探讨悬索桥运营期的维护测量

陈远红

摘要 随着我国桥梁工程建设的不断推进，为确保桥梁的安全运营，需要重视并做好桥梁运营期间的维护测量。文章以某悬索桥梁为研究对象，基于该悬索桥的运营维护、测量要求构建维护测量基准网络，对该悬索桥梁体、悬索、索塔等关键部位进行测量，以完成悬索桥运营维护测量的主要任务。根据该悬索桥的结构特点以及所处环境因素，探讨合理的维护测量手段，旨在为类似的悬索桥运营维护测量提供技术借鉴。

關键词 大型悬索桥;运营维护;索塔变形监测

中图分类号 U445.7 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）13-0117-03

0 引言

工程实践中，悬索桥多用于江海、峡谷的联通，该次研究的悬索桥主桥体连续钢箱梁，共两跨，其中主跨长1 760 m。长时间的服役运营使该悬索桥的结构因环境改变、车辆荷载等因素作用而出现一定程度的破坏，目前该悬索桥桥头部分动态运动，如不加以控制，桥梁结构形态出现变化，将威胁桥梁的安全运营，因此，必须重视并做好该悬索桥运营阶段的维护及测量工作，做到及早发现安全隐患，及时处理[1]。

1 大型悬索桥运营期维护测量内容

悬索桥运营期间，主梁承受了大部分的车辆荷载，该悬索桥主梁为半漂浮连续钢制箱梁，长时间的车辆载荷及应力的作用可能导致箱梁结构出现疲劳损伤，形成裂缝，最终断裂。而且在温度变化、雨水等外部环境的长期反复影响下，箱梁可能出现过度变形，进而产生结构性损坏。为保证箱梁结构的稳定性、完整性，应重视并做好主梁竖线测量[2]。

（1）运营阶段的悬索桥悬索系统在长时间干湿交替作用下容易出现氧化腐蚀，导致悬索钢丝锈蚀，导致应力过度集中，降低悬索的疲劳强度，甚至导致悬索断裂。因此悬索桥运营阶段应密切监测主缆线形，如测得数据异常，第一时间进行处治，以有效保障悬索桥运营阶段的使用安全。

（2）该桥的索塔结构为预应力钢混结构，其下部与桥梁基础连接，上部悬挂并固定在主缆上。如果作用在索塔上的合力方向偏离其中心轴未指向基础，则索塔将产生弯矩，使索塔出现横向位移，导致桥梁整体结构变形。悬索桥的跨度越大，施加在索塔上的力越大，其上部发生位移或变形的可能性就越大[3]。因此，在桥梁运营阶段应该密切监测塔顶位移和变形，如发现异常必须及时处治。

（3）通过分析总结悬索桥主要部位的受力情况和结构特点，该文认为应建立和使用位移监测网络，基于监测网络对悬索桥主梁竖向线形、悬索线形以及索塔变形进行密切监测。

2 大型悬索桥运营期维护测量方法

2.1 位移监测基准网的建立与维护

基于现有工程数据和实地勘测发现，该悬索桥施工阶段建立了四个全球定位导航系统监测点以及高程监测点，各监测点靠近桥梁但均位于桥梁承压区域范围外，均采用强制对中观测墩，附近无遮挡，视野好。

（1）与平面基准点共处同一个桩的高度监测点为定心观测墩的参考点，使用简便、易于维护，可靠性高。共有八个监测点可作为参考点，用于监测运营阶段的桥梁位移。此外，运营后期该悬索桥设置了一个全球定位导航动态位移监测点以及多个流动监测点，构成全球定位导航监测网络[4]。在位移监测网络中加入一个跨域资源共享监测基准站，便于进行位移数据的整体计算。因此，该悬索桥共计九个位移监测点，形成最终的位移监测基准网络。

（2）位移监测基准网常用全球定位导航静态定位法进行测量。按照现行道路桥梁工程测量规范要求，大型悬索桥的横向位移测量精度需达到毫米级，现场测量精度应满足精度二级要求。因此，采用八台全球定位导航接收设备对桥梁布设的八个全球定位导航监测点进行测量，同时桥梁南侧的跨域资源共享监测基准站布设一台全球定位导航接收设备。

（3）该悬索桥的垂直位移监测点布设于桥梁两端，为确保桥梁两端的垂直位移测量误差在合理范围，需进行跨越桥梁两端的垂直位移测量。按照桥梁监测的相关技术标准和操作要求对桥梁两端的垂直位移进行二级精度测量。

（4）为保证该悬索桥运营阶段的安全使用，需对该桥整个生命周期的位移进行监控，此外还需保护好测量基准网络，确保监测网络完整可靠，并做好定期复测，确保测量精度满足要求，通过稳定监测点的监测数据衡量监测网络是否稳定。

2.2 主梁竖向线形和主缆线形测量

2.2.1 主梁竖向线形测量

应优先选择在桥梁封闭期间测量其主梁竖向线形，以有效提高测量精度，减少动载荷对测量结果的影响，同时应尽量选择温差较小的时间段进行主梁竖向线形测量，以最大限度地减少温度变化对测量结果的影响[5]。

（1）利用几何水准测量法测量该悬索桥主梁线形，根据相关测量技术标准，沿由桥面测量点组成的封闭水平线进行测量[6]。最后，计算并平差，得到每个线形测量点的测量数据，最终得到实际的主梁线形，比较实际线形和测量线形，明确线形的变化情况，以评估桥梁结构的安全性。

（2）为保证该悬索桥主梁竖向线形的测量数据精度，结合测量现场实况，将测量控制点均匀设置于桥梁东西两侧的维护通道围栏上，测量点分布及标记见图1。

（3）在视野较好的主梁线形测量点安装全站仪，观测该悬索桥主梁各线形测量点，配合线下高程测量基准点，组合成完整的测量路线。测量时需重复测量相邻测量点的重叠区域，以相互验证相邻测量点的测量结果，图2为该悬索桥主梁线形测量示意图。

（4）利用全站仪测量各测量点和后视点之间的高程差，比较测得的高程差与已知高程差值，从而计算出测量区域空气中光折射和地球曲率实时差分改正值dh，从而保证主梁竖向线形测量精度：

式中，hO——测量点与后视点之间的高程差精确值;hJ——测量点和后视点之间的测量高程差;SJ——测量点与后视点之间的测量斜距。

（5）利用实时差分球对测量点与基准站之间的实际测量高程差进行面校正，经校正处理后的测量点和基准站之间的三角高度差计算公式为：

式中，hp——测量点与基准站之间未经微分校正测得的三角高程差;Sp——测量点与基准站之间测得的斜距。

（6）桥梁未封闭的情况下实际测量得到的主梁竖向线形与桥梁封闭状态下测量得到的主梁竖向线形对比如图3所示。据图可知，两种状态下的主梁竖向线形趋势线重合，表明该悬索桥主梁未发生明显变形，桥梁的左右幅竖向线形对称分布。

2.2.2 主缆线形测量

为测量该悬索桥的主索线形，需先将主索线形测量点布设于距离主索一段距离的索夹上[7]。为确保测量点分布均匀，可将主索均分四段，即分别在桥梁两边跨的1/4、2/4和3/4处设置测量点，具体布设见图4。

为保证测量精度，需先确定主缆线形测量点的三维坐标。该次测得的桥梁主索线形大致为抛物线形，同时东西两向主索对称分布[8]。此时测得的主索形态与桥梁施工时的主索形态趋势线一致，无明显差异（如图5、图6）。

2.3 索塔变形监测

考虑到桥塔上部的位移，应将桥梁上部变形测点设于桥梁索塔上部的对应位置。因索塔较高，塔顶监测点的平面坐標可以通过静态全球定位导航测量获得[9-10]。该次测量结合悬索桥的地形地质实际情况，采取多项平面拟合法对桥梁索塔顶部变形测量点的全球定位导航高程进行拟合，基于距离差监测法，参照图7所示的三跨径测量方案。该次测量的南边跨、中跨、北边跨跨径依次为Sac、Scd、和Sbd，其余时间段测得的三跨跨径分别为、、，则三跨跨径变化值和、、可按下式计算：

当>0，<0，当不变，则桥梁南侧索塔朝南锚偏移;当<0，>0，不变，则桥梁南侧索塔朝北锚移动;当<0，>0，不变，则桥梁北侧索塔朝北锚移动;当>0，>0，不变，则桥梁北侧索塔朝南锚移动;当>0，<0，不变，则桥梁南侧索塔朝南锚移动，桥梁北侧索塔朝北锚移动;当<0，>0，>0，则桥梁南侧索塔朝北锚移动，桥梁北侧索塔朝南锚移动。锚顶部两个测量点a到b的距离为三跨跨径之和，各期测量点a、b间距应固定不变，以验证该方法是否可靠。

3 结论

通过研究该悬索桥运营阶段的维护性测量工作方法与要点，结合桥梁结构特点、工程实践总结以下研究结论：

（1）现阶段的桥梁维护测量技术标准中缺少针对大型悬索桥运营过程中的维护测量技术要求，该次研究基于某悬索桥的运营维护测量需求，对维护测量工作内容和要点进行了总结。

（2）在桥梁正常通车的状态下，可利用全站仪测量桥梁主梁竖向线形，利用全站仪测量各测量点和后视点之间的高程差，比较测得的高程差与已知高程差值，从而计算出测量区域空气中光折射和地球曲率实时差分改正值dh，保证测量精度。

（3）采用静态全球定位导航测量法，测量该悬索桥索塔顶部变形，通过多项式平面拟合全球定位导航高程，实验验证了该方法的正确性。

参考文献

[1]余家富， 王腾飞， 苏杨， 等. 复杂环境下某大悬索桥隧道锚施工难点及安全应对措施[J]. 施工技术（中英文）， 2022（5）： 62-65.

[2]钱晋， 华新， 叶爱君. 主缆纵向不对称大悬索桥地震反应特性[J]. 土木工程与管理学报， 2021（6）： 178-182.

[3]戴自然， 廖万辉， 周旭， 等. 大悬索桥现场隧道锚塞体自平衡法的承载特性研究[J]. 公路， 2021（11）： 107-113.

[4]付海清， 罗登， 龚佳琛. 考虑风速分布的大跨悬索桥静风响应分析[J]. 四川建筑， 2020（4）： 333-336.

[5]樊小林， 邹国庆， 刘华， 等. 某大跨度悬索桥吊索更换与受力性能分析[J/OL]. 公路工程： 1-9[2022-05-09].

[6]王宇新. 运营状态下大悬索桥无损检测及承载能力评估[J]. 交通科技， 2021（3）： 16-20.

[7]虢曙安， 刘国坤， 徐朔， 张航. 大跨径悬索桥承载能力评定研究[J]. 桥梁建设， 2020（6）： 73-78.

[8]吴家铖， 刘成龙， 畅卫杰， 等. 大型悬索桥运营期维护测量内容与方法研究[J]. 测绘与空间地理信息， 2020（10）： 52-56.

[9]黄侨， 单彧诗， 宋晓东， 等. 大跨径地锚式悬索桥静力稳定性分析[J]. 哈尔滨工业大学学报， 2020（6）： 140-148.

[10]朱静. 大型悬索桥结构健康监测数据分析与评估[J]. 中国交通信息化， 2017（12）： 121-122.