橋梁變形監測技術方案探討

王 東，楊勝保

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

橋梁變形監測技術方案探討

王 東1，楊勝保2

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

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

變形監測；梁橋；系桿拱橋；精度；周期；基準點

1 橋梁變形產生的原因

1）勘測、設計、施工缺陷帶來的變形[1]。

2）橋梁本身內部應力作用的影響。

3）外部環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 監測目的與意義

通過定期檢測，可以掌握橋梁結構的變形程度，監視其運營過程中的穩定性與安全性，以便采取預防措施。

檢驗設計與勘察資料的可靠性，為技術改進提供基礎資料[2]。

檢驗施工質量，為判斷工程事故原因提供資料[2]。

通過定期監測與必要的變形數據分析，可以進行變形趨勢預報，以防不測事故的發生。

3 監測方案設計

3.1 變形監測網

變形監測網點分為基準點、工作基點和變形觀測點3類，其布設應符合下列基本原則[3]：

1）基準點，通常應選在遠離變形影響范圍以外的穩定位置，對于一個獨立的監測網總點數應不少于3 個。同時為方便觀測，點位又不應離開橋址太遠，一般宜采用深埋混凝土標石，帶強制對中裝置，同時滿足水平和垂直位移監測使用。

2）工作基點，一般選擇在比較穩定且方便架設儀器觀測的位置，對通視條件較好的小型工程，可不布設工作基點，在基準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對橋梁整體結構的有效監控，同時也要實施對重點部位的重點監控。

3.2 監測周期

監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[2]。變形監測的周期應以能系統反映所測變形的變化過程且不遺漏其變化時刻為原則，根據單位時間內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、嚴重超載、意外撞擊等特殊情況，應考慮增加監測期次，調整監測周期。

3.3 監測精度

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

3.4 變形控制值

1）箱梁、拱架允許撓度值。根據《公路養護技術規范》（JTGH10-2009）規定，鋼筋混凝土、預應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的監測精度完全滿足“觀測點的中誤差應小于變形值的1/10～1/20”的技術要求。

2）墩臺基礎、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 變形監測的主要內容

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

3.6 監測方案實施

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

2）監測制度。橋梁變形監測是一項長期、綜合性的任務，為了掌握橋梁結構的變形機理，需要多年的數據積累才能實現，因此橋梁養護部門應建立相應的監測制度，委托有資質的監測單位定期開展監測工作[6]。

3）監測工作流程。橋梁變形監測工作必須制定嚴格周密的作業計劃，按照設計方案的流程來分步實施，不可隨意更改技術路線和技術要求，監測工作流程見圖1。

圖1 監測工作流程圖

4 工程實例

2012年8月～2014年12月，南通境內完成五座大跨度混凝土變截面連續箱梁橋和3座系桿拱橋的初測或復測工作。大洋港橋2013年10月竣工，主橋上部結構為三跨（50．0 m+80．0 m+50．0 m）預應力混凝土變截面連續箱梁，下部結構采用鋼筋混凝土圓端形實體式橋墩，鉆孔灌注樁基礎，主橋過渡墩采用柱式墩，鉆孔灌注樁基礎，橋梁全長為817．2 m，橋面寬度33．5 m。通州大橋位于通州區先鋒鎮、川姜鎮、金沙鎮三鎮交界處，是蘇223省道跨通呂運河的一座南北向中承式無風撐預應力混凝土三跨連續梁拱組合體系橋，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 基準點、監測點布設

大洋港橋監測范圍是主橋，長度180．0 m，通州大橋全長134．0 m，因此2座橋均可不設工作基點，直接在基準點上進行變形監測。兩橋基準點各布設4個，構圖為三角形，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測點布設在箱梁兩側的腹板上，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。橋面觀測點沿兩側橋邊鉆孔布設，點距與腹板監測點距等同。下部墩柱鉆孔埋設內藏式沉降標，每個墩柱兩點，共計16個點。

通州大橋上部變形監測點布設在兩榀拱肋上，東西兩側各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員上升到設定位置，然后在拱肋上鉆孔安裝小棱鏡作為觀測目標。橋面觀測點沿兩側橋邊布設，主跨平均點距18．0 m，邊跨平均點距15．5 m。

為保證后續監測工作的順利開展，在安裝監測目標小棱鏡時有必要在基準點上架設全站儀，現場指揮安裝人員將小棱鏡的鏡面調整到儀器的照準方向。

4.2 監測精度與監測周期

本工程監測目的是為了使橋梁的變形值不超過某一允許數值而確保橋梁的運營安全，因此水平位移與垂直位移基準網的技術標準執行2007年版《工程測量規范》中二等精度的觀測要求比較合適。對于平面網，相鄰基準點的點位中誤差不大于3．0 mm，對于高程網，相鄰基準點的高差中誤差不大于0．5 mm。變形點坐標測量中誤差不大于3．0 mm，變形點高程測量中誤差不大于1．0 mm。

根據兩橋的實際運營狀況和業主要求，確定完成初測后每半年進行一次復測，2 a為一個觀測周期。

4.3 變形指標控制

依據2009年版《公路養護技術規范》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 監測精度分析

水平位移基準網采用托普康0．5"全站儀按精密導線測量，垂直位移基準網采用Ni002A自動安平水準儀測量，實際測量結果完全滿足設定等級的精度要求。橋面及橋墩垂直位移觀測同樣采用Ni002A自動安平水準儀按規范中二等監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、垂直方向的標準差為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，采用全站儀極坐標法測量即可，坐標計算及精度估算如下。

坐標計算公式[2]：

式中S為斜距，Z為天頂距，α為水平方向值（即方位角）。

坐標中誤差公式[2]：

通過試測分析，如果監測距離控制在200 m以內，垂直角不超過30°，如果不考慮后視目標點的測量誤差，則變形監測點一測回平面坐標中誤差完全滿足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測成果會更為有利，同時變形測量應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表示布設在拱肋跨徑1/2處的監測點，C表示布設在拱肋跨徑左1/4處的監測點,A表示布設在拱肋跨徑右1/4處的監測點。

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 語

隨著測繪新技術飛速發展，橋梁變形監測有必要突破傳統手段，在近景攝影測量、三維激光掃描技術、伺服式高精度全站儀等技術的運用上下功夫，以實現變形監測過程的高效快捷和監測成果形式的多樣化。同時要采用數據庫進行監測數據管理，根據項目需要適時開發“南通市橋梁變形監測信息管理系統”，實現對項目監測信息的可視化管理。監測數據分析處理必須利用一定的數學手段和力學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、環境影響、人為誤差等原因造成監測結果的離散性后從中提取可靠的變形信息，供公路養護部門決策之用。

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

[2] 岳建平,田林亞．變形監測技術與應用[M]．北京:國防工業出版社,2007

[3] GB 50026-2007．工程測量規范[S]．

[4] JTGH10-2009．公路養護技術規范[S]．

[5] 張正祿．工程測量學[M]．武漢:武漢大學出版社,2005

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

[7] 黃聲享,尹暉,蔣征．變形監測數據處理[M]．武漢:武漢大學出版社,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，主要從事測繪生產的技術與質量管理工作。

2015-12-23。