螺溪洲大橋主橋桁架變形監(jiān)測研究

許 鑫，樊 超，王孝武，崔洪波，曹 晨

（中交第二公路工程局，江西 贛州 341000）

螺溪洲大橋是連接福建省泉州市晉江市和南安市的一座公路大橋，全長約16.34 km，其中主跨長達(dá)1 000 m。該橋的建設(shè)旨在緩解當(dāng)?shù)亟煌▔毫Γ龠M(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。作為福建省內(nèi)跨度最大的橋梁之一，螺溪洲大橋的設(shè)計和施工對于橋梁行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

在大橋建設(shè)過程中，橋梁變形監(jiān)測是一項至關(guān)重要的工作，它可以為橋梁的安全性和穩(wěn)定性提供有效的保障。隨著計算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，橋梁變形監(jiān)測技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。

本文將首先介紹螺溪洲大橋的基本情況和主橋桁架結(jié)構(gòu)形式，然后闡述橋梁變形監(jiān)測技術(shù)的方法，最后對該橋梁的變形監(jiān)測進(jìn)行應(yīng)用分析。本研究對橋梁變形監(jiān)測技術(shù)的探究和應(yīng)用具有一定的理論意義和實際應(yīng)用價值，可以為橋梁工程的設(shè)計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

螺溪洲大橋西起金東北路以東，橋梁總長1 543 m。其中主橋橋型采用鋼桁架跨越贛江航道，主橋跨徑布置為（70+140+140+70） m=420 m，引橋總長約1 123 m，其中西側(cè)引橋長約90 m，東側(cè)引橋長約1 033 m。

2 變形監(jiān)測技術(shù)分析

大橋主橋桁架變形監(jiān)測是保障大橋安全性和運行效率的重要手段之一。為了實現(xiàn)準(zhǔn)確的監(jiān)測，需要對監(jiān)測變形技術(shù)進(jìn)行分析。以下是幾種大橋主橋變形監(jiān)測綜合技術(shù)的闡述和分析。

1） 鋼繩應(yīng)變測量技術(shù)。鋼繩應(yīng)變測量技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于大橋主橋桁架變形監(jiān)測的技術(shù)。該技術(shù)可以測量鋼繩的應(yīng)變變化，通過計算鋼繩的伸縮量來推算橋梁結(jié)構(gòu)的變形量。該技術(shù)具有精度高、靈敏度好、安裝方便等優(yōu)點，適用于各種類型的大橋。缺點是該技術(shù)需要安裝大量鋼繩，安裝成本較高。同時，鋼繩易受到風(fēng)吹、雨淋等外界因素的影響，需要經(jīng)常維護(hù)和校準(zhǔn)。

2） 振動傳感器技術(shù)。振動傳感器技術(shù)是一種基于加速度傳感器的振動監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)可以通過測量橋梁結(jié)構(gòu)的振動頻率和振動幅度來分析橋梁的變形狀態(tài)。該技術(shù)具有精度高、響應(yīng)速度快、在線監(jiān)測等優(yōu)點，適用于各種類型的大橋。缺點是該技術(shù)需要安裝大量的傳感器，成本較高。同時，傳感器易受環(huán)境溫度、濕度等因素的影響，需要經(jīng)常維護(hù)和校準(zhǔn)。

3） 激光掃描技術(shù)。激光掃描技術(shù)是一種通過激光掃描儀測量橋梁表面形態(tài)變化的監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)可以實時獲得橋梁表面的三維幾何形態(tài)信息，進(jìn)而推算出橋梁的變形量。該技術(shù)具有精度高、非接觸式監(jiān)測、能夠進(jìn)行大范圍監(jiān)測等優(yōu)點，適用于各種類型的大橋[1-2]。

3 監(jiān)測方案

3.1 檢測基準(zhǔn)點和檢測點的布設(shè)

在大橋主橋剛桁架變形檢測中，激光三維掃描技術(shù)可以用于采集主橋剛桁架的變形數(shù)據(jù)，通過分析和處理這些數(shù)據(jù)，得出橋梁的變形情況，為橋梁的安全評估和維護(hù)提供重要依據(jù)[3]。在進(jìn)行激光三維掃描技術(shù)檢測時，需要在大橋主橋剛桁架上設(shè)置基準(zhǔn)點和監(jiān)測點。基準(zhǔn)點是指用于校準(zhǔn)掃描儀的參考點，用來保證采集數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性。監(jiān)測點是指用于采集主橋剛桁架變形數(shù)據(jù)的點，一般需要根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的特點和變形情況進(jìn)行選擇。

3.2 三維激光技術(shù)數(shù)據(jù)預(yù)處理

三維激光技術(shù)掃描得到的點云數(shù)據(jù)一般都需要進(jìn)行預(yù)處理，如去除噪聲、補(bǔ)全缺失數(shù)據(jù)、提取特征等，以便后續(xù)的分析和應(yīng)用[4]。

1） 去噪處理。去噪方法包括濾波算法、采樣算法等。可以去除點云中的離群點和孤立點，以減少點云數(shù)據(jù)的數(shù)量，提高數(shù)據(jù)處理的效率。

2） 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。在多次掃描得到的點云數(shù)據(jù)中，可能存在位置偏差和旋轉(zhuǎn)偏差，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。配準(zhǔn)方法是基于整體優(yōu)化的方法，包括Bundle Adjustment 算法、非線性最小二乘算法等，可以通過優(yōu)化點云數(shù)據(jù)的剛體變換參數(shù)，實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的精確配準(zhǔn)。

3.3 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法

通過比較掃描得到不同時間點的點云數(shù)據(jù)，計算出剛橋架的變形量和變形方向。基于三維點云匹配的方法，對比不同時間點的點云數(shù)據(jù)，計算出點云之間的偏移量，從而得到桁架的變形情況。對于大橋主橋剛桁架的變形分析結(jié)果，需要進(jìn)行分布分析，以確定變形的分布情況。分布分析的方法是基于區(qū)域分析的方法，將大橋主橋桁架劃分為若干個區(qū)域，對每個區(qū)域進(jìn)行變形分析，得到每個區(qū)域的變形情況，從而確定變形的分布情況。綜合以上分析方法，可以對采用三維激光技術(shù)掃描獲得的大橋主橋桁架變形結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而了解桁架的變形情況，為后續(xù)的修繕和維護(hù)工作提供依據(jù)。

4 技術(shù)運用

4.1 控制網(wǎng)測量

在橋梁正式投入使用前，需要進(jìn)行荷載試驗分析，以確定是否能夠達(dá)到正常通行標(biāo)準(zhǔn)[5]。變形檢測是試驗分析的重要步驟，文中采用了三維激光掃描技術(shù)，并在現(xiàn)場布置控制點和基準(zhǔn)網(wǎng)[6]。為了確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行強(qiáng)制對中設(shè)置，并使用螺栓連接固定儀器。基準(zhǔn)點設(shè)置完成后，應(yīng)用南方GNSS接收機(jī)實施靜態(tài)觀測，以獲得各個基準(zhǔn)點的坐標(biāo)、高程數(shù)據(jù)信息。觀測過程中需要觀測1 h 以上，使用衛(wèi)星數(shù)量在4 顆以上，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。通過控制網(wǎng)二維約束平差和三維自由網(wǎng)平差，獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。只有在變形檢測結(jié)果符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求時，才能投入使用。

4.2 數(shù)據(jù)采集

為了達(dá)到數(shù)據(jù)精度要求，需要結(jié)合不同位置上的地形條件選擇合適的三維激光掃描儀設(shè)備。針對此次測量工作的需要，選擇RIEGLVZ-400i 設(shè)備。對于檢測橋梁變形程度工作來講，根據(jù)觀測順序提出以下要求。

選擇主梁上的固定點作為基準(zhǔn)點，完成定向處理后，開始進(jìn)行處理及掃描。為了保證檢核與拼接流程快速結(jié)束，當(dāng)接準(zhǔn)點設(shè)置完成后，需要重新掃描結(jié)構(gòu)重合性，為設(shè)置公共面的重合性提供輔助，也就是檢核明確測量后的點云數(shù)據(jù)，用以保持基準(zhǔn)點精度信息準(zhǔn)確無誤。

掃過程中使用徠卡精度為0.5 s 的TM50 全站儀，保證獲得的三維坐標(biāo)系數(shù)具有良好的準(zhǔn)確性。基準(zhǔn)點與標(biāo)靶之間保持不超過300 m 的距離，之后的內(nèi)業(yè)處理過程，系統(tǒng)軟件主動辨別收集到的數(shù)據(jù)信息，并能夠加快坐標(biāo)系數(shù)的確定。

由于橋梁桁架體型龐大，可通過分級加載的方式檢驗承載力。檢驗前，應(yīng)落實鋼桁架變形測試，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。借助全站儀觀察數(shù)據(jù)變形情況，每間隔60 min 后進(jìn)行記錄。為了保證數(shù)據(jù)校核結(jié)果準(zhǔn)確，需要在鋼桁架頂端增加投標(biāo)靶，之后通過三維掃描儀進(jìn)行觀測，以便全面掌握數(shù)據(jù)變形情況，明確鋼桁架變形程度。向內(nèi)業(yè)空間上傳檢測數(shù)據(jù)，并在全站儀支持下對相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，并針對各時段采集的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

4.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

需要利用技術(shù)剔除誤差，提高建模質(zhì)量。自然環(huán)境和測量手法等相關(guān)因素均可能對數(shù)據(jù)精度造成影響，所以需要時刻注意數(shù)據(jù)拼接，避免誤差。現(xiàn)場掃描過程中，操作過程可采用分塊掃描的方式進(jìn)行，拼接各個區(qū)的數(shù)據(jù)整合應(yīng)用，計算誤差參數(shù)。發(fā)現(xiàn)問題要立即解決。系統(tǒng)將多余點云清理，并分區(qū)域?qū)С鰯?shù)據(jù)。通過三維激光掃描儀可將變形數(shù)據(jù)點云的精密度維持在0.5 cm 范圍內(nèi)。當(dāng)橋梁點云數(shù)據(jù)拼接完成后，可進(jìn)行平差整理行處理，注意點云平面與高度誤差保持在1～2 cm。

4.4 點云建模

對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，系統(tǒng)能夠基于使用者需求構(gòu)建數(shù)據(jù)模型。通過系統(tǒng)軟件完成建模及數(shù)據(jù)分析，對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后，針對不同數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行著色或者渲染，制作相應(yīng)圖像資料，在考慮實際應(yīng)用需求的情況下將離散點數(shù)據(jù)刪除，滿足使用要求。在此期間，需要針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)實施降噪處理，將其中的冗余數(shù)據(jù)清除，確保點云數(shù)據(jù)流暢，并借助采樣功能對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理。隨后便可獲得與之對應(yīng)的采樣間隔及曲率數(shù)據(jù)，完成建模后對視圖進(jìn)行優(yōu)化。最后，封裝完成的模型，為取得三角網(wǎng)模型做準(zhǔn)備。

4.5 點云精度對比

通過同高精密度全站儀將鋼桁架坐標(biāo)參數(shù)上傳到坐標(biāo)系統(tǒng)，通過承臺坐標(biāo)（見表1） 可以獲得點云坐標(biāo)參數(shù)對比結(jié)果。

表1 承臺坐標(biāo)對比

4.6 變形分析

主橋的鋼桁架變形受到極端天氣條件的影響，極端的高溫導(dǎo)致鋼材膨脹，極端的低溫導(dǎo)致鋼材緊縮，都會產(chǎn)生形變，因此我們監(jiān)測極端的高溫和低溫狀態(tài)下主橋順橋向、橫橋向和豎直方向的位移變化規(guī)律，通過對位移的分析得出主橋不同節(jié)點位置位移變化曲線（見圖1）。

圖1 主橋不同節(jié)點位置位移變化曲線

在極端高溫的條件下，上游順橋向的位移隨著節(jié)點位置的變化波動明顯，在AA4 達(dá)到最大后開始變小，在AA9 時，恢復(fù)到0 位移，AA9 為支座處，后續(xù)節(jié)點不再明顯變化。豎直向位移與順橋向位移不同，變化趨勢為先增加后減小，且變化幅度最大，在AA3 時達(dá)到19 mm 左右，且在AA9 時達(dá)到0 位移后再次呈現(xiàn)增大趨勢，只是變化趨勢不再向之前一樣大。橫橋向位移與豎向位移相反，先減少后增大，最后減少。橋梁邊跨位置位移較大，中跨位置位移小。在低溫條件下，各節(jié)點位移變化幅度較為平緩，靠近邊跨位置的位移變化稍大。

在高溫條件下，橋梁下游節(jié)點位移變化不同于上游，順橋向主橋邊跨位置變化非常大，達(dá)到23 mm，之后逐漸減少，在到達(dá)節(jié)點AA9 之后也趨于穩(wěn)定。橫橋向的變化規(guī)律上下游基本相同。豎橋向不同于上游，豎橋向位移是先減少后增大，通過支座節(jié)點AA9 后繼續(xù)增大。在低溫條件下，與上游處有共同的特征，都是位移較小，在邊跨和支座處位移減小，中跨附近位移較大。綜上，在極端低溫條件下，主橋各方向位移變化均較小，橋梁變形較小；而在極端高溫環(huán)境下，出現(xiàn)較大的位移變化較多，其中靠近跨中位置的變化最為明顯。

5 結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)的主要優(yōu)勢是可以實現(xiàn)實景復(fù)刻，并且可以使用點云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型建設(shè)，從而保證了數(shù)據(jù)的高準(zhǔn)確性。通過使用三維激光掃描儀可以獲取橋梁變形數(shù)據(jù)信息，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后建設(shè)完善的變形檢測模型，這種技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描儀的精度不斷提高，一般可以達(dá)到5 mm 的精度，從而提高了橋梁變形檢測的效果。通過本文對螺溪洲大橋主橋桁架極端高溫、低溫變形監(jiān)測的研究，結(jié)果表明極端低溫環(huán)境下，主橋順橋向、橫橋向及豎直位移變化均不大，橋梁變形較小；極端高溫環(huán)境下，主橋順橋向、橫橋向及豎直向均出現(xiàn)較大的位移變化，靠近邊跨位置最為明顯，證明了三維激光掃描技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測中的應(yīng)用具有很大的潛力，可為后續(xù)的橋梁維護(hù)和保養(yǎng)提供參考。