大型鋼拱橋幾何變形監測方法與數據處理分析

曾令濤

【關鍵詞】變形監測;平面基準網;高程基準網

【中圖分類號】U446 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）08-0054-04

0 引言

長豐橋是武漢市三環線西段跨越漢江的一座特大型橋梁，是武漢市的重要交通要道，對武漢市民的生產和生活有著重要的影響，它的安全運營十分重要。2005—2015年技術人員已對該橋進行了8期的全橋幾何變形觀測，本文主要以長豐橋第8期全橋變形監測為工程實例，對鋼拱橋的變形監測進行介紹與分析。

1 變形觀測點設置

為了長豐橋的變形監測，從第1期開始在主橋、引橋關鍵部位設置了變形觀測點，第8期繼續沿用。

2 平面基準網觀測

GPS網采用靜態定位技術施測，GPS網觀測的技術指標按照D級標準。數據采集使用Leica公司生產的5臺System 1200 Gx1230雙頻GPS接收機進行觀測。

2.1 GPS網基線解算與質量分析

（1）GPS網基本技術特征，GPS網外業數據采集使用5臺儀器，共觀測4個同步時段。

（2）GPS網外業質量分析，全網共構成10個異步環，從異步環計算結果可知，GPS網外業觀測數據質量優良，觀測值不含有粗差，精度符合要求。

2.2 平面基準網平差計算

由于原CF09點被破壞，因此以CF02和CF04作為二維約束平差的坐標約束點。平差結果表明三維基線向量改正數服從正態分布，未發現粗差觀測值，邊長中誤差分布正常，滿足規范要求，表明該網的內符合精度較高[1]。

2.3 橋軸坐標系坐標的求定

利用CF02、CF04兩點的國家高斯平面坐標和原施工橋軸坐標系中的坐標，使用坐標轉換軟件計算坐標轉換參數，進而求出其他各點在橋軸坐標系中的坐標，用于主橋橋墩縱橫向位移觀測和鋼拱拱肋縱、橫向位移觀測的平面基準。

2.4 平面基準網點位穩定性分析

根據本期和2014年第7期的GPS觀測成果，可對兩期的高斯平面坐標變化進行比較，結果見表1。

從表1各點的坐標值比較可知，該網中未被破壞的幾個點比較穩定，可作為本期計算主橋橋墩縱橫向位移和拱肋在拱軸線面內（縱橋向）和面外（橫橋向）位移的坐標起算基準[2]。

3 高程基準網測量

本期高程基準網外業觀測同往期一樣，按照二等水準技術規定要求實施。觀測儀器采用高精度的數字水準儀（Trimble DiNi 03）及配套的條紋編碼水準尺。

3.1 岸上高程基準網測量

本期高程基準網觀測的精度要求與前幾期完全相同，兩條過江水準路線和岸上的水準路線一道組成過江水準環，以檢驗過江水準成果質量。

3.2 高程基準點的穩定性與起算點的確定

往期以漢口和漢陽兩個深埋鉆孔樁高程基準點（JB和JN）與已知高程點進行連測，求得兩個高程基準點的高程。根據多年觀測的資料顯示，兩個深埋鉆孔樁基準點已趨于穩定，因此可以作為本期高程起算點。

4 橋墩沉陷與橋面線形（撓度）觀測

4.1 橋墩沉陷觀測

橋墩沉陷觀測點的位置與第1期相同，主墩（15#、16#墩）沉陷觀測點位于主墩的承臺上。但從12#墩至14#墩各墩柱上的觀測點已全部被江灘填土所埋，已無法觀測。在本期將岸上基準網觀測、橋墩沉陷觀測與橋面線形觀測共同構成線路長度不等的42條水準閉合環和一條從JB至JN的水準附合路線，以克服前述條件變化的干擾。根據觀測數據處理結果看出：兩基準點線路長度為3.28 km，水準附合路線閉合差限值為7.24 mm，實際附合路線閉合差為1.7 mm;其余各水準閉合環的閉合差在0.05～3.95 mm，滿足二等水準測量精度要求[3]。

4.2 橋面線形觀測

橋面線形觀測包括引橋段線形和主橋線形。觀測方案與前幾期相同，為了克服行車引起的橋面抖動對水準測量的影響，本期橋面線形觀測安排在夜間進行，以期克服溫度變化的影響，提高成果質量。

4.3 主橋撓度觀測

在本橋的撓度觀測中，除了測量懸臂端點或1/2、1/4梁長等，以及梁的跨中點（即梁長的1/2）、1/4等位置在垂直于橋軸線的變化，還測定了主橋橋面其他所有的觀測點在垂直于橋軸線的變化，根據主橋橋面各觀測點的變化情況，可以全面了解主橋的變化情況。

5 水準測量觀測成果的數據處理

5.1 高程起算點的確定

前已述之，以兩個深埋鉆孔樁高程基準點作為高程起算點。漢口岸承臺上的觀測點D0X相對第7期而言，變化量為-2.5 mm，其變化量在觀測精度范圍內。可以認為，漢口的深埋鉆孔樁高程基準點基本上趨于穩定。因此，本期數據處理時，仍以兩深埋鉆孔樁高程基準點作為本次橋墩沉陷和橋面線形變化的高程起算點。

5.2 橋墩沉陷與橋面線形測量成果分析

橋墩沉陷與橋面線形測量成果分析主要根據兩期觀測點高程的差值分析判斷，觀測點兩次觀測的高程差值超過4.2 mm時，可認為該點產生了沉陷;反之，若高程差值小于4.2 mm時，可認為是由觀測誤差引起的，判定該點沒有變化[4]。由橋墩沉陷觀測成果表可以看出：？譹？訛漢口岸1#～11#各橋墩的觀測點在本期與第7期之間高程變化值均小于4.2 mm，可認為相鄰兩期變化不顯著。在第7期報告中提到1#～6#上的觀測點呈下降趨勢，有待進一步觀察。本期觀測結果表明，這些點高程變化值不大且在觀測精度范圍內，認為它們已基本趨于穩定。相對首期而言，其累計變化量均超過4.2 mm，其中D6S變化量最大為17 mm，符號為正。表明它們相對首期而言有上升趨勢，與第7期比較，其趨勢和數量級相當。說明這種現象是由于基點下沉引起的。？譺？訛漢陽岸17#～35#各橋墩觀測點相鄰兩期之間的變化趨勢與漢口岸基本相同，相鄰兩期之間的高程值變化均在觀測精度范圍內，認為相鄰兩期之間的變化不明顯。位于15#主墩沉降觀測點與位于16#主墩沉降觀測點相鄰兩期的變化量很小，變化量在觀測精度范圍內，表明相鄰兩期之間的變化不顯著。

由橋面線形觀測成果表可以得出以下結論。

（1）漢口岸引橋6#～14#墩橋面上的線形觀測點七、八相鄰兩期之間高程變化量均在4.2 mm以內。表明其變化量均在觀測精度范圍內，累計變化的趨勢與漢口岸1#～6#各橋墩觀測點相同。

（2）主橋橋面線形觀測點的高程相對第7期變化量較小，根據橋面線性變化成果看出：上下游變化趨勢基本相同，兩端變化不大，跨中略有下擾，最大下擾值約6 mm。說明相鄰兩期之間橋面線形變化不明顯。

相對第1期的累積變化而言，均有上升趨勢，其值約20 mm，跨中與兩側的變化較為均勻;上下游兩側的變化趨勢基本相同。分析產生這種現象的原因可能是前述墩柱觀測點的累計變化相似，即可能與基點的累計變化有關。對此，可在今后的觀測中進一步分析驗證。

5.3 主橋橋面相對設計線形變化

根據成果表繪制了主橋設計線形、實時線形圖，主橋橋面線形相對設計線形變化（如圖1、圖2所示）。

根據成果表和線形圖與線形變化圖可以得出以下結論。

（1）線形觀測點實時線形與設計線形一致。

（2）第1期和本期相對設計線形的變化有一定的規律性，上下游兩側變化趨勢一致，邊跨與跨中上升，跨中上游最大值約250 mm，下游約265 mm。

（3）分析產生上述變化趨勢的原因，主要是第1期觀測時沒有施工時留下的高程控制點，監測采用的高程起算點與施工用的高程點不一定為同一高程系所致，但并不影響對橋梁變化狀況的分析與結論。

5.4 主橋撓度觀測成果分析

本次撓度觀測采用與上期橋面線形觀測完全相同的精密二等水準觀測方案，計算各觀測點相對固定支點的高程及其變化，其變化量即可視為相對支點的撓度。

根據撓度觀測成果可以看出：相對固定支點而言，橋面線形觀測點的變化量隨著距離固定支點的遠近而不同。對于固定支點之間的部分，越往跨中下撓量越大，跨中最大值約50 mm且上下游的趨勢基本相同;對于固定支點以外的懸臂端部分，其變化量明顯小于跨中部分，靠近固定支點和懸臂端端點的觀測點撓度值較小，在固定支點和懸臂端端點之間的觀測點的撓度值略大。產生跨中點撓度值較大的原因與兩次觀測時的溫度有關，第一次觀測是2015年9月，正值夏末季節，溫度較高;而第二次觀測為2016年1月，正是寒冬季節，溫度較低，兩次的溫差較大，是產生擾度較大的主要原因。

6 主墩縱橫向位移測量

6.1 主墩縱橫向位移觀測點設置

主墩縱、橫向位移觀測是測定主橋各墩在順橋向和橫橋向的變化。根據首期縱向位移觀測點的布置，它們分別設置在14#、15#、16#、17#等4個橋墩的上下游。其中，14#、17#墩的觀測點設置在帽梁兩端，而15#、16#兩主墩的觀測點埋設在承臺上。測定主墩縱橫向位移觀測的測站點（ZS和ZX）布設在漢陽岸大堤上，它們位于對稱于橋軸線兩側且分別可以與上下游觀測點通視的地方。

6.2 主墩縱橫向位移導線觀測

為了測定主墩縱橫向位移，需設置測站點，并對其進行導線測量。

7 拱肋縱橫向位移測量

7.1 拱肋縱橫向位移觀測點設置

拱肋縱、橫向位移測量的目的主要是測定拱肋在動荷載作用下在橋軸線和橫橋向擺動幅度大小及規律。為此，在主橋上下游拱肋上共布置了14個拱肋位移觀測點。每個觀測點上均埋設有固定不變的永久性連接裝置，該裝置可與反射棱鏡固連。

7.2 拱肋縱橫向位移觀測測站點設置

在2013年技術報告中已指出，漢陽岸漢江江邊的綠化林帶的快速茂密生長，使得原來布設的作為拱肋觀測測站點的平面基準點與布置在拱肋上的觀測點無法通視，在觀測時只得布設新的拱肋觀測測站點，采用導線測量方法觀測。2013年度布設的新的平面基準點CF10在2014年觀測時由于江灘改造時已被破壞，因此需要另外選取新的基準點，又由于漢口岸江灘改造使得位于漢陽岸岸邊的拱肋觀測測站點G2可與CF02通視，因此2014年導線選用的平面基準點為CF02和CF05。經過本期觀測前現場踏勘，雖然漢口岸江灘改造時在江灘上種植了很多風景樹，但是本期觀測時G2與CF02仍可通視，因此本期觀測的導線布設和2014年一樣。

7.3 拱肋縱橫向位移觀測

本期拱肋縱、橫向位移測量采用當代最先進的智能型全站儀（又稱測量機器人）徠卡MS50，它通過內置的自動目標識別裝置ATR1發射出的激光束經棱鏡反射后由CCD相機接收，實現自動尋找和自動精確照準目標，自動測定測站點至目標點的距離、水平方向值和天頂距，計算出三維坐標并記錄在內置模塊。

8 結論

根據本期長豐橋變形監測的觀測成果，可對該橋的變形監測的有關情況提出以下初步看法。

（1）由表1（高斯平面坐標變化比較表）可以看出：平面基準網中，CF03在2012年度觀測時發現已被人為破壞，該點仍未完全穩定，有待進一步觀察;本期比較CF05、CF12、CF12 3點的坐標變化，結果可見，CF05、CF12、CF12 3點的坐標變化均不顯著，它們可以用作鋼拱拱肋縱橫向位移觀測、主墩縱橫向位移觀測的平面基準。

（2）根據對高程基準網的多期觀測，位于漢口和漢陽兩岸的深埋鉆孔樁高程基準點已趨于穩定，可作為該橋的高程起算基準點。

（3）根據橋墩觀測成果可以看出：兩岸橋臺和橋墩立柱上觀測點及16#主墩上的觀測點高程相鄰兩期之間的差值不大，表明變化不顯著，但相對第1期而言仍有上升的趨勢;正如前面分析指出：產生這一現象的原因是否與基準點沒有完全穩定有關。

（4）主橋橋面線形觀測點的高程相對第7期變化量較小，根據橋面線性變化圖可以看出：上下游變化趨勢基本相同，兩端變化不大，跨中略有下擾，最大下擾值約6 mm。說明相鄰兩期之間橋面線形變化不明顯。

（5）根據主橋橋面設計線形與實時線形的比較，橋面線形趨勢相同。第1期和本期相對設計線形的變化基本一致。但它們與設計的差值較大且均為正值。出現這種現象的原因應該是橋梁施工與變形監測采用的高程系統有差異。因此，在橋梁投入運營后實施變形監測前進行控制點的交樁有利于監測資料的分析。

（6）根據主墩縱橫向位移觀測和鋼拱拱肋縱橫向位移觀測成果可知，總體上第8期與第7期觀測點的橋軸線坐標變化不大。

9 結語

本文以長豐橋為例，簡要敘述了大型鋼拱橋幾何變形監測方法與數據處理分析的流程與方法。為了橋梁的安全運營，橋梁必須進行定期的變形監測。通過測得的數據與往年的數據進行對比分析，可以對橋梁進行健康評估，保證橋梁的運營安全。

參 考 文 獻

[1]林宗云，劉宗泉，余文斌.用GPS技術建立橋梁變形監測平面基準[J].地理空間信息，2005（1）：47-48.

[2]李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理[M].武漢：武漢大學出版社，2010.

[3]李青岳，陳永奇.工程測量學（修訂版）[M].北京：測繪出版社，1995.

[4]陳永奇，吳子安，吳中如.變形監測分析與預報[M].北京：測繪出版社，1998.