徐 兮

(1．重慶電訊職業(yè)學(xué)院，重慶630342;2．重慶交通大學(xué)，重慶400074)

一、引 言

對(duì)歷史悠久的文物橋或“超期服役”的老舊橋進(jìn)行安全、健康診斷，是一項(xiàng)嚴(yán)謹(jǐn)和必需的工作，常規(guī)的措施是將設(shè)計(jì)、施工資料與變形測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，提出經(jīng)濟(jì)適用的維修養(yǎng)護(hù)方案并加以執(zhí)行，以保障橋梁在穩(wěn)定的狀態(tài)下能夠良性運(yùn)通。而文物橋、老舊橋大多年代久遠(yuǎn)，其設(shè)計(jì)、施工資料因社會(huì)變革或戰(zhàn)火動(dòng)亂大多蕩然無存，這就給相關(guān)活動(dòng)的開展帶來了不小的困難。

民國(guó)時(shí)期建筑，延用至今的重慶市江津區(qū)SF拱橋，設(shè)計(jì)施工資料全部缺失，設(shè)計(jì)壽命無法查得，為保障運(yùn)通的安全，從20世紀(jì)80年代起，每10年對(duì)該橋進(jìn)行了一次全面監(jiān)測(cè)。在SF橋最近一次的健康診斷工作中，筆者負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理分析工作，期間，在原始資料缺乏的情況下采用分期回歸方法，完成了該橋的變形分析判斷任務(wù)。

二、測(cè)量方法與觀測(cè)數(shù)據(jù)

分別建立以三孔左拱腳為原點(diǎn)、兩拱腳的連線為x軸、與x軸垂直方向(橋高)為y軸的坐標(biāo)系(如圖1所示);對(duì)3個(gè)孔進(jìn)行變形觀測(cè)，但由于3個(gè)孔的觀測(cè)方法及后續(xù)分析方法等完全相同，本文僅對(duì)中孔展開討論。

為了確定中孔拱軸線形態(tài)，按常規(guī)要在中孔拱軸線上預(yù)先設(shè)定一定數(shù)量的等間隔的標(biāo)志點(diǎn)，而此項(xiàng)操作卻極其困難。為了不設(shè)定這種標(biāo)志，以及在橋面上便于進(jìn)行測(cè)角、量距，首先在拱腳兩點(diǎn)且與拱腳連線相垂直的直線方向的地面上，任意選C1、C2點(diǎn)，分別安置經(jīng)緯儀，瞄準(zhǔn)兩拱腳點(diǎn)，抬高望遠(yuǎn)鏡，在橋上定出兩拱腳點(diǎn)的投影點(diǎn)O'、O″，在拱腳線外的任一點(diǎn)C處立標(biāo)志，測(cè)出β1、β2角及O'、O″之距離DO'O″，即可求出C至O'的平距d0。(如圖2(a)所示)。

圖1 坐標(biāo)示意圖

圖2 觀測(cè)示意圖

將DO'O″25等分得25個(gè)截面，算出O'至每一截面的平距，即求出了每一截面的x坐標(biāo)(見表1)。根據(jù)d0、β1和任意截面的xi，可求出以O(shè)為后視方向該截面應(yīng)有的平角ri，以及截面與C點(diǎn)的距離di。在C點(diǎn)安置經(jīng)緯儀，后視O(水平盤歸零)，轉(zhuǎn)動(dòng)照準(zhǔn)部至水平盤得ri值，水平制動(dòng)后抬高望遠(yuǎn)鏡，分別瞄準(zhǔn)拱腹、拱背，讀出豎盤讀數(shù)，計(jì)算出αi腹、αi背，再采用di值，即可求出yi腹、yi背，取其均值即為該截面與孔軸線之交點(diǎn)的縱坐標(biāo)值yi(如圖2(b)、(c)所示)，列于表1的x、y。

三、分期回歸建模

1．?dāng)?shù)學(xué)推演

通過以前對(duì)該橋的變形分析已知，橋拱為圓曲線型

式中，(a，b)為圓心坐標(biāo);R為半徑。經(jīng)分解變換，得圓一般方程為

式中，D、E、F為參數(shù)。為求D、E、F，分別將(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)代入式(2)，得方程組

表1 數(shù)據(jù)表

應(yīng)用代入法整理式(3)，求出

通過分解化簡(jiǎn)等互換式(1)和式(2)，a、b、R可用D、E、F表示

整理式(1)，得y的計(jì)算式

模型有效與否，采用相關(guān)性檢驗(yàn)

殘差算式

2．第一期回歸

將表1第1、2、3點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)分別代入式(4)—式(6)，求出D=－30．87，E=－2．11，F(xiàn)=21．86，將上述值代入式(7)—式(9)，計(jì)算出a=15．43，b=1．06，R=14．75，則第一期回歸模型為

應(yīng)用式(11)求得式(13)的相關(guān)性系數(shù)r=0．970，查相關(guān)性系數(shù)表得其臨界值ra=0．917，r＞ra，第一期回歸模型成立。

將1、2、3點(diǎn)的x值代入第一期模型即式(13)，分別求出1、2、3點(diǎn)的擬合值y擬;應(yīng)用式(12)分別求出1、2、3點(diǎn)的殘差，均填入表1相應(yīng)欄。

3．各期回歸

同理同法，分別以3個(gè)點(diǎn)為一期(如3、4、5，5、6、7，7、8、9，…)，將相關(guān)數(shù)據(jù)先后代入式(4)—式(9)，擬合出本期模型，之后應(yīng)用式(11)與相關(guān)性系數(shù)表進(jìn)行檢驗(yàn)、應(yīng)用式(12)求出各殘差，并用相關(guān)數(shù)據(jù)續(xù)填表1，模型匯總見表2。

表2 模型匯總表

4．?dāng)M合曲線

以x為橫標(biāo)、y為縱標(biāo)繪制橋拱軸線形態(tài)圖(如圖3所示)。

圖3 橋拱軸線形態(tài)圖

四、分 析

表2中各模型的相關(guān)性系數(shù)r值均大于臨界值ra=0．917，表明各期模型均有效，進(jìn)而證明本例回歸方法正確且滿足精度。

表1中4—9點(diǎn)的殘差Δ較大，最大達(dá)到33 cm，而對(duì)應(yīng)的2、3、4期模型的相關(guān)性系數(shù)r并未超限，肉眼觀察橋拱4—9點(diǎn)弧段，發(fā)現(xiàn)風(fēng)化現(xiàn)象，因而基本可以斷定4—9點(diǎn)Δ值偏大的原因，是由于對(duì)應(yīng)弧段風(fēng)化較嚴(yán)重引起，制定維護(hù)方案時(shí)應(yīng)注意該問題。

21點(diǎn)的Δ值為9 cm，與前后相鄰數(shù)據(jù)比較顯然存在異常，加之建模時(shí)使用了21點(diǎn)的數(shù)據(jù)，使10、11期模型的r值變小，可以認(rèn)為21點(diǎn)觀測(cè)值包含粗差。

綜上分析同時(shí)由圖3可看出，本例橋孔不僅依然保持圓弧拱形態(tài)，而且整體穩(wěn)定，無大的形變，略加維修可正常使用。

五、結(jié)束語

本文采用分期回歸理論方法，在設(shè)計(jì)、施工原始資料不存在的情況下，對(duì)老舊橋進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理和分析，建立了回歸分析模型，結(jié)果證明該方法切實(shí)可用。

［1］ 周水興．橋梁工程［M］．2版．重慶:重慶大學(xué)出版社，2011．

［2］ 張彬．橋梁工程施工速學(xué)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2009．

［3］ 岳建平，田林亞，變形監(jiān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007．

［4］ 白鳳山，么煥民．?dāng)?shù)學(xué)建模［M］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003．

［5］ 王金嶺，陳永奇．論觀測(cè)法的可靠性質(zhì)量［J］．測(cè)繪學(xué)報(bào)，1994，23(4):252-258．