橋梁變形的原因及其觀測方法

石祥

橋梁變形可分為靜態(tài)變形和動態(tài)變形。靜態(tài)變形通常是指變形觀測的結(jié)果只表示在某一期間內(nèi)的變形值。動態(tài)變形是指在外力影響下而產(chǎn)生的變形，它是以外力為函數(shù)來表示的動態(tài)系統(tǒng)對于時間的變化，其觀測結(jié)果是表示橋梁在某個時刻的瞬時變形。

1 橋梁變形觀測的幾個概念

各橋墩臺的沉降觀測，這當(dāng)中包含各墩臺沿水流方向（或沿垂直于橋軸線方向）和沿橋軸線方向的傾斜觀測，通稱為垂直位移觀測；各橋墩臺在上下游方向上的水平位移觀測，稱之為橫向位移觀測；各橋墩臺沿橋軸線方向的水平位移觀測，稱之為縱向位移觀測；橋墩結(jié)構(gòu)（如鋼梁）在恒載或活載情況下的撓度觀測，稱之為撓度變形觀測；水中橋墩基礎(chǔ)周圍河床演變情況的觀測，即橋墩周圍的水下地形測量。

2 導(dǎo)致橋梁變形的原因分析

2.1自然條件及其變化的原因

是指橋墩臺地基的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、土壤的物理性質(zhì)、大氣溫度、水位變化以及地震等。如橋墩臺基礎(chǔ)的地質(zhì)條件不同，會引起橋墩臺不均勻沉陷，使橋跨結(jié)構(gòu)傾斜，象鋼梁或鋼筋混凝土梁就容易發(fā)生這種現(xiàn)象；再有土基的塑性變形也將引起均勻沉陷；還有溫度與水位；季節(jié)性或周期性的變化以及水流方向的變化，橋梁將產(chǎn)生規(guī)律變形。

2.2與橋梁本身相聯(lián)系的原因

是指作用在橋梁上部結(jié)構(gòu)的恒載與作用墩臺的恒載、墩臺與梁的結(jié)構(gòu)、型式以及活載的作用。如車輛通過時的震動、風(fēng)力等。

2.3人為設(shè)計、施工等不合理

是指由于勘測、設(shè)計時不合理，施工時不按規(guī)范施工，運營、管理工作不恰當(dāng)?shù)龋紩箻蛄寒a(chǎn)生變形。

3 橋梁變形的觀測方法

3.1大地測量方法

也叫做常規(guī)地面測量方法，它是變形觀測的主要手段，垂直位移觀測采用的是精密水準(zhǔn)測量和精密跨河水準(zhǔn)測量因橫向位移觀測中，遇到直線橋梁按基準(zhǔn)線法觀測，如測小角法和活覘牌法。如果是曲線橋梁，則應(yīng)利用導(dǎo)線測量方法。縱向位移觀測通常采用最精密的光電測距儀，如由瑞士Kern廠生產(chǎn)的、測程可達(dá)2.5km的Mekometer ME 3000，其精度為0.3mm 1ppm；還有測程可達(dá)5.0km的ME 5000，其精度為0.2mm （0.2～1ppm）。如橋跨距較短，可用特制的因瓦線尺或鋼線尺來測定相鄰橋墩之間的跨距變化。橋跨結(jié)構(gòu)的恒載和活載的撓度觀測采用四等水準(zhǔn)測量。該方法具有以下優(yōu)點：

（1）可以提供橋墩如和橋跨結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)；

（2）把觀測量組成網(wǎng)的形式，便于進(jìn)行測量結(jié)果的處理和精度評定；

（3）靈活性好，適用于各種結(jié)構(gòu)形式的橋梁以及不同的外界條件和精度要求。其缺點是外業(yè)工作量大，作業(yè)時間長，很難解決連續(xù)監(jiān)測及測量過程的自動化問題。

3.2特殊的測量方法

包括傾斜測量和激光準(zhǔn)直測量。在垂直位移觀測過程中，對于墩臺本身的傾斜可使用短基線傾斜儀，如垂直擺錘式和水準(zhǔn)氣泡式傾斜儀來測定兩點之間的高差變化，而對于相鄰墩臺的高差變化可使用長基線傾斜儀進(jìn)行測定。長基線傾斜儀采用靜力水準(zhǔn)原理制成，其精度可達(dá)到10-6。在橫向位移觀測中，采用激光準(zhǔn)直，如激光經(jīng)緯儀準(zhǔn)直和波帶板激光準(zhǔn)直來測量各橋墩上觀測點與激光束的偏離值。在大氣條件下，激光準(zhǔn)直的精度為10-5～10-6。

特殊測量方法同大地測量方法相比，具有以下優(yōu)點：

（1）使測量過程簡單化；

（2）容易解決連續(xù)監(jiān)測和自動化觀測的問題；

（3）可以提供局部的變形信息。

3.3攝影測量方法

主要是指地面攝影測量方法。這種方法日趨廣泛地被用于大型工程建筑物的變形觀測，原因是近十多年來攝影測量點位的測定精度顯著提高，加之本身具有的特殊優(yōu)點以及近年來硬件上的改進(jìn)（包括高質(zhì)量的攝影機(jī)和精密的量測儀器）、軟件的發(fā)展和計算機(jī)的應(yīng)用等等，使人們有可能利用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)處理方法對攝影測量過程中的系統(tǒng)誤差進(jìn)行模擬操作，其中包括攝影機(jī)鏡頭的畸變和底片的變形等，并利用數(shù)理統(tǒng)計的方法評定觀測值的質(zhì)量和剔除誤差，使成果的可靠性得以保證。目前，攝影測量點位測定精度可達(dá)到2～4μm9像片坐標(biāo)的精度）。取決于攝影機(jī)的焦距，地面攝影測量的精度可達(dá)到攝影距離的10-5。

地面攝影測量方法在橋梁變形觀測的應(yīng)用中，具有以下優(yōu)點：

（1）能夠同時測定橋墩臺上任意點的變形；

（2）可以提供瞬時和完全的三維空間信息；

（3）大大減少了野外測量的工作量；

（4）可以不接觸被攝物體；

（5）有了攝影底片，可以觀測到橋墩臺以前的狀態(tài)。

對于跨越江河的大橋，應(yīng)用地面攝影測量方法進(jìn)行變形觀測時，應(yīng)注意選擇適宜的攝影測站位置。

4 注意事項

在橋梁變形測量中，確定合理的測量精度是至關(guān)重要的，精度要求過高會使測量工作變得復(fù)雜，經(jīng)費大，時間長；精度太低又會增加變形分析的難度，所估計的變形參數(shù)誤差變大，甚至得出不正確的結(jié)論。橋梁變形觀測的精度取決于變形值的大小、變形速度、觀測儀器和方法所能達(dá)到的實際精度，以及觀測的目的等。一般情況，如果橋梁變形觀測的目的是為了使變形值不超過某一允許的數(shù)值，以確保橋梁的安全，則其觀測的中誤差應(yīng)小于允許變形值的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)比上面這個數(shù)值小得多，甚至應(yīng)采用目前測量手段和測量儀器所能達(dá)到的最高精度。

橋梁變形觀測的頻率取決于變形值的大小、變形速度和觀測的目的。一般要求觀測次數(shù)既能反映出變化的過程，又不遺漏變化的時刻。具體地說，在橋梁建成初期，變形的速度比較快，觀測頻率要大一些。經(jīng)過一段時間后，橋梁趨于穩(wěn)定，可以減少觀測次數(shù)，但一定要堅持定期觀測。

通過變形觀測獲得的大量可靠資料，可以監(jiān)視橋梁的狀態(tài)變化和工作情況，當(dāng)發(fā)生不正常現(xiàn)象時，可及時分析原因，采取措施或改善運營方式，以保證安全。所以說，變形觀測是橋梁管理的耳目。另外，利用變形觀測資料，還可以驗證地基與基礎(chǔ)的計算機(jī)方法、橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，合理規(guī)定不同地基于橋梁結(jié)構(gòu)的允許變形值，為橋梁設(shè)計、施工、管理和科學(xué)研究提供資料，以保證橋梁設(shè)計和施工正確合理和安全使用。