(gòu)性能分析研究

唐運(yùn)來

（四川路橋橋梁工程有限責(zé)任公司，成都 610000）

1 引言

隨著交通負(fù)荷的增加和環(huán)境條件的變化，橋梁墩柱可能會(huì)出現(xiàn)變形或損傷，這些問題如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)方法往往依賴于定期的視覺檢查和簡(jiǎn)單的測(cè)量工具，這些方法不僅耗時(shí)耗力，而且難以準(zhǔn)確捕捉到墩柱的微小變形和早期損傷。因此，開發(fā)一種高效、精確的墩柱變形監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)性能分析方法顯得尤為迫切[1]。本文聚焦于某大橋墩柱的變形監(jiān)測(cè)與結(jié)構(gòu)性能分析，采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)墩柱的變形情況，并通過結(jié)構(gòu)性能分析評(píng)估其安全狀況。

2 工程概況

該橋位于四川省巴中市通江縣杜家灣附近，全長(zhǎng)354 m，采用的橋型方案為80 m+150 m+80 m 連續(xù)箱梁和40 m 預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁。橋梁起點(diǎn)與終點(diǎn)分別位于河道兩岸的斜坡之上，路線跨越通江，小樁號(hào)橋臺(tái)位于緩坡地帶，大樁號(hào)橋臺(tái)位于陡坡地帶，地面標(biāo)高為329.6~424.3 m 不等，相對(duì)高差約95 m，山體上部斜坡陡峻，植被茂密。大橋主橋上部構(gòu)造為80 m+150 m+80 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，箱梁根部梁高9.5 m，跨中梁高3.5 m，頂板厚30 cm，底板厚從跨中至根部由30 cm 變化為120 cm，腹板厚度為50 cm、66 cm、80 cm，兩次各分兩個(gè)節(jié)段直線變化，箱梁高度和底板厚度按二次拋物線變化。箱梁頂板橫向?qū)?9.5 m，箱底寬13 m，翼緣懸臂長(zhǎng)3.25 m。箱梁0號(hào)節(jié)段長(zhǎng)12 m，每個(gè)懸澆T 梁縱向?qū)ΨQ劃分為21/20 個(gè)節(jié)段，梁段數(shù)及梁段長(zhǎng)從根部至跨中分別為4×2.5 m、4×3 m、4×3.5 m、8×4.0 m，節(jié)段懸澆總長(zhǎng)68 m。邊、中跨合龍段長(zhǎng)均為2 m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)3.8 m?？缰性O(shè)一道厚0.5 m 的橫隔板。

3 橋墩變形監(jiān)測(cè)

3.1 控制網(wǎng)點(diǎn)部署方案

對(duì)于大橋橋墩的變形實(shí)施監(jiān)測(cè)，基準(zhǔn)控制網(wǎng)點(diǎn)布置須嚴(yán)格遵守以下監(jiān)測(cè)原則，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。在監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，基準(zhǔn)點(diǎn)必須設(shè)置在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且未受變形影響的區(qū)域，以保證測(cè)量基線的穩(wěn)定性。每座橋至少應(yīng)設(shè)3 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，以構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)固的參考框架。工作基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)布置在易于訪問且對(duì)施工影響最小的位置，保障監(jiān)測(cè)活動(dòng)的順利進(jìn)行。變形觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在最能反映橋梁變形特征的位置，包括橋墩頂部和結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。通過這些點(diǎn)位，可以獲得橋梁整體及局部的變形數(shù)據(jù)。大橋模型圖見圖1。

圖1 大橋模型

針對(duì)大橋的特點(diǎn)，研究采用了先進(jìn)的地理空間技術(shù)布置基準(zhǔn)點(diǎn)[2]。3 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)BM1、BM2 和BM3 的選取，充分考慮了周圍環(huán)境和橋梁的結(jié)構(gòu)布局。這些點(diǎn)位分別布設(shè)在結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的底座基礎(chǔ)上，并采用了可靠的物理固定方式。BM1 在右側(cè)底座基礎(chǔ)上，位于22#墩柱80 m 處，BM3 位于同一墩柱30 m處；而BM2 位于右側(cè)水泥基礎(chǔ)上，距22#墩柱65 m。每個(gè)點(diǎn)使用不銹鋼觀測(cè)釘，在鉆孔后用植筋膠進(jìn)行固定，并以醒目的紅油漆進(jìn)行標(biāo)記，確保了長(zhǎng)期的可見性和辨識(shí)度。此外，對(duì)于主墩變形監(jiān)測(cè)，研究在每個(gè)墩上布置了兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，共計(jì)8 個(gè)，這些點(diǎn)位于各主墩的0#塊隔板中心和左、右寬墩的外側(cè)，以全面捕捉可能的變形數(shù)據(jù)。

3.2 橋墩沉降監(jiān)測(cè)部署方案

在大橋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，橋墩沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)定扮演著一個(gè)關(guān)鍵角色。橋墩作為橋梁的關(guān)鍵承重構(gòu)件，其穩(wěn)定性對(duì)整體結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)在每個(gè)橋墩的頂端和底座，這些點(diǎn)沿著橋墩的主軸線和橫向外側(cè)安排，以此形成一個(gè)由24 個(gè)點(diǎn)組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)[3]。這種布局旨在全面捕捉由土體變形引起的任何垂直位移，為橋梁安全評(píng)估提供準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3.3 橋墩位移監(jiān)測(cè)與傾斜監(jiān)測(cè)部署方案

在橋墩的水平位移監(jiān)測(cè)計(jì)劃中，由于橋墩基座存在淤泥層，河床的積淀活動(dòng)可能會(huì)對(duì)橋墩的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。為了詳細(xì)了解這些變化，監(jiān)測(cè)點(diǎn)被精確地設(shè)置在每個(gè)橋墩的頂部和底部。這24 個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)均配備了專門的監(jiān)測(cè)標(biāo)志，以確保在連續(xù)監(jiān)測(cè)過程中能夠精確記錄位移數(shù)據(jù)。通過這些測(cè)點(diǎn)，可以有效跟蹤和分析橋墩在各種環(huán)境條件下的水平位移趨勢(shì)。橋墩是橋梁底部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，其穩(wěn)定性直接影響到橋墩的整體安全性能。因此，橋墩必須保持充分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與堅(jiān)固性。不斷增長(zhǎng)的交通負(fù)荷、常見的超載運(yùn)輸現(xiàn)象以及外部荷載作用下地基土的松動(dòng)，都可能導(dǎo)致橋墩發(fā)生形變或傾斜。這種情況下，實(shí)施橋墩的傾斜監(jiān)測(cè)變得尤為重要。針對(duì)大橋的具體情況，本次監(jiān)測(cè)特別設(shè)置了12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于橋墩的關(guān)鍵位置。在每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)打入膨脹螺絲并使用結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行固定和加強(qiáng)，以確保監(jiān)測(cè)設(shè)備的牢固和數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為保障測(cè)量數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性，選取了BM1 和BM2作為主要參照點(diǎn)，同時(shí)設(shè)定BM3 為驗(yàn)證點(diǎn)以確保數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)準(zhǔn)確性。觀測(cè)過程中，通過重復(fù)測(cè)量至少4 輪，以消除偶然誤差，提高結(jié)果的可靠性。一旦檢測(cè)到基準(zhǔn)點(diǎn)有任何偏差，立即利用BM3 進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)量完成后，迅速進(jìn)行數(shù)據(jù)平差處理，確保所得數(shù)據(jù)滿足控制網(wǎng)規(guī)定的等級(jí)精度要求。后續(xù)布設(shè)的獨(dú)立控制網(wǎng)以BM1 為坐標(biāo)起點(diǎn)，X 軸沿橋梁主軸定向，Y 軸垂直于橋梁主軸，從而確保了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取的有效性。測(cè)量結(jié)果表明，該網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，符合正常運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)。

采用精確的三角高程測(cè)量技術(shù)對(duì)大橋墩柱的沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在進(jìn)行測(cè)量之前，必須正確安裝單棱鏡，并確保其高度及視線高度適宜，同時(shí)保持視線距離任何障礙物超過1.3 m。通過精確測(cè)算角度及距離，計(jì)算得出測(cè)點(diǎn)與橋墩間的相對(duì)高程差。依據(jù)JGJ 8—2016《建筑變形測(cè)量規(guī)范》中規(guī)定的精度要求，連續(xù)兩次測(cè)量的高差若在允許的誤差范圍內(nèi)，其平均值則被確定為最終的沉降值。本次觀測(cè)結(jié)果見表1。

表1 沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

表1 中LTP 表示左幅頂部點(diǎn) （Left Top Point），LBP 表示左幅底部點(diǎn) （Left Bottom Point），RTP 表示右幅頂部點(diǎn)（Right Top Point），RBP 表示右幅底部點(diǎn)（Right Bottom Point），數(shù)字表示墩柱編號(hào)，A 表示本次測(cè)量周期。表1 展示了墩柱在一定觀測(cè)期內(nèi)的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，2022 年期間，橋梁墩柱的沉降量變化在-3.9~5.7 mm。RBP-17A 點(diǎn)和LBP-18A點(diǎn)記錄了最大的沉降量變形，均為-4.03mm。監(jiān)測(cè)到的墩柱累計(jì)沉降值波動(dòng)在-4.03~5.17 mm，其中RBP-17A 點(diǎn)出現(xiàn)了最大沉降，而LBP-18A 點(diǎn)則顯示了最大的升高。所有這些測(cè)量值都在安全的正常范圍內(nèi)，未觀察到異常的突變現(xiàn)象。為確保墩柱的水平移動(dòng)得到有效監(jiān)控，防止過度位移影響穩(wěn)定性，本次監(jiān)測(cè)采納了全站儀進(jìn)行精密測(cè)量，使用極坐標(biāo)系統(tǒng)來追蹤水平位移。監(jiān)測(cè)過程沿水流方向展開，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)記錄。進(jìn)一步地，通過對(duì)比不同時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，繪制了反映墩柱水平位移趨勢(shì)的曲線圖。橋墩水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖2 所示為各時(shí)期橋墩水平位移監(jiān)測(cè)曲線，整體比較可知，2021 年橋墩累積位移的波動(dòng)幅度比2022 年和2020 年大。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，本次檢測(cè)過程中觀察到橋墩發(fā)生了水平和垂直的移動(dòng)。在水平方向，累積的位移測(cè)量值介于-7.1~4.7mm。而在垂直方向，測(cè)得的位移值變化介于-7.1~8.8 mm。觀測(cè)點(diǎn)LBP-17A 記錄了此次監(jiān)測(cè)中的最大移動(dòng)量，但這些位移值均在橋梁設(shè)計(jì)的安全運(yùn)行參數(shù)內(nèi)，并未發(fā)現(xiàn)異常的位移活動(dòng)。在本次監(jiān)測(cè)中，為準(zhǔn)確捕捉橋墩的傾斜變形，采用了配備Leica小棱鏡的全站儀進(jìn)行精確測(cè)定。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，運(yùn)用極坐標(biāo)法對(duì)橋墩的頂端和底端進(jìn)行了坐標(biāo)定位，借助坐標(biāo)計(jì)算，確定了橋墩標(biāo)志點(diǎn)的中心投影線的傾斜方向。隨后，通過轉(zhuǎn)換所得的坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，計(jì)算出了傾斜率。利用這些數(shù)據(jù)，制作了表現(xiàn)橋墩傾斜變化的監(jiān)測(cè)曲線圖，如圖3 所示。

圖3 橋墩傾斜度監(jiān)測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在本次評(píng)估期間，橋墩的傾斜度測(cè)量值分布在-0.33‰至0.35‰的區(qū)間內(nèi)。傾斜度最大的觀測(cè)點(diǎn)位于QL21#，所有記錄的傾斜值均在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許的安全邊界之內(nèi)，沒有檢測(cè)到任何不尋常的突變現(xiàn)象。

5 結(jié)語

橋梁作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性對(duì)于保障交通的流暢和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全具有至關(guān)重要的意義。本文通過對(duì)橋梁墩柱變形監(jiān)測(cè)與結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，為橋梁工程的專業(yè)人士提供了寶貴的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。通過引入先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)和精確的數(shù)據(jù)分析方法，能更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)和評(píng)估橋梁的健康狀況，預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)由交通負(fù)荷增加和環(huán)境條件變化引起的潛在問題，為我國(guó)橋梁工程的持續(xù)發(fā)展和安全運(yùn)營(yíng)提供保障。