王 東，楊勝保

（1.南通市現(xiàn)代測繪工程院，江蘇 南通 226008；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430070）

橋梁變形監(jiān)測技術(shù)方案探討

王 東1，楊勝保2

（1.南通市現(xiàn)代測繪工程院，江蘇 南通 226008；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430070）

針對南通境內(nèi)常見的大跨度混凝土變截面連續(xù)箱梁橋和系桿拱橋的變形監(jiān)測技術(shù)進行了研究，從監(jiān)測網(wǎng)點布設(shè)、監(jiān)測周期、監(jiān)測精度、變形指標(biāo)控制、變形監(jiān)測的主要內(nèi)容、監(jiān)測方案實施等幾個方面進行了探討，并結(jié)合已完成的工程項目驗證了方案的可行性。

變形監(jiān)測；梁橋；系桿拱橋；精度；周期；基準(zhǔn)點

1 橋梁變形產(chǎn)生的原因

1）勘測、設(shè)計、施工缺陷帶來的變形[1]。

2）橋梁本身內(nèi)部應(yīng)力作用的影響。

3）外部環(huán)境變化的作用和交通流量及超重車的急劇增加[2]，勢必會引起橋梁使用功能的退化。

2 監(jiān)測目的與意義

通過定期檢測，可以掌握橋梁結(jié)構(gòu)的變形程度，監(jiān)視其運營過程中的穩(wěn)定性與安全性，以便采取預(yù)防措施。

檢驗設(shè)計與勘察資料的可靠性，為技術(shù)改進提供基礎(chǔ)資料[2]。

檢驗施工質(zhì)量，為判斷工程事故原因提供資料[2]。

通過定期監(jiān)測與必要的變形數(shù)據(jù)分析，可以進行變形趨勢預(yù)報，以防不測事故的發(fā)生。

3 監(jiān)測方案設(shè)計

3.1 變形監(jiān)測網(wǎng)

變形監(jiān)測網(wǎng)點分為基準(zhǔn)點、工作基點和變形觀測點3類，其布設(shè)應(yīng)符合下列基本原則[3]：

1）基準(zhǔn)點，通常應(yīng)選在遠(yuǎn)離變形影響范圍以外的穩(wěn)定位置，對于一個獨立的監(jiān)測網(wǎng)總點數(shù)應(yīng)不少于3 個。同時為方便觀測，點位又不應(yīng)離開橋址太遠(yuǎn)，一般宜采用深埋混凝土標(biāo)石，帶強制對中裝置，同時滿足水平和垂直位移監(jiān)測使用。

2）工作基點，一般選擇在比較穩(wěn)定且方便架設(shè)儀器觀測的位置，對通視條件較好的小型工程，可不布設(shè)工作基點，在基準(zhǔn)點上直接對變形體進行觀測。

3）變形觀測點的選擇既要做到實現(xiàn)對橋梁整體結(jié)構(gòu)的有效監(jiān)控，同時也要實施對重點部位的重點監(jiān)控。

3.2 監(jiān)測周期

監(jiān)測周期與工程的大小、測點所在位置的重要性、觀測的目的以及觀測一次所需時間的長短有關(guān)[2]。變形監(jiān)測的周期應(yīng)以能系統(tǒng)反映所測變形的變化過程且不遺漏其變化時刻為原則，根據(jù)單位時間內(nèi)變形量的大小及外界影響因素確定[2]。對于建成初期開始運營的橋梁，變化速度和頻率要大些，可在每年的夏季和冬季各觀測一次。在觀測期間如遇惡劣天氣、嚴(yán)重超載、意外撞擊等特殊情況，應(yīng)考慮增加監(jiān)測期次，調(diào)整監(jiān)測周期。

3.3 監(jiān)測精度

變形監(jiān)測的精度取決于監(jiān)測的目的，如果監(jiān)測的目的是為了使變形值不超過某一允許的數(shù)值而確保建筑物的安全，則其觀測的中誤差應(yīng)小于變形值的1/10～1/20；如果觀測的目的是為了研究其變形的過程，則其中誤差應(yīng)比這個數(shù)小得多[2]。橋梁變形監(jiān)測是橋梁運營安全評估的技術(shù)支撐，通常采用《工程測量規(guī)范》中二等以上變形監(jiān)測精度較為合適。

3.4 變形控制值

1）箱梁、拱架允許撓度值。根據(jù)《公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》（JTGH10-2009）規(guī)定，鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋主梁最大允許撓度值1/600 L，拱架橋最大允許撓度值1/800 L，L為橋跨的計算跨徑，如果箱梁跨徑達到50 m，最大允許撓度值為83 mm；拱架跨徑達到72 m，最大允許撓度值為90 mm,因此3 mm的監(jiān)測精度完全滿足“觀測點的中誤差應(yīng)小于變形值的1/10～1/20”的技術(shù)要求。

2）墩臺基礎(chǔ)、頂面的允許位移值[4]。①墩臺均勻總沉降量（不包括施工中的沉降）：2.0/cm；② 相鄰墩臺總沉降差（不包括施工中的沉降）：1.0/ cm；③墩臺頂面水平位移量： 0.5/cm（注：L為相鄰墩臺間最小跨徑長度，以m計算）。

3.5 變形監(jiān)測的主要內(nèi)容

本文討論的2種橋型，是對橋梁進行的靜態(tài)變形監(jiān)測，變形觀測的結(jié)果表現(xiàn)為某一期間內(nèi)的變形值，它是時間的函數(shù)[5]。對于大跨度混凝土變截面連續(xù)箱梁橋，上部結(jié)構(gòu)主要監(jiān)測橋面的垂直位移和箱梁的水平位移、垂直位移，下部結(jié)構(gòu)主要監(jiān)測墩柱的垂直位移；對于系桿拱橋，上部結(jié)構(gòu)主要監(jiān)測拱肋的水平位移、垂直位移以及橋面的垂直位移，下部結(jié)構(gòu)的墩柱由于大部分在水中，未列入監(jiān)測范圍。

3.6 監(jiān)測方案實施

1）變形監(jiān)測方法。橋梁變形監(jiān)測的方法需要根據(jù)橋梁變形的特點、變形量、變形速度等因素合理選擇[5]。下部結(jié)構(gòu)的垂直位移監(jiān)測一般可以通過精密幾何水準(zhǔn)和精密三角高程來實現(xiàn)。上部結(jié)構(gòu)的箱梁或拱肋的綜合變形監(jiān)測一般可以采用高精度全站儀來完成。橋面撓度監(jiān)測通常也采用精密幾何水準(zhǔn)測量方式來完成。

2）監(jiān)測制度。橋梁變形監(jiān)測是一項長期、綜合性的任務(wù)，為了掌握橋梁結(jié)構(gòu)的變形機理，需要多年的數(shù)據(jù)積累才能實現(xiàn)，因此橋梁養(yǎng)護部門應(yīng)建立相應(yīng)的監(jiān)測制度，委托有資質(zhì)的監(jiān)測單位定期開展監(jiān)測工作[6]。

3）監(jiān)測工作流程。橋梁變形監(jiān)測工作必須制定嚴(yán)格周密的作業(yè)計劃，按照設(shè)計方案的流程來分步實施，不可隨意更改技術(shù)路線和技術(shù)要求，監(jiān)測工作流程見圖1。

圖1 監(jiān)測工作流程圖

4 工程實例

2012年8月～2014年12月，南通境內(nèi)完成五座大跨度混凝土變截面連續(xù)箱梁橋和3座系桿拱橋的初測或復(fù)測工作。大洋港橋2013年10月竣工，主橋上部結(jié)構(gòu)為三跨（50．0 m+80．0 m+50．0 m）預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土圓端形實體式橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，主橋過渡墩采用柱式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋梁全長為817．2 m，橋面寬度33．5 m。通州大橋位于通州區(qū)先鋒鎮(zhèn)、川姜鎮(zhèn)、金沙鎮(zhèn)三鎮(zhèn)交界處，是蘇223省道跨通呂運河的一座南北向中承式無風(fēng)撐預(yù)應(yīng)力混凝土三跨連續(xù)梁拱組合體系橋，主跨72．0 m，邊跨31．0 m，橋面寬度26．0 m，見圖2、3。

圖2 臨海高等級公路大洋港橋

圖3 223省道通州大橋

4.1 基準(zhǔn)點、監(jiān)測點布設(shè)

大洋港橋監(jiān)測范圍是主橋，長度180．0 m，通州大橋全長134．0 m，因此2座橋均可不設(shè)工作基點，直接在基準(zhǔn)點上進行變形監(jiān)測。兩橋基準(zhǔn)點各布設(shè)4個，構(gòu)圖為三角形，平均邊長均小于300 m，點位采用深埋式帶強制對中的混凝土觀測墩。

大洋港橋上部變形監(jiān)測點布設(shè)在箱梁兩側(cè)的腹板上，共18個點。主跨平均點距20．0 m，位置在箱梁腹板總長的1/2、1/4處和兩端；邊跨平均點距25．0 m，位置在箱梁腹板總長的1/2處和兩端。布點時采用橋檢車將作業(yè)員下行到指定位置，然后在腹板上鉆孔安裝小棱鏡作為觀測目標(biāo)。橋面觀測點沿兩側(cè)橋邊鉆孔布設(shè)，點距與腹板監(jiān)測點距等同。下部墩柱鉆孔埋設(shè)內(nèi)藏式沉降標(biāo)，每個墩柱兩點，共計16個點。

通州大橋上部變形監(jiān)測點布設(shè)在兩榀拱肋上，東西兩側(cè)各3個點。位置在拱肋跨徑的1/2、1/4處的正上方，布點時采用登高車將作業(yè)員上升到設(shè)定位置，然后在拱肋上鉆孔安裝小棱鏡作為觀測目標(biāo)。橋面觀測點沿兩側(cè)橋邊布設(shè)，主跨平均點距18．0 m，邊跨平均點距15．5 m。

為保證后續(xù)監(jiān)測工作的順利開展，在安裝監(jiān)測目標(biāo)小棱鏡時有必要在基準(zhǔn)點上架設(shè)全站儀，現(xiàn)場指揮安裝人員將小棱鏡的鏡面調(diào)整到儀器的照準(zhǔn)方向。

4.2 監(jiān)測精度與監(jiān)測周期

本工程監(jiān)測目的是為了使橋梁的變形值不超過某一允許數(shù)值而確保橋梁的運營安全，因此水平位移與垂直位移基準(zhǔn)網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行2007年版《工程測量規(guī)范》中二等精度的觀測要求比較合適。對于平面網(wǎng)，相鄰基準(zhǔn)點的點位中誤差不大于3．0 mm，對于高程網(wǎng)，相鄰基準(zhǔn)點的高差中誤差不大于0．5 mm。變形點坐標(biāo)測量中誤差不大于3．0 mm，變形點高程測量中誤差不大于1．0 mm。

根據(jù)兩橋的實際運營狀況和業(yè)主要求，確定完成初測后每半年進行一次復(fù)測，2 a為一個觀測周期。

4.3 變形指標(biāo)控制

依據(jù)2009年版《公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》計算，大洋港橋主跨撓度允許值為0．13 m，邊跨為0．08 m。主跨墩臺總沉降量（不包括施工中沉降）0．18 m；相鄰墩臺總沉降差值（不包括施工中的沉降）0．09 m；墩臺頂面水平位移0．04 m；通州大橋主跨撓度允許值為0．09 m，邊跨為0．04 m。

4.4 監(jiān)測精度分析

水平位移基準(zhǔn)網(wǎng)采用托普康0．5"全站儀按精密導(dǎo)線測量，垂直位移基準(zhǔn)網(wǎng)采用Ni002A自動安平水準(zhǔn)儀測量，實際測量結(jié)果完全滿足設(shè)定等級的精度要求。橋面及橋墩垂直位移觀測同樣采用Ni002A自動安平水準(zhǔn)儀按規(guī)范中二等監(jiān)測精度要求進行觀測，其最終觀測精度也完全滿足要求。

拱肋和箱梁變形監(jiān)測采用托普康0．5"全站儀，該儀器一測回水平方向、垂直方向的標(biāo)準(zhǔn)差為0．5″；測距精度為±（0．8 mm+1 ppm）。觀測前可事先輸入氣象要素（即現(xiàn)場的溫度和氣壓），儀器自動進行氣象改正，采用全站儀極坐標(biāo)法測量即可，坐標(biāo)計算及精度估算如下。

坐標(biāo)計算公式[2]：

式中S為斜距，Z為天頂距，α為水平方向值（即方位角）。

坐標(biāo)中誤差公式[2]：

通過試測分析，如果監(jiān)測距離控制在200 m以內(nèi)，垂直角不超過30°，如果不考慮后視目標(biāo)點的測量誤差，則變形監(jiān)測點一測回平面坐標(biāo)中誤差完全滿足3．0 mm的精度要求，高程測量中誤差完全滿足1．0 mm的精度要求。實際監(jiān)測過程中，采用兩測回平均值作為最終成果。

如果使用伺服式自動跟蹤全站儀，對快速獲取高精度監(jiān)測成果會更為有利，同時變形測量應(yīng)選擇有利的天氣和最佳觀測時段，最大程度地減小大氣折光和車流、人流對觀測成果造成的影響。

4.5 監(jiān)測成果示例

通州大橋自2012年8月開始初測，至今共完成6期觀測；大洋港橋2013年12月開始首期觀測，2014年8月復(fù)測，共觀測2期。通過對比各期觀測成果，繪制出上部拱肋“時間-沉降量曲線圖”和水平分量X方向 “時間-位移量曲線圖”、水平分量Y方向 “時間-位移量曲線圖”、橋面“時間-沉降量曲線圖”、橋墩 “時間-沉降量曲線圖”。圖4、5為通州大橋部分變形曲線圖,圖中B表示布設(shè)在拱肋跨徑1/2處的監(jiān)測點，C表示布設(shè)在拱肋跨徑左1/4處的監(jiān)測點,A表示布設(shè)在拱肋跨徑右1/4處的監(jiān)測點。

圖4 通州大橋東部拱肋“時間-沉降量”曲線圖

圖5 通州大橋西部拱肋Y（東西）方向“時間-位移量”曲線圖

5 結(jié) 語

隨著測繪新技術(shù)飛速發(fā)展，橋梁變形監(jiān)測有必要突破傳統(tǒng)手段，在近景攝影測量、三維激光掃描技術(shù)、伺服式高精度全站儀等技術(shù)的運用上下功夫，以實現(xiàn)變形監(jiān)測過程的高效快捷和監(jiān)測成果形式的多樣化。同時要采用數(shù)據(jù)庫進行監(jiān)測數(shù)據(jù)管理，根據(jù)項目需要適時開發(fā)“南通市橋梁變形監(jiān)測信息管理系統(tǒng)”，實現(xiàn)對項目監(jiān)測信息的可視化管理。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理必須利用一定的數(shù)學(xué)手段和力學(xué)分析手段對變形體作出幾何分析和變形的物理解釋[7]，在排除儀器誤差、環(huán)境影響、人為誤差等原因造成監(jiān)測結(jié)果的離散性后從中提取可靠的變形信息，供公路養(yǎng)護部門決策之用。

[1] 劉剛．橋梁變形的原因及其觀測方法[J]．中小企業(yè)管理與科技,2010(3):103

[2] 岳建平,田林亞．變形監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京:國防工業(yè)出版社,2007

[3] GB 50026-2007．工程測量規(guī)范[S]．

[4] JTGH10-2009．公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范[S]．

[5] 張正祿．工程測量學(xué)[M]．武漢:武漢大學(xué)出版社,2005

[6] 申冠鵬,袁輝明．城市橋梁變形監(jiān)測方案研究[J]．山西建筑,2010,36(9):322-324

[7] 黃聲享,尹暉,蔣征．變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理[M]．武漢:武漢大學(xué)出版社,2002

P258

B

1672-4623（2016）06-0072-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.06.024

王東，高級工程師，注冊測繪師，主要從事測繪生產(chǎn)的技術(shù)與質(zhì)量管理工作。

2015-12-23。