大跨度斜拉桥变形观测的实施方法

覃文柱，符海鸥



大跨度斜拉桥变形观测的实施方法

覃文柱，符海鸥

（四川省核工业地质调查院，成都 610061）

在桥梁运营期间，由于各种原因，会造成其不同程度的损伤和破坏。为了保证既有桥梁的安全运营和尽可能延长它的正常使用年限，应对其进行实时健康监测与安全性评估[1]。介绍了现代大跨度斜拉桥变形产生的原因、监测的内容、变形监测的实施方法，指出利用现代测量仪器和技术不仅完全可以满足大跨度桥梁管理部门提出的要求，而且还可以提高测量速度，其测量成果也具有很高的精度。

斜拉桥；健康监测；变形监测；GPS

大型斜拉桥是近代发展起来的新型桥梁。这种桥梁的结构特点是跨度大、塔柱高、斜拉段具有柔性特性。在这类桥梁的施工测量中，人们已针对动态施工测量作了一些研究并取得了一些经验[2]。在竣工通车运营期间，如何针对它们的柔性结构与动态特性进行监测是人们十分关心的另一问题。尽管目前有些桥梁已建立了了解结构内部物理量的变化的“桥梁健康系统”，它对于了解桥梁结构内部的应力、应变及其变化对于监测桥梁安全无疑是十分重要的，但对于全面监测与分析桥梁安全尚嫌不够，还要通过测定它们几何量的变化，才能更直观明了地判断其安全状态。因此，采用现代大地测量原理和技术方法[3]，以及特种精密工程测量技术测定它们宏观几何量的变化显得十分必要。

1 变形产生的原因

斜拉桥变形产生的原因，一般由以下原因引起[4]: 第一，自然条件及其变化，即桥梁墩台地基的工程性质、水文地质、土壤的物理性质以及地震等。例如在开挖基础时，由于去掉地表土，改变了基岩或地基的原始受力状况，因而产生回弹，即比原始状况升高；或桩基础施工完工未加上部荷载；随着工程的进展，基础的受力逐渐增加，因而基础的受力逐渐增加，因而基础会逐渐下沉；由于基础基底的地质条件不同，会使墩台产生不均匀的下沉，影响墩台发生倾斜和位移；由于温度和水位季性和周期性变化以及水流方向的变化，桥梁将会产生规律性变形；由于洪水、流水及在偶然情况下船只的碰撞也会使墩台发生倾斜和位移。第二，与桥梁本身相联系的原因，即作用在桥梁上部结构静荷载与作用在墩台的静荷载，墩台、梁、斜拉索的结构形式以及动荷载的作用，斜拉索的断丝 、锈蚀及锚固松弛等。第三，勘测、设计、施工以及运营管理不善也会引起桥梁的额外变形。

2 变形观测的内容

根据我国最新颁发的“公路技术养护规范”中的有关规定和要求，以及大跨度桥梁塔柱高、跨度大和主跨梁段为柔性梁的特点，变形观测的主要内容包括：①桥梁墩台沉陷观测、桥面线形与挠度观测、主梁横向水平位移观测、高塔柱摆动观测；②为了进行上述各项目的测量，还必须建立相应的水平位移基准网与沉陷基准网观测。上述各观测内容应根据是否允许中断交通的要求确定具体的静态或动态观测方式。

3 全站仪及GPS变形监测基本原理

全站仪由电子经纬仪，光电测距仪和微处理机组成，它可在测站上同时测角和测距，并能自动计算出待定点的坐标和高程，仪器安置一次便可完成测站上的全部测量工作。特别是最近推出的直接反射型全站仪，无需在测点布设反射棱镜，对于测定难以企及或者其他仪器不可能测量的点十分适用。RTK定位技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术[5]，它能够实时地提供观测站在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和观测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解（OTF）。在整周未知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持4颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，流动站就能随时给出厘米级定位结果。

4 变形观测方法与成果精度

4.1 GPS定位系统测量平面基准网

为了满足变形观测的技术要求，考虑到基准网边长相差悬殊，对基准网提出了边长相对精度不低于1/12万、边长误差小于±5 mm的双控精度指标；鉴于工作基点均位于大桥桥面，它们与基准点之间难以全部通视，确定采用GPS定位系统施测[6]。为了在观测期间不中断交通，且避开车辆通行引起仪器的抖动和干扰GPS接收机的信号接收，对设置在桥面工作基点的观测时段均安排在夜间作业，尽可能使其符合静态作业条件以提高观测精度。

4.2 高程基准网和沉陷观测

高程基准网与桥面沉陷观测均按照“国家一、二等水准测量规范”的二等技术规定要求实施。并将垂直位移基准网点、桥面沉陷点、过江水准线路之间构组成了多个环线。高程基准网的观测采用了 Leica NA3000 数字式水准仪与条纹编码水准尺，它可以不需人工读数，只需照准条纹码水准尺便可以自动的显示读数，减少了照准误差和人工读数的误差影响，有利于提高水准测量的精度；桥面沉陷观测采用了 Ni007 自动安平水准仪；高程基准网中的过江水准测量，采用 2 台全站仪同时对向观测的测量方案。

4.3 全站仪坐标法观测横向水平位移

众所周知，直线型建筑物的水平位移常采用基准线法观测，它的实质测定垂直于基准线方向的偏离值。为充分发挥现代全站仪的优点，桥面水平位移观测采用了类似基准线法原理的坐标法，以直接测定观测点的横坐标。根据对全桥观测点的结果进行了统计分析，在未顾及视线长度不等对 Y 坐标的精度影响的条件下，求得 Y 坐标的精度为±0. 48 mm，它远高于桥梁监测技术中的精度要求（±3mm）。

5 结论

由以上分析可以看到，采用GPS与全站仪对大桥在控制荷载和环境荷载作用下进行变形监测是可行的。随机激励法的一个缺点就是输入能量可能过小，不足以激起感兴趣的高阶模态 。此次GPS动态监测时由于过往车辆较少，所引起桥梁结构的振幅只有几个厘米，但对于尝试性的试验，结果仍基本令人满意。监测过程及结果表明，这种方法对于普通大桥的变形监测十分适用，既有效地降低了监测成本，又极大地提高了作业的灵活性，是一种具有良好应用前景的方法。可以想象，通过适当增加GPS接收机与全站仪的数量，在不同测点同时监测，可以得到大桥整体结构变形情况，配以适当的软件可对大桥的动态变形进行实时显示。这对反映大桥工作环境和荷载的变化，进一步分析主要构件，例如主悬索缆、纵向主梁等的实际内力的分布情况，以及为大桥营运和维修决策者提供大桥超载的警告信息具有重要现实意义。未来基于GPS技术的桥梁健康监测系统将是一个集卫星定位技术、数字通讯技术、计算机网络技术、自动控制技术、精密工程测量技术及现代数据处理技术等高新技术的综合监测系统[7]。

[1] 张启伟．大型桥梁结构健康监测概念与监测系统设计[A]．上海:同济大学出版社．2000,908～913．

[2] WU Dong 2 cai. Construction Survey of Large Cable 2stayedBridge [M] . Beijing : Publishing House of Surveying andMapping ，1996. （in Chinese）

[3] 李青岳．《工程测量学》[M]．测绘出版社，1984．

[4] 贺国宏．桥隧控制测量[M]．北京:人民交通出版社，1999．

[5] 中华人民共和国城乡建设环境保护部.《全球定位系统城市测量技术规程》（CJJ73-97）[S]. 1997．

[6] 刘正光．人造卫星定位系统在桥梁结构健康监测中的应用[J]．广西交通科技，2003,（ 1）:3．

[7] 李英冰，徐绍铨，张永军，等．谱分析在GPS自动化监测系统中的应用研究[J]．武汉大学学报（信息科学版），2001,（8）：343～348．

Deformation Monitoring of Long-Span Cable-Stayed Bridge

QIN Wen-zhu FU Hai-ou

(Sichuan Institute of Uranium Geological Survey, Chengdu 610061)

This paper discusses deformation causes of modern long-span cable-stayed bridge and its monitoring method of deformation and points out that using modern measuring instruments and technology not only can meet fully needs of the long-span bridges administration, but also can heighten measurement speed and accuracy.

cable-stayed bridge; health monitoring; deformation monitoring; GPS

P642.3

A

1006-0995（2015）01-0093-02

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.01.021

2013-07-08

覃文柱（1982～），男，湖南怀化人，测绘工程师，主要从事测量及其相关工作