某大桥墩柱变形监测与结构性能分析研究

唐运来

（四川路桥桥梁工程有限责任公司，成都 610000）

1 引言

随着交通负荷的增加和环境条件的变化，桥梁墩柱可能会出现变形或损伤，这些问题如果不及时发现和处理，可能会导致严重的安全事故。传统的桥梁检测方法往往依赖于定期的视觉检查和简单的测量工具，这些方法不仅耗时耗力，而且难以准确捕捉到墩柱的微小变形和早期损伤。因此，开发一种高效、精确的墩柱变形监测和结构性能分析方法显得尤为迫切[1]。本文聚焦于某大桥墩柱的变形监测与结构性能分析，采用先进的传感器技术和数据分析方法，实时监测墩柱的变形情况，并通过结构性能分析评估其安全状况。

2 工程概况

该桥位于四川省巴中市通江县杜家湾附近，全长354 m，采用的桥型方案为80 m+150 m+80 m 连续箱梁和40 m 预应力混凝土T 梁。桥梁起点与终点分别位于河道两岸的斜坡之上，路线跨越通江，小桩号桥台位于缓坡地带，大桩号桥台位于陡坡地带，地面标高为329.6~424.3 m 不等，相对高差约95 m，山体上部斜坡陡峻，植被茂密。大桥主桥上部构造为80 m+150 m+80 m 预应力混凝土连续箱梁，箱梁根部梁高9.5 m，跨中梁高3.5 m，顶板厚30 cm，底板厚从跨中至根部由30 cm 变化为120 cm，腹板厚度为50 cm、66 cm、80 cm，两次各分两个节段直线变化，箱梁高度和底板厚度按二次抛物线变化。箱梁顶板横向宽19.5 m，箱底宽13 m，翼缘悬臂长3.25 m。箱梁0号节段长12 m，每个悬浇T 梁纵向对称划分为21/20 个节段，梁段数及梁段长从根部至跨中分别为4×2.5 m、4×3 m、4×3.5 m、8×4.0 m，节段悬浇总长68 m。边、中跨合龙段长均为2 m，边跨现浇段长3.8 m。跨中设一道厚0.5 m 的横隔板。

3 桥墩变形监测

3.1 控制网点部署方案

对于大桥桥墩的变形实施监测，基准控制网点布置须严格遵守以下监测原则，以保证测量的准确性和监测数据的可靠性。在监测网络中，基准点必须设置在结构稳定且未受变形影响的区域，以保证测量基线的稳定性。每座桥至少应设3 个基准点，以构建一个稳固的参考框架。工作基准点应布置在易于访问且对施工影响最小的位置，保障监测活动的顺利进行。变形观测点应设置在最能反映桥梁变形特征的位置，包括桥墩顶部和结构关键节点。通过这些点位，可以获得桥梁整体及局部的变形数据。大桥模型图见图1。

图1 大桥模型

针对大桥的特点，研究采用了先进的地理空间技术布置基准点[2]。3 个基准点BM1、BM2 和BM3 的选取，充分考虑了周围环境和桥梁的结构布局。这些点位分别布设在结构稳固的底座基础上，并采用了可靠的物理固定方式。BM1 在右侧底座基础上，位于22#墩柱80 m 处，BM3 位于同一墩柱30 m处；而BM2 位于右侧水泥基础上，距22#墩柱65 m。每个点使用不锈钢观测钉，在钻孔后用植筋胶进行固定，并以醒目的红油漆进行标记，确保了长期的可见性和辨识度。此外，对于主墩变形监测，研究在每个墩上布置了两个观测点，共计8 个，这些点位于各主墩的0#块隔板中心和左、右宽墩的外侧，以全面捕捉可能的变形数据。

3.2 桥墩沉降监测部署方案

在大桥的结构稳定性监测系统中，桥墩沉降监测点的设定扮演着一个关键角色。桥墩作为桥梁的关键承重构件，其稳定性对整体结构至关重要。监测点的布设在每个桥墩的顶端和底座，这些点沿着桥墩的主轴线和横向外侧安排，以此形成一个由24 个点组成的监测网[3]。这种布局旨在全面捕捉由土体变形引起的任何垂直位移，为桥梁安全评估提供准确的实时数据。

3.3 桥墩位移监测与倾斜监测部署方案

在桥墩的水平位移监测计划中，由于桥墩基座存在淤泥层，河床的积淀活动可能会对桥墩的稳定性产生不利影响。为了详细了解这些变化，监测点被精确地设置在每个桥墩的顶部和底部。这24 个水平位移监测点均配备了专门的监测标志，以确保在连续监测过程中能够精确记录位移数据。通过这些测点，可以有效跟踪和分析桥墩在各种环境条件下的水平位移趋势。桥墩是桥梁底部结构的关键部分，其稳定性直接影响到桥墩的整体安全性能。因此，桥墩必须保持充分的结构强度与坚固性。不断增长的交通负荷、常见的超载运输现象以及外部荷载作用下地基土的松动，都可能导致桥墩发生形变或倾斜。这种情况下，实施桥墩的倾斜监测变得尤为重要。针对大桥的具体情况，本次监测特别设置了12 个监测点位于桥墩的关键位置。在每一个监测点打入膨胀螺丝并使用结构胶进行固定和加强，以确保监测设备的牢固和数据采集的准确性。

4 监测结果分析

为保障测量数据的精度和准确性，选取了BM1 和BM2作为主要参照点，同时设定BM3 为验证点以确保数据的校准准确性。观测过程中，通过重复测量至少4 轮，以消除偶然误差，提高结果的可靠性。一旦检测到基准点有任何偏差，立即利用BM3 进行验证。测量完成后，迅速进行数据平差处理，确保所得数据满足控制网规定的等级精度要求。后续布设的独立控制网以BM1 为坐标起点，X 轴沿桥梁主轴定向，Y 轴垂直于桥梁主轴，从而确保了网络监测数据获取的有效性。测量结果表明，该网络稳定，符合正常运用标准。

采用精确的三角高程测量技术对大桥墩柱的沉降情况进行监测。在进行测量之前，必须正确安装单棱镜，并确保其高度及视线高度适宜，同时保持视线距离任何障碍物超过1.3 m。通过精确测算角度及距离，计算得出测点与桥墩间的相对高程差。依据JGJ 8—2016《建筑变形测量规范》中规定的精度要求，连续两次测量的高差若在允许的误差范围内，其平均值则被确定为最终的沉降值。本次观测结果见表1。

表1 沉降监测结果

表1 中LTP 表示左幅顶部点 （Left Top Point），LBP 表示左幅底部点 （Left Bottom Point），RTP 表示右幅顶部点（Right Top Point），RBP 表示右幅底部点（Right Bottom Point），数字表示墩柱编号，A 表示本次测量周期。表1 展示了墩柱在一定观测期内的沉降监测数据。监测数据表明，2022 年期间，桥梁墩柱的沉降量变化在-3.9~5.7 mm。RBP-17A 点和LBP-18A点记录了最大的沉降量变形，均为-4.03mm。监测到的墩柱累计沉降值波动在-4.03~5.17 mm，其中RBP-17A 点出现了最大沉降，而LBP-18A 点则显示了最大的升高。所有这些测量值都在安全的正常范围内，未观察到异常的突变现象。为确保墩柱的水平移动得到有效监控，防止过度位移影响稳定性，本次监测采纳了全站仪进行精密测量，使用极坐标系统来追踪水平位移。监测过程沿水流方向展开，对采集到的数据进行了详细记录。进一步地，通过对比不同时间点的数据，绘制了反映墩柱水平位移趋势的曲线图。桥墩水平位移监测结果如图2所示。

图2 水平位移监测结果

图2 所示为各时期桥墩水平位移监测曲线，整体比较可知，2021 年桥墩累积位移的波动幅度比2022 年和2020 年大。监测数据显示，本次检测过程中观察到桥墩发生了水平和垂直的移动。在水平方向，累积的位移测量值介于-7.1~4.7mm。而在垂直方向，测得的位移值变化介于-7.1~8.8 mm。观测点LBP-17A 记录了此次监测中的最大移动量，但这些位移值均在桥梁设计的安全运行参数内，并未发现异常的位移活动。在本次监测中，为准确捕捉桥墩的倾斜变形，采用了配备Leica小棱镜的全站仪进行精确测定。根据现行规范，运用极坐标法对桥墩的顶端和底端进行了坐标定位，借助坐标计算，确定了桥墩标志点的中心投影线的倾斜方向。随后，通过转换所得的坐标和高程数据，计算出了倾斜率。利用这些数据，制作了表现桥墩倾斜变化的监测曲线图，如图3 所示。

图3 桥墩倾斜度监测结果

监测数据表明，在本次评估期间，桥墩的倾斜度测量值分布在-0.33‰至0.35‰的区间内。倾斜度最大的观测点位于QL21#，所有记录的倾斜值均在结构设计允许的安全边界之内，没有检测到任何不寻常的突变现象。

5 结语

桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，其结构的安全性和稳定性对于保障交通的流畅和人民生命财产的安全具有至关重要的意义。本文通过对桥梁墩柱变形监测与结构性能进行分析，为桥梁工程的专业人士提供了宝贵的理论支持和实践指导。通过引入先进的监测技术和精确的数据分析方法，能更准确地监测和评估桥梁的健康状况，预测和应对由交通负荷增加和环境条件变化引起的潜在问题，为我国桥梁工程的持续发展和安全运营提供保障。