銅陵長江大橋線形測量與分析

魏海偉，鄭華凱

（1．中交公路規(guī)劃設計院有限公司，北京 100088；2．江蘇省交通工程建設局，江蘇 南京 210000）

0 引言

銅陵長江公路大橋位于安徽省銅陵市羊山磯下游600m處，是國家“八五”計劃的重點工程，是當時世界上同類型的第三大跨徑橋梁，也是安徽省境內第一座長江大橋，于1991年12月開工建設，1995－12－26竣工通車。

為了解橋梁結構使用狀況和工作性能，同時為結構的養(yǎng)護管理提供科學依據(jù)，確保橋梁結構的安全和運營的暢通，銅陵長江公路大橋進行了連續(xù)四年的空間測量。通過對測量數(shù)據(jù)的分析，反映橋梁的空間變形情況，評估橋梁的運營狀況［1－3］。

1 橋梁概況

銅陵長江公路大橋全長2 592m，其中主橋長1 152m，為主跨432m的雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋。橋跨布置為80m＋90m＋190m＋432m＋190m＋90m＋80m，橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖（cm）

2 測量內容

橋梁的線形反映了橋梁的整體工作狀態(tài)，當出現(xiàn)剛度削減后，其空間變形會增大，超出設計允許值［4－6］。本次觀測為第四期觀測，監(jiān)測內容為：（1）南北引橋及主橋梁段橋面撓度監(jiān)測，主要反映橋梁主梁的剛度；（2）索塔空間位置監(jiān)測，主要反映索塔的剛度和索力變化；（3）江北橋墩間距、梁長測量。

3 方案

3．1 基準點

為使本期撓度監(jiān)測成果能夠與成橋線形對比分析，保證基準點的穩(wěn)定性、可靠性和監(jiān)測成果的持續(xù)性，主橋及引橋橋面撓度監(jiān)測的基準點采用大橋建設期間控制點TQ05（高程：17．633 3m，本次測量中將其命名為G01）作為水準測量起算數(shù)據(jù)，并按照國家二等水準精度要求對全橋高程控制網(wǎng)進行加密。在南引橋起始端加密布設點G02、點G03，南塔承臺加密布設點G04，北塔承臺加密布設點G05及北引橋終止端加密布設點G08、點G09，共計6個控制基準點。在全橋加密控制測量成果滿足國家二等水準精度要求后，平差計算得加密點的高程成果，用于撓度變形監(jiān)測。

南北索塔空間平面位置變形監(jiān)測時，由于建橋期間控制點遭到破壞而無法恢復使用，因此本次監(jiān)測延用上期布設點PM01（架站點，位于大橋公園水文觀測站平臺上）和點PM02（后視定向點，南引橋第19＃橋墩承臺上）作為控制基點，坐標系接近于橋軸坐標系。以橋軸中心線為X軸，方向為北岸指向南岸；由下游指向上游并垂直于X軸，方向為Y軸。測量時，首先選定主橋直線段某點（LS1）為假設基準點，并假定坐標為（1 000，1 000），橋軸方向方位角為（0°），測量得控制點PM01的坐標值。完成點PM01的坐標采集后，搬站至點PM01，并以點LS1為后視方位，測量得點PM02的坐標值。至此，完成橋軸坐標系的恢復，并建立南北索塔空間平面位置變形監(jiān)測時所需控制點：點PM01、點PM02。

3．2 監(jiān)測點

3．2．1 南、北引橋及主橋鋼箱梁段橋面撓度監(jiān)測點

橋面撓度變形是通過監(jiān)測橋面的標高變化來分析的，主要是監(jiān)測順橋向的撓度變形，因此監(jiān)測點沿橋面縱向布設。

全橋橋段為上、下游幅結構，監(jiān)測點沿引橋兩側布設，分別在每跨的端頭和跨中的防撞護攔墻壁上布設監(jiān)測點。南引橋共布設48×2＝96個點，北引橋共布設41×2＝82個點，主橋共布設58×2＝116個點。全橋的上游撓度監(jiān)測點編號為NS01～NS147，下游撓度監(jiān)測點編號為NX01～NX147，測點布設位置如圖2所示。

圖2 橋面撓度監(jiān)測點布設示意圖

3．2．2 索塔空間位置監(jiān)測點

南、北索塔空間位置監(jiān)測點布設在索塔頂部，上、下游塔柱頂部各布設一個監(jiān)測點，共計4個監(jiān)測點，分別為NTS、NTX和BTS、BTX。測量時，在控制點上插入棱鏡，用全站儀測量出其空間平面位置，與以往各期測量成果進行比較，從而掌握索塔空間位置變形情況。測點布設位置如圖3所示。

圖3 索塔空間位置監(jiān)測點布設示意圖

3．2．3 江北引橋橋墩間距、梁長及垂直度監(jiān)測點

北引橋橋墩墩間距測量采用的方法是在北側江堤上架設高精度免棱鏡全站儀，分別測量出每個橋墩頂部、底部表面點（≥20個）的坐標，用MATLAB程序擬合出橋墩形狀，從而計算出兩個橋墩頂部或者底部中心位置的距離，即為橋墩墩間距。由于在橋墩上難以布設監(jiān)測點，所以本次測量采用免棱鏡模式，在每個橋墩的頂端和底部順著橋墩的表面從左向右觀測20個點以上。為了減少誤差以及方便以后的數(shù)據(jù)對比，在觀測上、下游的兩個橋墩時盡量保持在同一個高度上，即測量時全站儀垂直角不變，且底端也在同一個高度。

北引橋梁長測量時，在主橋1＃橋墩上游側架設高精度免棱鏡全站儀，分別測量出與主橋1＃橋墩上梁段的起始截面及引橋19＃橋墩上梁段終止截面的水平距離，兩個距離之差即為梁長。因此，只需在主橋1＃橋墩上選定穩(wěn)定的基準點，并標示出主橋1＃橋墩的起始截面和引橋19＃橋墩的終止截面。

4 測量結果與分析

4．1 橋面撓度監(jiān)測結果與分析

橋梁撓度的變化與溫差、混凝土徐變以及橋面長期荷載有直接的關系。以第一期監(jiān)測結果為初值，將后續(xù)三期的高程減去第一期高程結果，繪制出最新三期橋梁的主梁變形圖，具體見圖4。

圖4 橋面豎向變形累計變化曲線圖

結合前三次測量結果分別對南引橋、北引橋、主橋測量結果進行分析：

南引橋的上下游高程變化值趨勢基本一致，線性非常吻合，上游與下游一樣，高程有一些小幅波動。考慮到本次測量和上期測量橋梁所處的溫差，加上測量的誤差等外界綜合因素的影響，從總體上看，南引橋橋面未發(fā)生明顯下?lián)献冃危ㄈ鐖D5所示）。

圖5 南引橋橋面撓度變化曲線圖

北引橋上下游沉降總的趨勢是一樣的，由近主橋處向遠離主橋方向高程變化值是逐漸減小的，沒有高程突然變化很大的點。上下游的線性非常對稱，上下游變化趨勢一致，較上期監(jiān)測成果，北引橋整體呈現(xiàn)小幅下沉趨勢，綜合考慮溫差等外界條件對橋梁的影響以及測量誤差，可認為北引橋線性保持良好（如圖6所示）。

圖6 北引橋橋面撓度變化曲線圖

主橋的變化量相對引橋變化量要大，但上下游變化趨勢基本一致，本期高程變化量較上期略微增大，平均變化量相對于上期在減小，累計變化量也在減小，綜合分析可認為主橋未發(fā)生明顯下?lián)献冃巍躄／1 000的現(xiàn)象（如圖7所示）。

綜合現(xiàn)場因素分析，造成本次測量主橋變化偏大的主要原因為：本次測量天氣情況較好，風力較小，而上期監(jiān)測的現(xiàn)場環(huán)境風力較大。以往試驗證明橋梁在大風中狀態(tài)是不穩(wěn)定的，橋梁受風力影響可能會產生一些晃動，風也會對橋面的溫度場產生一定的影響，造成溫度應力從而影響橋面的撓度。

圖7 主橋橋面撓度變化曲線圖

4．2 索塔空間位置監(jiān)測結果與分析（見表1）

表1 索塔空間位置坐標值監(jiān)測結果表

由測量結果分析可得：

（1）空間X向，第四期測量變化范圍為－9．5～35．8mm，在 往 期 測 量 最 大 變 化 范 圍 －65．2～66．4mm之間。四次測量變化值在該狀況下設計允許范圍－10．96～11．08cm之內，索塔在該方向處于安全狀態(tài)；

（2）空間Y向，第四期測量變化范圍為－56．4～－8．0mm，超出以往測量最大 變化范 圍－35．0～15．7mm，索塔BTX各次測量變化值為－13．8mm、－12．8mm、－8．0mm，存在單向偏離的情況，需后續(xù)加強觀測。

4．3 江北橋墩間距、梁長（見圖8～9和表2）

圖8 橋墩間距示意圖

表2 橋墩間距測量值監(jiān)測結果表

由本次測量結果分析：上游2個橋墩頂部的距離為50．684 3m，變 化 量 為1．2mm，底 部 距 離 為50．584 5m，變化量為－1．7mm；下游2個橋墩頂部距離為50．625 6m，變化量為3．5mm，底部距離為50．544 5m，變化量為1．4mm。本次所測出的間距變化很小，說明橋墩間距沒有相對位移。

圖9 梁長間距示意圖

本次所測出的梁長為49．903m，變化量為3mm，可以認為梁長沒有發(fā)生變化。

5 結語

通過對銅陵長江大橋進行線形測量和分析，由歷次監(jiān)測結果分析可得如下結論：

（1）南北引橋高程變化有正有負且變化量絕對值相對較小，表明橋面相對上期較穩(wěn)定，總體變化很小。南北引橋的上、下游監(jiān)測點從南向北高程變化趨勢基本一樣，沒有突變的點，橋的線性和上期測量時基本吻合。南引橋和北引橋的橋面有小幅的下沉，由于受到溫差和測量誤差的綜合影響，可認為南引橋和北引橋橋面未發(fā)生下?lián)献冃巍?/p>

（2）主橋的上下游高程變化一開始都是變化增大，且變化由負轉正表明橋面存在一定的起伏，不是相對均勻沉降。主橋的高程有不小的變化，但上下游的變化趨勢基本一致，上下游非常對稱，且主橋兩側的變化都非常對稱，考慮到溫差和測量誤差等綜合因素的影響，可認為主橋未發(fā)生下?lián)献冃巍?/p>

（3）索塔的空間位置與測量時的溫度、日照、風速以及車輛荷載等因素均有關系，本期監(jiān)測結果顯示索塔產生了較大的位移變化。但由于涉及諸多影響因素，對索塔空間位置的分析應結合長期密集監(jiān)測的結果，且在后期測量中密切關注本期變化量較大的點位和方向。

（4）本次梁長和橋墩間距變化都很小，考慮到測量時的溫度、日照、氣壓、風速以及車輛荷載等因素，可認為梁長和橋墩間距沒有發(fā)生明顯變化，且變化都在正常范圍之內。