大跨度斜拉橋變形觀測的實施方法

覃文柱，符海鷗

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大跨度斜拉橋變形觀測的實施方法

覃文柱，符海鷗

（四川省核工業地質調查院，成都 610061）

在橋梁運營期間，由于各種原因，會造成其不同程度的損傷和破壞。為了保證既有橋梁的安全運營和盡可能延長它的正常使用年限，應對其進行實時健康監測與安全性評估[1]。介紹了現代大跨度斜拉橋變形產生的原因、監測的內容、變形監測的實施方法，指出利用現代測量儀器和技術不僅完全可以滿足大跨度橋梁管理部門提出的要求，而且還可以提高測量速度，其測量成果也具有很高的精度。

斜拉橋；健康監測；變形監測；GPS

大型斜拉橋是近代發展起來的新型橋梁。這種橋梁的結構特點是跨度大、塔柱高、斜拉段具有柔性特性。在這類橋梁的施工測量中，人們已針對動態施工測量作了一些研究并取得了一些經驗[2]。在竣工通車運營期間，如何針對它們的柔性結構與動態特性進行監測是人們十分關心的另一問題。盡管目前有些橋梁已建立了了解結構內部物理量的變化的“橋梁健康系統”，它對于了解橋梁結構內部的應力、應變及其變化對于監測橋梁安全無疑是十分重要的，但對于全面監測與分析橋梁安全尚嫌不夠，還要通過測定它們幾何量的變化，才能更直觀明了地判斷其安全狀態。因此，采用現代大地測量原理和技術方法[3]，以及特種精密工程測量技術測定它們宏觀幾何量的變化顯得十分必要。

1 變形產生的原因

斜拉橋變形產生的原因，一般由以下原因引起[4]: 第一，自然條件及其變化，即橋梁墩臺地基的工程性質、水文地質、土壤的物理性質以及地震等。例如在開挖基礎時，由于去掉地表土，改變了基巖或地基的原始受力狀況，因而產生回彈，即比原始狀況升高；或樁基礎施工完工未加上部荷載；隨著工程的進展，基礎的受力逐漸增加，因而基礎的受力逐漸增加，因而基礎會逐漸下沉；由于基礎基底的地質條件不同，會使墩臺產生不均勻的下沉，影響墩臺發生傾斜和位移；由于溫度和水位季性和周期性變化以及水流方向的變化，橋梁將會產生規律性變形；由于洪水、流水及在偶然情況下船只的碰撞也會使墩臺發生傾斜和位移。第二，與橋梁本身相聯系的原因，即作用在橋梁上部結構靜荷載與作用在墩臺的靜荷載，墩臺、梁、斜拉索的結構形式以及動荷載的作用，斜拉索的斷絲 、銹蝕及錨固松弛等。第三，勘測、設計、施工以及運營管理不善也會引起橋梁的額外變形。

2 變形觀測的內容

根據我國最新頒發的“公路技術養護規范”中的有關規定和要求，以及大跨度橋梁塔柱高、跨度大和主跨梁段為柔性梁的特點，變形觀測的主要內容包括：①橋梁墩臺沉陷觀測、橋面線形與撓度觀測、主梁橫向水平位移觀測、高塔柱擺動觀測；②為了進行上述各項目的測量，還必須建立相應的水平位移基準網與沉陷基準網觀測。上述各觀測內容應根據是否允許中斷交通的要求確定具體的靜態或動態觀測方式。

3 全站儀及GPS變形監測基本原理

全站儀由電子經緯儀，光電測距儀和微處理機組成，它可在測站上同時測角和測距，并能自動計算出待定點的坐標和高程，儀器安置一次便可完成測站上的全部測量工作。特別是最近推出的直接反射型全站儀，無需在測點布設反射棱鏡，對于測定難以企及或者其他儀器不可能測量的點十分適用。RTK定位技術是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術[5]，它能夠實時地提供觀測站在指定坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級精度。在RTK作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和觀測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結果。流動站可處于靜止狀態，也可處于運動狀態；可在固定點上先進行初始化后再進入動態作業，也可在動態條件下直接開機，并在動態環境下完成整周模糊度的搜索求解（OTF）。在整周未知數解固定后，即可進行每個歷元的實時處理，只要能保持4顆以上衛星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，流動站就能隨時給出厘米級定位結果。

4 變形觀測方法與成果精度

4.1 GPS定位系統測量平面基準網

為了滿足變形觀測的技術要求，考慮到基準網邊長相差懸殊，對基準網提出了邊長相對精度不低于1/12萬、邊長誤差小于±5 mm的雙控精度指標；鑒于工作基點均位于大橋橋面，它們與基準點之間難以全部通視，確定采用GPS定位系統施測[6]。為了在觀測期間不中斷交通，且避開車輛通行引起儀器的抖動和干擾GPS接收機的信號接收，對設置在橋面工作基點的觀測時段均安排在夜間作業，盡可能使其符合靜態作業條件以提高觀測精度。

4.2 高程基準網和沉陷觀測

高程基準網與橋面沉陷觀測均按照“國家一、二等水準測量規范”的二等技術規定要求實施。并將垂直位移基準網點、橋面沉陷點、過江水準線路之間構組成了多個環線。高程基準網的觀測采用了 Leica NA3000 數字式水準儀與條紋編碼水準尺，它可以不需人工讀數，只需照準條紋碼水準尺便可以自動的顯示讀數，減少了照準誤差和人工讀數的誤差影響，有利于提高水準測量的精度；橋面沉陷觀測采用了 Ni007 自動安平水準儀；高程基準網中的過江水準測量，采用 2 臺全站儀同時對向觀測的測量方案。

4.3 全站儀坐標法觀測橫向水平位移

眾所周知，直線型建筑物的水平位移常采用基準線法觀測，它的實質測定垂直于基準線方向的偏離值。為充分發揮現代全站儀的優點，橋面水平位移觀測采用了類似基準線法原理的坐標法，以直接測定觀測點的橫坐標。根據對全橋觀測點的結果進行了統計分析，在未顧及視線長度不等對 Y 坐標的精度影響的條件下，求得 Y 坐標的精度為±0. 48 mm，它遠高于橋梁監測技術中的精度要求（±3mm）。

5 結論

由以上分析可以看到，采用GPS與全站儀對大橋在控制荷載和環境荷載作用下進行變形監測是可行的。隨機激勵法的一個缺點就是輸入能量可能過小，不足以激起感興趣的高階模態 。此次GPS動態監測時由于過往車輛較少，所引起橋梁結構的振幅只有幾個厘米，但對于嘗試性的試驗，結果仍基本令人滿意。監測過程及結果表明，這種方法對于普通大橋的變形監測十分適用，既有效地降低了監測成本，又極大地提高了作業的靈活性，是一種具有良好應用前景的方法。可以想象，通過適當增加GPS接收機與全站儀的數量，在不同測點同時監測，可以得到大橋整體結構變形情況，配以適當的軟件可對大橋的動態變形進行實時顯示。這對反映大橋工作環境和荷載的變化，進一步分析主要構件，例如主懸索纜、縱向主梁等的實際內力的分布情況，以及為大橋營運和維修決策者提供大橋超載的警告信息具有重要現實意義。未來基于GPS技術的橋梁健康監測系統將是一個集衛星定位技術、數字通訊技術、計算機網絡技術、自動控制技術、精密工程測量技術及現代數據處理技術等高新技術的綜合監測系統[7]。

[1] 張啟偉．大型橋梁結構健康監測概念與監測系統設計[A]．上海:同濟大學出版社．2000,908～913．

[2] WU Dong 2 cai. Construction Survey of Large Cable 2stayedBridge [M] . Beijing : Publishing House of Surveying andMapping ，1996. （in Chinese）

[3] 李青岳．《工程測量學》[M]．測繪出版社，1984．

[4] 賀國宏．橋隧控制測量[M]．北京:人民交通出版社，1999．

[5] 中華人民共和國城鄉建設環境保護部.《全球定位系統城市測量技術規程》（CJJ73-97）[S]. 1997．

[6] 劉正光．人造衛星定位系統在橋梁結構健康監測中的應用[J]．廣西交通科技，2003,（ 1）:3．

[7] 李英冰，徐紹銓，張永軍，等．譜分析在GPS自動化監測系統中的應用研究[J]．武漢大學學報（信息科學版），2001,（8）：343～348．

Deformation Monitoring of Long-Span Cable-Stayed Bridge

QIN Wen-zhu FU Hai-ou

(Sichuan Institute of Uranium Geological Survey, Chengdu 610061)

This paper discusses deformation causes of modern long-span cable-stayed bridge and its monitoring method of deformation and points out that using modern measuring instruments and technology not only can meet fully needs of the long-span bridges administration, but also can heighten measurement speed and accuracy.

cable-stayed bridge; health monitoring; deformation monitoring; GPS

P642.3

A

1006-0995（2015）01-0093-02

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.01.021

2013-07-08

覃文柱（1982～），男，湖南懷化人，測繪工程師，主要從事測量及其相關工作