大跨徑鋼桁梁拱橋變形監測方案設計與精度分析

潘成軍

(重慶市勘測院，重慶 400020)

大跨徑鋼桁梁拱橋變形監測方案設計與精度分析

潘成軍?

(重慶市勘測院，重慶 400020)

橋梁在運營過程中由于受到外部因素破壞及內部性能退化等影響，橋梁的安全性、適用性和耐久性都會降低，為了保證橋梁的安全運營，必須對其進行健康監測及安全評估。本文結合工程實例詳細介紹了大跨徑橋梁變形監測的基準網建立、變形點布設原則和數據監測，并對位移和沉降觀測進行精度分析等，為同類型橋梁健康安全監測和運營管理起參考借鑒作用。

變形監測；位移；撓度；沉降；精度分析

1 引 言

隨著城市經濟的發展和交通運輸的需求，大型橋梁工程的建設規模和速度都在快速增長，具有“橋都”美譽的重慶，在主城區嘉陵江和長江上規劃和建設有十多座大型橋梁，其中的菜園壩長江大橋是重慶主城區首座大跨徑鋼桁梁拱橋，其主跨跨度居世界系桿拱橋之首。在橋梁的運營過程中，由于受到車載、風載、溫度、地震等外部因素以及材料性能退化、疲勞效應等內部因素的影響，橋梁結構的安全性、適用性和耐久性都會降低，甚至造成橋梁結構的破壞引起工程事故。因此，為了橋梁在設計年限內的安全運營，要對橋梁定期進行形變監測，并根據長期的監測結果做出合理的分析和安全預報，為橋梁安全使用和養護管理決策提供可靠的科學依據。

2 項目概況

重慶菜園壩長江大橋是1996年國務院批準的重慶市總體規劃中的主城區長江上的一座大型橋梁。于2007年10月建成通車，是重慶主城區首座大跨度拱橋。主橋采用鋼構與提籃式鋼箱系桿拱、鋼桁梁的組合結構，系桿拱橋主跨 420 m，大橋全長1 866 m。該橋的實景如圖1所示。

圖1 菜園壩長江大橋實景

為了掌握菜園壩大橋及立交的運營狀況，必須對大橋及立交進行健康監測及安全評估。監測從大橋竣工后第一年開始，每年冬季最冷時進行。

3 監測方案的設計與實施

3.1 基準網的建立

平面基準網基準點的選埋按照規范要求并結合現場實際情況，在大橋兩岸共埋設9個C級GPS控制點作為變形監測平面基準點。觀測采用Trimble 5800 GPS接收機進行觀測。平面基準網采用天寶TGO軟件進行基線解算，基線精度符合規范要求后，采用POWERADJ4.0軟件對GPS獨立基線向量網進行驗算，其異步環閉合差WS、復測基線較差dS均滿足規范要求。在橋軸系中:二維坐標增量改正數較差δV△x為1.7 mm，限差為 ±20.1 mm；δV△y為 －3.2 mm，限差為±20.6 mm。表明GPS網平差成果正確可靠。

高程基準網采用Leica DNA03自動補償電子水準儀配條形碼因瓦尺按二等水準精度要求進行往返高差觀測。各測段觀測高差除進行真長改正外，還應進行正常水準面不平行改正，其公式如下:

式中:φ為測段兩端點緯度平均值，以度為單位；H為測段兩端點近似高程平均值，以米為單位；△φ為測段兩端點緯度差，以分為單位。

經計算每千米水準測量的偶然中誤差M△的值為0.05 mm，完全滿足規范M△＝±1.0 mm的要求。

3.2 變形點的監測

(1)水平位移監測

大橋橋面受日照、風力、溫度及外力作用會產生不同的水平位移，因此必須對其進行水平位移觀測。考慮到儀器特點及觀測方法的簡便易行，決定采用Leica TCA2003智能型全站儀(測角精度0.5″，測距精度1 mm＋1 ppm)按極坐標法進行觀測，其觀測點坐標中誤差能夠達到±3.0 mm的精度要求。平面位移觀測點布設在立交橋面及橋墩上部、主橋拱頂兩側1/4間距處、主跨橋面上下游1/2間距處。

測量時將儀器置于基準站上，后視并檢校基準點，觀測位移點上的棱鏡得到距離和方向角。為提高觀測精度，每次均采用兩測回觀測讀數和雙極坐標法觀測。各項觀測精度滿足要求后進行邊長投影改正，采用NASEW測量平差軟件對位移點在橋軸系下進行坐標計算。統計位移點本期與起零值、前期觀測值的絕對和相對位移量，繪制位移矢量圖，分析位移點在監測期間的位移變化規律。圖2所示為大橋主橋部分位移點在橋軸線縱向的位移矢量。

圖2 主橋位移矢量圖

(2)撓度、沉降監測

撓度、沉降變化是評價橋梁使用功能和安全性的重要指標之一。本項目沉降及撓度觀測采用 Leica DNA03電子水準儀(標稱精度為0.3 mm/km)配因瓦標尺按二等水準要求進行，其垂直變形平差精度能夠達到±0.5 mm。監測點采用不銹鋼標準件作為標記。起零值往返觀測，以后單向觀測。觀測后進行數據平差計算，統計其絕對和相對變形量，繪制變化曲線圖。主橋部分橋面點撓度觀測結果如表1所示，沉降變化曲線圖如圖3、圖4所示。

主橋部分橋面點撓度觀測結果(累計沉降/mm) 表1

ZQN33 94.0 10.8 9.5 ZQN35 73.2 6.8 6.2 ZQN37 44.8 3.0 1.9 ZQN39 20.7 －0.1 －2.0 ZQN41 15.4 －0.4 －2.1 ZQN43 13.4 0.0 －1.8

下游橋面點

圖3 主橋上游撓度變化圖

圖4 主橋下游撓度變化圖

由主橋部分撓度點累計變化統計表和變化曲線圖看出，主橋上、下游橋面撓度呈線形變化，趨勢基本一致。

4 變形監測精度分析

4.1 平面位移觀測精度分析

采用Leica TCA2003全站儀測量位移點坐標，誤差主要包括基準點本身的點位中誤差、對中誤差、測距誤差和測角誤差等，由于每次觀測時都采用同一基準點，它本身的誤差不影響觀測精度，且觀測時使用強制歸心觀測墩和強制對中標件，對中誤差較小可忽略，故水平位移測量的精度可由下式計算:

式中:Ms為測距中誤差；Ms＝a＋b×S(a為固定誤差，b為比例誤差，S為測距)；Mβ為測角中誤差，(u為儀器標稱精度)；ρ＝206 265。

取基準點到觀測點的最大觀測距離為700 m，儀器測距標稱精度為1 mm＋1 ppm，測角精度為0.5″，代入精度計算公式，得Mx，y＝±1.7 mm，若采用兩測回，則Mx，y＝±1.2 mm，采用三測回，則Mx，y＝±1.0 mm，可見增加測回數可以提高觀測精度，測回數n與各測站平差后一測回方向中誤差的平均值mα和測角中誤差mβ以及導入系統誤差影響系數λ存在如下函數表達式:

從上式推算可知，菜園壩長江大橋變形監測項目采用的平面位移觀測方法完全可以滿足《建筑變形測量規范》中變形測量二級對位移觀測點坐標中誤差±3.0 mm的要求。

4.2 沉降觀測精度分析

則a點和b點不均勻沉降量的中誤差為:

由于在每周期對每個監測點的觀測中，均采用同一觀測方案，由同一臺儀器和同一組人員在外界環境大致相同的條件下進行觀測，故假設:

以菜園壩大橋為例，大橋墩臺的沉降監測點離最遠高程基準點的距離不超過1 000 m，二級精度水準觀測視線長度≤50 m，也就是每測站的水準路線長不超過100 m，則由基準點到監測點的測站數為:

采用標稱精度為±0.3 mm/km的Leica DNA03電子水準儀配條紋碼因瓦尺進行觀測，則:

于是每一監測點沉降量的中誤差為:

所以，采用每千米觀測高差中誤差為±0.3 mm的精密水準儀進行觀測，符合《國家一、二等水準測量規范》上對儀器的要求，足以把大于±1.0 mm的不均勻沉降量反映出來。

5 結 語

橋梁變形監測可以對橋梁在使用過程中的變形情況進行監控，獲得梁體撓度、結構沉降等幾何形變信息，對橋梁的運營管理、科學養護和安全預警提供數據支撐。本文系統地介紹了變形監測方法的選擇及監測方案的設計等內容，并以重慶菜園壩長江大橋為實例介紹了大跨徑鋼桁梁拱橋監測的實施方法和精度分析。

[1] 國家質量監督檢驗檢疫總局.全球定位系統(GPS)測量規范[S].

[2] 國家質量技術監督總局頒.國家一、二等水準測量規范[S].

[3] 建設部.建筑變形測量規范[S].

[4] 伊曉東，李保平.變形監測技術及應用[M].黃河水利出版社

[5] 賀志勇，盛飛.大跨度橋梁的變形監測及精度分析[J].華南理工大學學報

[6] 賀栓海.橋梁結構理論與計算方法[M].人民交通出版社

Scheme Design and Accuracy Analysis of the Long－span Truss－steel Beam Arch Bridge Deformation Monitoring

Pan Chengjun
(Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China)

During the bridge operational period，because of the external and inner factors，the safety，applicability and durability of bridge structure will be destroyed.In order to ensure the safe operation of bridges，it is necessary to take health monitoring and safety assessment.Combined with engineering practices，datum network building，layout principle of deformation points，and data monitoring of long－span bridges are described in detail in this paper.Furthermore，the accuracy analysis of displacement and settlement observation is discussed.This paper provides reference function for the health monitoring and operation management of the bridges with the same type.

Deformation Monitoring；Displacement；Deflection；Settlement；Accuracy Analysis

2011—07—14

潘成軍(1979—)，男，工程師，主要從事工程測量和變形監測方面的工作。

1672－8262(2012)02－149－03

TU196＋.1

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