大型钢拱桥几何变形监测方法与数据处理分析
曾令涛
【关键词】变形监测;平面基准网;高程基准网
【中图分类号】U446 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）08-0054-04
0 引言
長丰桥是武汉市三环线西段跨越汉江的一座特大型桥梁，是武汉市的重要交通要道，对武汉市民的生产和生活有着重要的影响，它的安全运营十分重要。2005—2015年技术人员已对该桥进行了8期的全桥几何变形观测，本文主要以长丰桥第8期全桥变形监测为工程实例，对钢拱桥的变形监测进行介绍与分析。
1 变形观测点设置
为了长丰桥的变形监测，从第1期开始在主桥、引桥关键部位设置了变形观测点，第8期继续沿用。
2 平面基准网观测
GPS网采用静态定位技术施测，GPS网观测的技术指标按照D级标准。数据采集使用Leica公司生产的5台System 1200 Gx1230双频GPS接收机进行观测。
2.1 GPS网基线解算与质量分析
（1）GPS网基本技术特征，GPS网外业数据采集使用5台仪器，共观测4个同步时段。
（2）GPS网外业质量分析，全网共构成10个异步环，从异步环计算结果可知，GPS网外业观测数据质量优良，观测值不含有粗差，精度符合要求。
2.2 平面基准网平差计算
由于原CF09点被破坏，因此以CF02和CF04作为二维约束平差的坐标约束点。平差结果表明三维基线向量改正数服从正态分布，未发现粗差观测值，边长中误差分布正常，满足规范要求，表明该网的内符合精度较高[1]。
2.3 桥轴坐标系坐标的求定
利用CF02、CF04两点的国家高斯平面坐标和原施工桥轴坐标系中的坐标，使用坐标转换软件计算坐标转换参数，进而求出其他各点在桥轴坐标系中的坐标，用于主桥桥墩纵横向位移观测和钢拱拱肋纵、横向位移观测的平面基准。
2.4 平面基准网点位稳定性分析
根据本期和2014年第7期的GPS观测成果，可对两期的高斯平面坐标变化进行比较，结果见表1。
从表1各点的坐标值比较可知，该网中未被破坏的几个点比较稳定，可作为本期计算主桥桥墩纵横向位移和拱肋在拱轴线面内（纵桥向）和面外（横桥向）位移的坐标起算基准[2]。
3 高程基准网测量
本期高程基准网外业观测同往期一样，按照二等水准技术规定要求实施。观测仪器采用高精度的数字水准仪（Trimble DiNi 03）及配套的条纹编码水准尺。
3.1 岸上高程基准网测量
本期高程基准网观测的精度要求与前几期完全相同，两条过江水准路线和岸上的水准路线一道组成过江水准环，以检验过江水准成果质量。
3.2 高程基准点的稳定性与起算点的确定
往期以汉口和汉阳两个深埋钻孔桩高程基准点（JB和JN）与已知高程点进行连测，求得两个高程基准点的高程。根据多年观测的资料显示，两个深埋钻孔桩基准点已趋于稳定，因此可以作为本期高程起算点。
4 桥墩沉陷与桥面线形（挠度）观测
4.1 桥墩沉陷观测
桥墩沉陷观测点的位置与第1期相同，主墩（15#、16#墩）沉陷观测点位于主墩的承台上。但从12#墩至14#墩各墩柱上的观测点已全部被江滩填土所埋，已无法观测。在本期将岸上基准网观测、桥墩沉陷观测与桥面线形观测共同构成线路长度不等的42条水准闭合环和一条从JB至JN的水准附合路线，以克服前述条件变化的干扰。根据观测数据处理结果看出：两基准点线路长度为3.28 km，水准附合路线闭合差限值为7.24 mm，实际附合路线闭合差为1.7 mm;其余各水准闭合环的闭合差在0.05～3.95 mm，满足二等水准测量精度要求[3]。
4.2 桥面线形观测
桥面线形观测包括引桥段线形和主桥线形。观测方案与前几期相同，为了克服行车引起的桥面抖动对水准测量的影响，本期桥面线形观测安排在夜间进行，以期克服温度变化的影响，提高成果质量。
4.3 主桥挠度观测
在本桥的挠度观测中，除了测量悬臂端点或1/2、1/4梁长等，以及梁的跨中点（即梁长的1/2）、1/4等位置在垂直于桥轴线的变化，还测定了主桥桥面其他所有的观测点在垂直于桥轴线的变化，根据主桥桥面各观测点的变化情况，可以全面了解主桥的变化情况。
5 水准测量观测成果的数据处理
5.1 高程起算点的确定
前已述之，以两个深埋钻孔桩高程基准点作为高程起算点。汉口岸承台上的观测点D0X相对第7期而言，变化量为-2.5 mm，其变化量在观测精度范围内。可以认为，汉口的深埋钻孔桩高程基准点基本上趋于稳定。因此，本期数据处理时，仍以两深埋钻孔桩高程基准点作为本次桥墩沉陷和桥面线形变化的高程起算点。
5.2 桥墩沉陷与桥面线形测量成果分析
桥墩沉陷与桥面线形测量成果分析主要根据两期观测点高程的差值分析判断，观测点两次观测的高程差值超过4.2 mm时，可认为该点产生了沉陷;反之，若高程差值小于4.2 mm时，可认为是由观测误差引起的，判定该点没有变化[4]。由桥墩沉陷观测成果表可以看出：？譹？訛汉口岸1#～11#各桥墩的观测点在本期与第7期之间高程变化值均小于4.2 mm，可认为相邻两期变化不显著。在第7期报告中提到1#～6#上的观测点呈下降趋势，有待进一步观察。本期观测结果表明，这些点高程变化值不大且在观测精度范围内，认为它们已基本趋于稳定。相对首期而言，其累计变化量均超过4.2 mm，其中D6S变化量最大为17 mm，符号为正。表明它们相对首期而言有上升趋势，与第7期比较，其趋势和数量级相当。说明这种现象是由于基点下沉引起的。？譺？訛汉阳岸17#～35#各桥墩观测点相邻两期之间的变化趋势与汉口岸基本相同，相邻两期之间的高程值变化均在观测精度范围内，认为相邻两期之间的变化不明显。位于15#主墩沉降观测点与位于16#主墩沉降观测点相邻两期的变化量很小，变化量在观测精度范围内，表明相邻两期之间的变化不显著。
由桥面线形观测成果表可以得出以下结论。
（1）汉口岸引桥6#～14#墩桥面上的线形观测点七、八相邻两期之间高程变化量均在4.2 mm以内。表明其变化量均在观测精度范围内，累计变化的趋势与汉口岸1#～6#各桥墩观测点相同。
（2）主桥桥面线形观测点的高程相对第7期变化量较小，根据桥面线性变化成果看出：上下游变化趋势基本相同，两端变化不大，跨中略有下扰，最大下扰值约6 mm。说明相邻两期之间桥面线形变化不明显。
相对第1期的累积变化而言，均有上升趋势，其值约20 mm，跨中与两侧的变化较为均匀;上下游两侧的变化趋势基本相同。分析产生这种现象的原因可能是前述墩柱观测点的累计变化相似，即可能与基点的累计变化有关。对此，可在今后的观测中进一步分析验证。
5.3 主桥桥面相对设计线形变化
根据成果表绘制了主桥设计线形、实时线形图，主桥桥面线形相对设计线形变化（如图1、图2所示）。
根据成果表和线形图与线形变化图可以得出以下结论。
（1）线形观测点实时线形与设计线形一致。
（2）第1期和本期相对设计线形的变化有一定的规律性，上下游两侧变化趋势一致，边跨与跨中上升，跨中上游最大值约250 mm，下游约265 mm。
（3）分析产生上述变化趋势的原因，主要是第1期观测时没有施工时留下的高程控制点，监测采用的高程起算点与施工用的高程点不一定为同一高程系所致，但并不影响对桥梁变化状况的分析与结论。
5.4 主桥挠度观测成果分析
本次挠度观测采用与上期桥面线形观测完全相同的精密二等水准观测方案，计算各观测点相对固定支点的高程及其变化，其变化量即可视为相对支点的挠度。
根据挠度观测成果可以看出：相对固定支点而言，桥面线形观测点的变化量随着距离固定支点的远近而不同。对于固定支点之间的部分，越往跨中下挠量越大，跨中最大值约50 mm且上下游的趋势基本相同;对于固定支点以外的悬臂端部分，其变化量明显小于跨中部分，靠近固定支点和悬臂端端点的观测点挠度值较小，在固定支点和悬臂端端点之间的观测点的挠度值略大。产生跨中点挠度值较大的原因与两次观测时的温度有关，第一次观测是2015年9月，正值夏末季节，温度较高;而第二次观测为2016年1月，正是寒冬季节，温度较低，两次的温差较大，是产生扰度较大的主要原因。
6 主墩纵横向位移测量
6.1 主墩纵横向位移观测点设置
主墩纵、横向位移观测是测定主桥各墩在顺桥向和横桥向的变化。根据首期纵向位移观测点的布置，它们分别设置在14#、15#、16#、17#等4个桥墩的上下游。其中，14#、17#墩的观测点设置在帽梁两端，而15#、16#两主墩的观测点埋设在承台上。测定主墩纵横向位移观测的测站点（ZS和ZX）布设在汉阳岸大堤上，它们位于对称于桥轴线两侧且分别可以与上下游观测点通视的地方。
6.2 主墩纵横向位移导线观测
为了测定主墩纵横向位移，需设置测站点，并对其进行导线测量。
7 拱肋纵横向位移测量
7.1 拱肋纵横向位移观测点设置
拱肋纵、横向位移测量的目的主要是测定拱肋在动荷载作用下在桥轴线和横桥向摆动幅度大小及规律。为此，在主桥上下游拱肋上共布置了14个拱肋位移观测点。每個观测点上均埋设有固定不变的永久性连接装置，该装置可与反射棱镜固连。
7.2 拱肋纵横向位移观测测站点设置
在2013年技术报告中已指出，汉阳岸汉江江边的绿化林带的快速茂密生长，使得原来布设的作为拱肋观测测站点的平面基准点与布置在拱肋上的观测点无法通视，在观测时只得布设新的拱肋观测测站点，采用导线测量方法观测。2013年度布设的新的平面基准点CF10在2014年观测时由于江滩改造时已被破坏，因此需要另外选取新的基准点，又由于汉口岸江滩改造使得位于汉阳岸岸边的拱肋观测测站点G2可与CF02通视，因此2014年导线选用的平面基准点为CF02和CF05。经过本期观测前现场踏勘，虽然汉口岸江滩改造时在江滩上种植了很多风景树，但是本期观测时G2与CF02仍可通视，因此本期观测的导线布设和2014年一样。
7.3 拱肋纵横向位移观测
本期拱肋纵、横向位移测量采用当代最先进的智能型全站仪（又称测量机器人）徕卡MS50，它通过内置的自动目标识别装置ATR1发射出的激光束经棱镜反射后由CCD相机接收，实现自动寻找和自动精确照准目标，自动测定测站点至目标点的距离、水平方向值和天顶距，计算出三维坐标并记录在内置模块。
8 结论
根据本期长丰桥变形监测的观测成果，可对该桥的变形监测的有关情况提出以下初步看法。
（1）由表1（高斯平面坐标变化比较表）可以看出：平面基准网中，CF03在2012年度观测时发现已被人为破坏，该点仍未完全稳定，有待进一步观察;本期比较CF05、CF12、CF12 3点的坐标变化，结果可见，CF05、CF12、CF12 3点的坐标变化均不显著，它们可以用作钢拱拱肋纵横向位移观测、主墩纵横向位移观测的平面基准。
（2）根据对高程基准网的多期观测，位于汉口和汉阳两岸的深埋钻孔桩高程基准点已趋于稳定，可作为该桥的高程起算基准点。
（3）根据桥墩观测成果可以看出：两岸桥台和桥墩立柱上观测点及16#主墩上的观测点高程相邻两期之间的差值不大，表明变化不显著，但相对第1期而言仍有上升的趋势;正如前面分析指出：产生这一现象的原因是否与基准点没有完全稳定有关。
（4）主桥桥面线形观测点的高程相对第7期变化量较小，根据桥面线性变化图可以看出：上下游变化趋势基本相同，两端变化不大，跨中略有下扰，最大下扰值约6 mm。说明相邻两期之间桥面线形变化不明显。
（5）根据主桥桥面设计线形与实时线形的比较，桥面线形趋势相同。第1期和本期相对设计线形的变化基本一致。但它们与设计的差值较大且均为正值。出现这种现象的原因应该是桥梁施工与变形监测采用的高程系统有差异。因此，在桥梁投入运营后实施变形监测前进行控制点的交桩有利于监测资料的分析。
（6）根据主墩纵横向位移观测和钢拱拱肋纵横向位移观测成果可知，总体上第8期与第7期观测点的桥轴线坐标变化不大。
9 结语
本文以长丰桥为例，简要叙述了大型钢拱桥几何变形监测方法与数据处理分析的流程与方法。为了桥梁的安全运营，桥梁必须进行定期的变形监测。通过测得的数据与往年的数据进行对比分析，可以对桥梁进行健康评估，保证桥梁的运营安全。
参 考 文 献
[1]林宗云，刘宗泉，余文斌.用GPS技术建立桥梁变形监测平面基准[J].地理空间信息，2005（1）：47-48.
[2]李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2010.
[3]李青岳，陈永奇.工程测量学（修订版）[M].北京：测绘出版社，1995.
[4]陈永奇，吴子安，吴中如.变形监测分析与预报[M].北京：测绘出版社，1998.
猜你喜欢变形监测基于CORS的南宁高层建筑自动化监测系统设计与实现农村经济与科技(2020年11期)2020-11-02GPS变形监测技术在矿山测量中的应用研究中国化工贸易·下旬刊(2020年2期)2020-10-21深基坑变形特性与监测数据分析科技创新导报(2019年22期)2019-12-19GPS定位技术在变形监测中的应用山东工业技术(2019年9期)2019-05-29高填方路堤填筑技术的研究中国新技术新产品(2019年6期)2019-05-21《变形监测》课程教学改革与设计装饰装修天地(2018年19期)2018-10-21无接触变形监测技术在新建蔡胡梁隧道的应用中小企业管理与科技·上旬刊(2018年7期)2018-09-26基于BP神经网络方法的基坑变形观测数据分析与预测商情(2018年31期)2018-07-29深基坑工程施工变形监测分析实践科技创新导报(2017年29期)2018-02-03GPS技术在水库大坝变形监测中的应用科技创新与应用(2018年4期)2018-01-31