陳遠(yuǎn)紅

摘要 隨著我國(guó)橋梁工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，為確保橋梁的安全運(yùn)營(yíng)，需要重視并做好橋梁運(yùn)營(yíng)期間的維護(hù)測(cè)量。文章以某懸索橋梁為研究對(duì)象，基于該懸索橋的運(yùn)營(yíng)維護(hù)、測(cè)量要求構(gòu)建維護(hù)測(cè)量基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)該懸索橋梁體、懸索、索塔等關(guān)鍵部位進(jìn)行測(cè)量，以完成懸索橋運(yùn)營(yíng)維護(hù)測(cè)量的主要任務(wù)。根據(jù)該懸索橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及所處環(huán)境因素，探討合理的維護(hù)測(cè)量手段，旨在為類似的懸索橋運(yùn)營(yíng)維護(hù)測(cè)量提供技術(shù)借鑒。

關(guān)鍵詞 大型懸索橋;運(yùn)營(yíng)維護(hù);索塔變形監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào) U445.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）13-0117-03

0 引言

工程實(shí)踐中，懸索橋多用于江海、峽谷的聯(lián)通，該次研究的懸索橋主橋體連續(xù)鋼箱梁，共兩跨，其中主跨長(zhǎng)1 760 m。長(zhǎng)時(shí)間的服役運(yùn)營(yíng)使該懸索橋的結(jié)構(gòu)因環(huán)境改變、車輛荷載等因素作用而出現(xiàn)一定程度的破壞，目前該懸索橋橋頭部分動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，如不加以控制，橋梁結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)變化，將威脅橋梁的安全運(yùn)營(yíng)，因此，必須重視并做好該懸索橋運(yùn)營(yíng)階段的維護(hù)及測(cè)量工作，做到及早發(fā)現(xiàn)安全隱患，及時(shí)處理[1]。

1 大型懸索橋運(yùn)營(yíng)期維護(hù)測(cè)量?jī)?nèi)容

懸索橋運(yùn)營(yíng)期間，主梁承受了大部分的車輛荷載，該懸索橋主梁為半漂浮連續(xù)鋼制箱梁，長(zhǎng)時(shí)間的車輛載荷及應(yīng)力的作用可能導(dǎo)致箱梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞損傷，形成裂縫，最終斷裂。而且在溫度變化、雨水等外部環(huán)境的長(zhǎng)期反復(fù)影響下，箱梁可能出現(xiàn)過(guò)度變形，進(jìn)而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損壞。為保證箱梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、完整性，應(yīng)重視并做好主梁豎線測(cè)量[2]。

（1）運(yùn)營(yíng)階段的懸索橋懸索系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間干濕交替作用下容易出現(xiàn)氧化腐蝕，導(dǎo)致懸索鋼絲銹蝕，導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)度集中，降低懸索的疲勞強(qiáng)度，甚至導(dǎo)致懸索斷裂。因此懸索橋運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)密切監(jiān)測(cè)主纜線形，如測(cè)得數(shù)據(jù)異常，第一時(shí)間進(jìn)行處治，以有效保障懸索橋運(yùn)營(yíng)階段的使用安全。

（2）該橋的索塔結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力鋼混結(jié)構(gòu)，其下部與橋梁基礎(chǔ)連接，上部懸掛并固定在主纜上。如果作用在索塔上的合力方向偏離其中心軸未指向基礎(chǔ)，則索塔將產(chǎn)生彎矩，使索塔出現(xiàn)橫向位移，導(dǎo)致橋梁整體結(jié)構(gòu)變形。懸索橋的跨度越大，施加在索塔上的力越大，其上部發(fā)生位移或變形的可能性就越大[3]。因此，在橋梁運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)該密切監(jiān)測(cè)塔頂位移和變形，如發(fā)現(xiàn)異常必須及時(shí)處治。

（3）通過(guò)分析總結(jié)懸索橋主要部位的受力情況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該文認(rèn)為應(yīng)建立和使用位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，基于監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)懸索橋主梁豎向線形、懸索線形以及索塔變形進(jìn)行密切監(jiān)測(cè)。

2 大型懸索橋運(yùn)營(yíng)期維護(hù)測(cè)量方法

2.1 位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)的建立與維護(hù)

基于現(xiàn)有工程數(shù)據(jù)和實(shí)地勘測(cè)發(fā)現(xiàn)，該懸索橋施工階段建立了四個(gè)全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)靠近橋梁但均位于橋梁承壓區(qū)域范圍外，均采用強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩，附近無(wú)遮擋，視野好。

（1）與平面基準(zhǔn)點(diǎn)共處同一個(gè)樁的高度監(jiān)測(cè)點(diǎn)為定心觀測(cè)墩的參考點(diǎn)，使用簡(jiǎn)便、易于維護(hù)，可靠性高。共有八個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可作為參考點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)運(yùn)營(yíng)階段的橋梁位移。此外，運(yùn)營(yíng)后期該懸索橋設(shè)置了一個(gè)全球定位導(dǎo)航動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及多個(gè)流動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，構(gòu)成全球定位導(dǎo)航監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)[4]。在位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中加入一個(gè)跨域資源共享監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站，便于進(jìn)行位移數(shù)據(jù)的整體計(jì)算。因此，該懸索橋共計(jì)九個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，形成最終的位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。

（2）位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)常用全球定位導(dǎo)航靜態(tài)定位法進(jìn)行測(cè)量。按照現(xiàn)行道路橋梁工程測(cè)量規(guī)范要求，大型懸索橋的橫向位移測(cè)量精度需達(dá)到毫米級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度應(yīng)滿足精度二級(jí)要求。因此，采用八臺(tái)全球定位導(dǎo)航接收設(shè)備對(duì)橋梁布設(shè)的八個(gè)全球定位導(dǎo)航監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)橋梁南側(cè)的跨域資源共享監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站布設(shè)一臺(tái)全球定位導(dǎo)航接收設(shè)備。

（3）該懸索橋的垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于橋梁兩端，為確保橋梁兩端的垂直位移測(cè)量誤差在合理范圍，需進(jìn)行跨越橋梁兩端的垂直位移測(cè)量。按照橋梁監(jiān)測(cè)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和操作要求對(duì)橋梁兩端的垂直位移進(jìn)行二級(jí)精度測(cè)量。

（4）為保證該懸索橋運(yùn)營(yíng)階段的安全使用，需對(duì)該橋整個(gè)生命周期的位移進(jìn)行監(jiān)控，此外還需保護(hù)好測(cè)量基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，確保監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)完整可靠，并做好定期復(fù)測(cè)，確保測(cè)量精度滿足要求，通過(guò)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)衡量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是否穩(wěn)定。

2.2 主梁豎向線形和主纜線形測(cè)量

2.2.1 主梁豎向線形測(cè)量

應(yīng)優(yōu)先選擇在橋梁封閉期間測(cè)量其主梁豎向線形，以有效提高測(cè)量精度，減少動(dòng)載荷對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，同時(shí)應(yīng)盡量選擇溫差較小的時(shí)間段進(jìn)行主梁豎向線形測(cè)量，以最大限度地減少溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響[5]。

（1）利用幾何水準(zhǔn)測(cè)量法測(cè)量該懸索橋主梁線形，根據(jù)相關(guān)測(cè)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，沿由橋面測(cè)量點(diǎn)組成的封閉水平線進(jìn)行測(cè)量[6]。最后，計(jì)算并平差，得到每個(gè)線形測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，最終得到實(shí)際的主梁線形，比較實(shí)際線形和測(cè)量線形，明確線形的變化情況，以評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。

（2）為保證該懸索橋主梁豎向線形的測(cè)量數(shù)據(jù)精度，結(jié)合測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況，將測(cè)量控制點(diǎn)均勻設(shè)置于橋梁東西兩側(cè)的維護(hù)通道圍欄上，測(cè)量點(diǎn)分布及標(biāo)記見(jiàn)圖1。

（3）在視野較好的主梁線形測(cè)量點(diǎn)安裝全站儀，觀測(cè)該懸索橋主梁各線形測(cè)量點(diǎn)，配合線下高程測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，組合成完整的測(cè)量路線。測(cè)量時(shí)需重復(fù)測(cè)量相鄰測(cè)量點(diǎn)的重疊區(qū)域，以相互驗(yàn)證相鄰測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果，圖2為該懸索橋主梁線形測(cè)量示意圖。

（4）利用全站儀測(cè)量各測(cè)量點(diǎn)和后視點(diǎn)之間的高程差，比較測(cè)得的高程差與已知高程差值，從而計(jì)算出測(cè)量區(qū)域空氣中光折射和地球曲率實(shí)時(shí)差分改正值dh，從而保證主梁豎向線形測(cè)量精度：

式中，hO——測(cè)量點(diǎn)與后視點(diǎn)之間的高程差精確值;hJ——測(cè)量點(diǎn)和后視點(diǎn)之間的測(cè)量高程差;SJ——測(cè)量點(diǎn)與后視點(diǎn)之間的測(cè)量斜距。

（5）利用實(shí)時(shí)差分球?qū)y(cè)量點(diǎn)與基準(zhǔn)站之間的實(shí)際測(cè)量高程差進(jìn)行面校正，經(jīng)校正處理后的測(cè)量點(diǎn)和基準(zhǔn)站之間的三角高度差計(jì)算公式為：

式中，hp——測(cè)量點(diǎn)與基準(zhǔn)站之間未經(jīng)微分校正測(cè)得的三角高程差;Sp——測(cè)量點(diǎn)與基準(zhǔn)站之間測(cè)得的斜距。

（6）橋梁未封閉的情況下實(shí)際測(cè)量得到的主梁豎向線形與橋梁封閉狀態(tài)下測(cè)量得到的主梁豎向線形對(duì)比如圖3所示。據(jù)圖可知，兩種狀態(tài)下的主梁豎向線形趨勢(shì)線重合，表明該懸索橋主梁未發(fā)生明顯變形，橋梁的左右幅豎向線形對(duì)稱分布。

2.2.2 主纜線形測(cè)量

為測(cè)量該懸索橋的主索線形，需先將主索線形測(cè)量點(diǎn)布設(shè)于距離主索一段距離的索夾上[7]。為確保測(cè)量點(diǎn)分布均勻，可將主索均分四段，即分別在橋梁兩邊跨的1/4、2/4和3/4處設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，具體布設(shè)見(jiàn)圖4。

為保證測(cè)量精度，需先確定主纜線形測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。該次測(cè)得的橋梁主索線形大致為拋物線形，同時(shí)東西兩向主索對(duì)稱分布[8]。此時(shí)測(cè)得的主索形態(tài)與橋梁施工時(shí)的主索形態(tài)趨勢(shì)線一致，無(wú)明顯差異（如圖5、圖6）。

2.3 索塔變形監(jiān)測(cè)

考慮到橋塔上部的位移，應(yīng)將橋梁上部變形測(cè)點(diǎn)設(shè)于橋梁索塔上部的對(duì)應(yīng)位置。因索塔較高，塔頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)可以通過(guò)靜態(tài)全球定位導(dǎo)航測(cè)量獲得[9-10]。該次測(cè)量結(jié)合懸索橋的地形地質(zhì)實(shí)際情況，采取多項(xiàng)平面擬合法對(duì)橋梁索塔頂部變形測(cè)量點(diǎn)的全球定位導(dǎo)航高程進(jìn)行擬合，基于距離差監(jiān)測(cè)法，參照?qǐng)D7所示的三跨徑測(cè)量方案。該次測(cè)量的南邊跨、中跨、北邊跨跨徑依次為Sac、Scd、和Sbd，其余時(shí)間段測(cè)得的三跨跨徑分別為、、，則三跨跨徑變化值和、、可按下式計(jì)算：

當(dāng)>0，<0，當(dāng)不變，則橋梁南側(cè)索塔朝南錨偏移;當(dāng)<0，>0，不變，則橋梁南側(cè)索塔朝北錨移動(dòng);當(dāng)<0，>0，不變，則橋梁北側(cè)索塔朝北錨移動(dòng);當(dāng)>0，>0，不變，則橋梁北側(cè)索塔朝南錨移動(dòng);當(dāng)>0，<0，不變，則橋梁南側(cè)索塔朝南錨移動(dòng)，橋梁北側(cè)索塔朝北錨移動(dòng);當(dāng)<0，>0，>0，則橋梁南側(cè)索塔朝北錨移動(dòng)，橋梁北側(cè)索塔朝南錨移動(dòng)。錨頂部?jī)蓚€(gè)測(cè)量點(diǎn)a到b的距離為三跨跨徑之和，各期測(cè)量點(diǎn)a、b間距應(yīng)固定不變，以驗(yàn)證該方法是否可靠。

3 結(jié)論

通過(guò)研究該懸索橋運(yùn)營(yíng)階段的維護(hù)性測(cè)量工作方法與要點(diǎn)，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工程實(shí)踐總結(jié)以下研究結(jié)論：

（1）現(xiàn)階段的橋梁維護(hù)測(cè)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中缺少針對(duì)大型懸索橋運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的維護(hù)測(cè)量技術(shù)要求，該次研究基于某懸索橋的運(yùn)營(yíng)維護(hù)測(cè)量需求，對(duì)維護(hù)測(cè)量工作內(nèi)容和要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

（2）在橋梁正常通車的狀態(tài)下，可利用全站儀測(cè)量橋梁主梁豎向線形，利用全站儀測(cè)量各測(cè)量點(diǎn)和后視點(diǎn)之間的高程差，比較測(cè)得的高程差與已知高程差值，從而計(jì)算出測(cè)量區(qū)域空氣中光折射和地球曲率實(shí)時(shí)差分改正值dh，保證測(cè)量精度。

（3）采用靜態(tài)全球定位導(dǎo)航測(cè)量法，測(cè)量該懸索橋索塔頂部變形，通過(guò)多項(xiàng)式平面擬合全球定位導(dǎo)航高程，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性。

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