某大橋墩柱變形監測與結構性能分析研究

唐運來

（四川路橋橋梁工程有限責任公司，成都 610000）

1 引言

隨著交通負荷的增加和環境條件的變化，橋梁墩柱可能會出現變形或損傷，這些問題如果不及時發現和處理，可能會導致嚴重的安全事故。傳統的橋梁檢測方法往往依賴于定期的視覺檢查和簡單的測量工具，這些方法不僅耗時耗力，而且難以準確捕捉到墩柱的微小變形和早期損傷。因此，開發一種高效、精確的墩柱變形監測和結構性能分析方法顯得尤為迫切[1]。本文聚焦于某大橋墩柱的變形監測與結構性能分析，采用先進的傳感器技術和數據分析方法，實時監測墩柱的變形情況，并通過結構性能分析評估其安全狀況。

2 工程概況

該橋位于四川省巴中市通江縣杜家灣附近，全長354 m，采用的橋型方案為80 m+150 m+80 m 連續箱梁和40 m 預應力混凝土T 梁。橋梁起點與終點分別位于河道兩岸的斜坡之上，路線跨越通江，小樁號橋臺位于緩坡地帶，大樁號橋臺位于陡坡地帶，地面標高為329.6~424.3 m 不等，相對高差約95 m，山體上部斜坡陡峻，植被茂密。大橋主橋上部構造為80 m+150 m+80 m 預應力混凝土連續箱梁，箱梁根部梁高9.5 m，跨中梁高3.5 m，頂板厚30 cm，底板厚從跨中至根部由30 cm 變化為120 cm，腹板厚度為50 cm、66 cm、80 cm，兩次各分兩個節段直線變化，箱梁高度和底板厚度按二次拋物線變化。箱梁頂板橫向寬19.5 m，箱底寬13 m，翼緣懸臂長3.25 m。箱梁0號節段長12 m，每個懸澆T 梁縱向對稱劃分為21/20 個節段，梁段數及梁段長從根部至跨中分別為4×2.5 m、4×3 m、4×3.5 m、8×4.0 m，節段懸澆總長68 m。邊、中跨合龍段長均為2 m，邊跨現澆段長3.8 m。跨中設一道厚0.5 m 的橫隔板。

3 橋墩變形監測

3.1 控制網點部署方案

對于大橋橋墩的變形實施監測，基準控制網點布置須嚴格遵守以下監測原則，以保證測量的準確性和監測數據的可靠性。在監測網絡中，基準點必須設置在結構穩定且未受變形影響的區域，以保證測量基線的穩定性。每座橋至少應設3 個基準點，以構建一個穩固的參考框架。工作基準點應布置在易于訪問且對施工影響最小的位置，保障監測活動的順利進行。變形觀測點應設置在最能反映橋梁變形特征的位置，包括橋墩頂部和結構關鍵節點。通過這些點位，可以獲得橋梁整體及局部的變形數據。大橋模型圖見圖1。

圖1 大橋模型

針對大橋的特點，研究采用了先進的地理空間技術布置基準點[2]。3 個基準點BM1、BM2 和BM3 的選取，充分考慮了周圍環境和橋梁的結構布局。這些點位分別布設在結構穩固的底座基礎上，并采用了可靠的物理固定方式。BM1 在右側底座基礎上，位于22#墩柱80 m 處，BM3 位于同一墩柱30 m處；而BM2 位于右側水泥基礎上，距22#墩柱65 m。每個點使用不銹鋼觀測釘，在鉆孔后用植筋膠進行固定，并以醒目的紅油漆進行標記，確保了長期的可見性和辨識度。此外，對于主墩變形監測，研究在每個墩上布置了兩個觀測點，共計8 個，這些點位于各主墩的0#塊隔板中心和左、右寬墩的外側，以全面捕捉可能的變形數據。

3.2 橋墩沉降監測部署方案

在大橋的結構穩定性監測系統中，橋墩沉降監測點的設定扮演著一個關鍵角色。橋墩作為橋梁的關鍵承重構件，其穩定性對整體結構至關重要。監測點的布設在每個橋墩的頂端和底座，這些點沿著橋墩的主軸線和橫向外側安排，以此形成一個由24 個點組成的監測網[3]。這種布局旨在全面捕捉由土體變形引起的任何垂直位移，為橋梁安全評估提供準確的實時數據。

3.3 橋墩位移監測與傾斜監測部署方案

在橋墩的水平位移監測計劃中，由于橋墩基座存在淤泥層，河床的積淀活動可能會對橋墩的穩定性產生不利影響。為了詳細了解這些變化，監測點被精確地設置在每個橋墩的頂部和底部。這24 個水平位移監測點均配備了專門的監測標志，以確保在連續監測過程中能夠精確記錄位移數據。通過這些測點，可以有效跟蹤和分析橋墩在各種環境條件下的水平位移趨勢。橋墩是橋梁底部結構的關鍵部分，其穩定性直接影響到橋墩的整體安全性能。因此，橋墩必須保持充分的結構強度與堅固性。不斷增長的交通負荷、常見的超載運輸現象以及外部荷載作用下地基土的松動，都可能導致橋墩發生形變或傾斜。這種情況下，實施橋墩的傾斜監測變得尤為重要。針對大橋的具體情況，本次監測特別設置了12 個監測點位于橋墩的關鍵位置。在每一個監測點打入膨脹螺絲并使用結構膠進行固定和加強，以確保監測設備的牢固和數據采集的準確性。

4 監測結果分析

為保障測量數據的精度和準確性，選取了BM1 和BM2作為主要參照點，同時設定BM3 為驗證點以確保數據的校準準確性。觀測過程中，通過重復測量至少4 輪，以消除偶然誤差，提高結果的可靠性。一旦檢測到基準點有任何偏差，立即利用BM3 進行驗證。測量完成后，迅速進行數據平差處理，確保所得數據滿足控制網規定的等級精度要求。后續布設的獨立控制網以BM1 為坐標起點，X 軸沿橋梁主軸定向，Y 軸垂直于橋梁主軸，從而確保了網絡監測數據獲取的有效性。測量結果表明，該網絡穩定，符合正常運用標準。

采用精確的三角高程測量技術對大橋墩柱的沉降情況進行監測。在進行測量之前，必須正確安裝單棱鏡，并確保其高度及視線高度適宜，同時保持視線距離任何障礙物超過1.3 m。通過精確測算角度及距離，計算得出測點與橋墩間的相對高程差。依據JGJ 8—2016《建筑變形測量規范》中規定的精度要求，連續兩次測量的高差若在允許的誤差范圍內，其平均值則被確定為最終的沉降值。本次觀測結果見表1。

表1 沉降監測結果

表1 中LTP 表示左幅頂部點 （Left Top Point），LBP 表示左幅底部點 （Left Bottom Point），RTP 表示右幅頂部點（Right Top Point），RBP 表示右幅底部點（Right Bottom Point），數字表示墩柱編號，A 表示本次測量周期。表1 展示了墩柱在一定觀測期內的沉降監測數據。監測數據表明，2022 年期間，橋梁墩柱的沉降量變化在-3.9~5.7 mm。RBP-17A 點和LBP-18A點記錄了最大的沉降量變形，均為-4.03mm。監測到的墩柱累計沉降值波動在-4.03~5.17 mm，其中RBP-17A 點出現了最大沉降，而LBP-18A 點則顯示了最大的升高。所有這些測量值都在安全的正常范圍內，未觀察到異常的突變現象。為確保墩柱的水平移動得到有效監控，防止過度位移影響穩定性，本次監測采納了全站儀進行精密測量，使用極坐標系統來追蹤水平位移。監測過程沿水流方向展開，對采集到的數據進行了詳細記錄。進一步地，通過對比不同時間點的數據，繪制了反映墩柱水平位移趨勢的曲線圖。橋墩水平位移監測結果如圖2所示。

圖2 水平位移監測結果

圖2 所示為各時期橋墩水平位移監測曲線，整體比較可知，2021 年橋墩累積位移的波動幅度比2022 年和2020 年大。監測數據顯示，本次檢測過程中觀察到橋墩發生了水平和垂直的移動。在水平方向，累積的位移測量值介于-7.1~4.7mm。而在垂直方向，測得的位移值變化介于-7.1~8.8 mm。觀測點LBP-17A 記錄了此次監測中的最大移動量，但這些位移值均在橋梁設計的安全運行參數內，并未發現異常的位移活動。在本次監測中，為準確捕捉橋墩的傾斜變形，采用了配備Leica小棱鏡的全站儀進行精確測定。根據現行規范，運用極坐標法對橋墩的頂端和底端進行了坐標定位，借助坐標計算，確定了橋墩標志點的中心投影線的傾斜方向。隨后，通過轉換所得的坐標和高程數據，計算出了傾斜率。利用這些數據，制作了表現橋墩傾斜變化的監測曲線圖，如圖3 所示。

圖3 橋墩傾斜度監測結果

監測數據表明，在本次評估期間，橋墩的傾斜度測量值分布在-0.33‰至0.35‰的區間內。傾斜度最大的觀測點位于QL21#，所有記錄的傾斜值均在結構設計允許的安全邊界之內，沒有檢測到任何不尋常的突變現象。

5 結語

橋梁作為交通基礎設施的重要組成部分，其結構的安全性和穩定性對于保障交通的流暢和人民生命財產的安全具有至關重要的意義。本文通過對橋梁墩柱變形監測與結構性能進行分析，為橋梁工程的專業人士提供了寶貴的理論支持和實踐指導。通過引入先進的監測技術和精確的數據分析方法，能更準確地監測和評估橋梁的健康狀況，預測和應對由交通負荷增加和環境條件變化引起的潛在問題，為我國橋梁工程的持續發展和安全運營提供保障。