大跨径钢桁梁拱桥变形监测方案设计与精度分析

潘成军

(重庆市勘测院，重庆 400020)

大跨径钢桁梁拱桥变形监测方案设计与精度分析

潘成军∗

(重庆市勘测院，重庆 400020)

桥梁在运营过程中由于受到外部因素破坏及内部性能退化等影响，桥梁的安全性、适用性和耐久性都会降低，为了保证桥梁的安全运营，必须对其进行健康监测及安全评估。本文结合工程实例详细介绍了大跨径桥梁变形监测的基准网建立、变形点布设原则和数据监测，并对位移和沉降观测进行精度分析等，为同类型桥梁健康安全监测和运营管理起参考借鉴作用。

变形监测；位移；挠度；沉降；精度分析

1 引 言

随着城市经济的发展和交通运输的需求，大型桥梁工程的建设规模和速度都在快速增长，具有“桥都”美誉的重庆，在主城区嘉陵江和长江上规划和建设有十多座大型桥梁，其中的菜园坝长江大桥是重庆主城区首座大跨径钢桁梁拱桥，其主跨跨度居世界系杆拱桥之首。在桥梁的运营过程中，由于受到车载、风载、温度、地震等外部因素以及材料性能退化、疲劳效应等内部因素的影响，桥梁结构的安全性、适用性和耐久性都会降低，甚至造成桥梁结构的破坏引起工程事故。因此，为了桥梁在设计年限内的安全运营，要对桥梁定期进行形变监测，并根据长期的监测结果做出合理的分析和安全预报，为桥梁安全使用和养护管理决策提供可靠的科学依据。

2 项目概况

重庆菜园坝长江大桥是1996年国务院批准的重庆市总体规划中的主城区长江上的一座大型桥梁。于2007年10月建成通车，是重庆主城区首座大跨度拱桥。主桥采用钢构与提篮式钢箱系杆拱、钢桁梁的组合结构，系杆拱桥主跨 420 m，大桥全长1 866 m。该桥的实景如图1所示。

图1 菜园坝长江大桥实景

为了掌握菜园坝大桥及立交的运营状况，必须对大桥及立交进行健康监测及安全评估。监测从大桥竣工后第一年开始，每年冬季最冷时进行。

3 监测方案的设计与实施

3.1 基准网的建立

平面基准网基准点的选埋按照规范要求并结合现场实际情况，在大桥两岸共埋设9个C级GPS控制点作为变形监测平面基准点。观测采用Trimble 5800 GPS接收机进行观测。平面基准网采用天宝TGO软件进行基线解算，基线精度符合规范要求后，采用POWERADJ4.0软件对GPS独立基线向量网进行验算，其异步环闭合差WS、复测基线较差dS均满足规范要求。在桥轴系中:二维坐标增量改正数较差δV△x为1.7 mm，限差为 ±20.1 mm；δV△y为 －3.2 mm，限差为±20.6 mm。表明GPS网平差成果正确可靠。

高程基准网采用Leica DNA03自动补偿电子水准仪配条形码因瓦尺按二等水准精度要求进行往返高差观测。各测段观测高差除进行真长改正外，还应进行正常水准面不平行改正，其公式如下:

式中:φ为测段两端点纬度平均值，以度为单位；H为测段两端点近似高程平均值，以米为单位；△φ为测段两端点纬度差，以分为单位。

经计算每千米水准测量的偶然中误差M△的值为0.05 mm，完全满足规范M△＝±1.0 mm的要求。

3.2 变形点的监测

(1)水平位移监测

大桥桥面受日照、风力、温度及外力作用会产生不同的水平位移，因此必须对其进行水平位移观测。考虑到仪器特点及观测方法的简便易行，决定采用Leica TCA2003智能型全站仪(测角精度0.5″，测距精度1 mm＋1 ppm)按极坐标法进行观测，其观测点坐标中误差能够达到±3.0 mm的精度要求。平面位移观测点布设在立交桥面及桥墩上部、主桥拱顶两侧1/4间距处、主跨桥面上下游1/2间距处。

测量时将仪器置于基准站上，后视并检校基准点，观测位移点上的棱镜得到距离和方向角。为提高观测精度，每次均采用两测回观测读数和双极坐标法观测。各项观测精度满足要求后进行边长投影改正，采用NASEW测量平差软件对位移点在桥轴系下进行坐标计算。统计位移点本期与起零值、前期观测值的绝对和相对位移量，绘制位移矢量图，分析位移点在监测期间的位移变化规律。图2所示为大桥主桥部分位移点在桥轴线纵向的位移矢量。

图2 主桥位移矢量图

(2)挠度、沉降监测

挠度、沉降变化是评价桥梁使用功能和安全性的重要指标之一。本项目沉降及挠度观测采用 Leica DNA03电子水准仪(标称精度为0.3 mm/km)配因瓦标尺按二等水准要求进行，其垂直变形平差精度能够达到±0.5 mm。监测点采用不锈钢标准件作为标记。起零值往返观测，以后单向观测。观测后进行数据平差计算，统计其绝对和相对变形量，绘制变化曲线图。主桥部分桥面点挠度观测结果如表1所示，沉降变化曲线图如图3、图4所示。

主桥部分桥面点挠度观测结果(累计沉降/mm) 表1

ZQN33 94.0 10.8 9.5 ZQN35 73.2 6.8 6.2 ZQN37 44.8 3.0 1.9 ZQN39 20.7 －0.1 －2.0 ZQN41 15.4 －0.4 －2.1 ZQN43 13.4 0.0 －1.8

下游桥面点

图3 主桥上游挠度变化图

图4 主桥下游挠度变化图

由主桥部分挠度点累计变化统计表和变化曲线图看出，主桥上、下游桥面挠度呈线形变化，趋势基本一致。

4 变形监测精度分析

4.1 平面位移观测精度分析

采用Leica TCA2003全站仪测量位移点坐标，误差主要包括基准点本身的点位中误差、对中误差、测距误差和测角误差等，由于每次观测时都采用同一基准点，它本身的误差不影响观测精度，且观测时使用强制归心观测墩和强制对中标件，对中误差较小可忽略，故水平位移测量的精度可由下式计算:

式中:Ms为测距中误差；Ms＝a＋b×S(a为固定误差，b为比例误差，S为测距)；Mβ为测角中误差，(u为仪器标称精度)；ρ＝206 265。

取基准点到观测点的最大观测距离为700 m，仪器测距标称精度为1 mm＋1 ppm，测角精度为0.5″，代入精度计算公式，得Mx，y＝±1.7 mm，若采用两测回，则Mx，y＝±1.2 mm，采用三测回，则Mx，y＝±1.0 mm，可见增加测回数可以提高观测精度，测回数n与各测站平差后一测回方向中误差的平均值mα和测角中误差mβ以及导入系统误差影响系数λ存在如下函数表达式:

从上式推算可知，菜园坝长江大桥变形监测项目采用的平面位移观测方法完全可以满足《建筑变形测量规范》中变形测量二级对位移观测点坐标中误差±3.0 mm的要求。

4.2 沉降观测精度分析

则a点和b点不均匀沉降量的中误差为:

由于在每周期对每个监测点的观测中，均采用同一观测方案，由同一台仪器和同一组人员在外界环境大致相同的条件下进行观测，故假设:

以菜园坝大桥为例，大桥墩台的沉降监测点离最远高程基准点的距离不超过1 000 m，二级精度水准观测视线长度≤50 m，也就是每测站的水准路线长不超过100 m，则由基准点到监测点的测站数为:

采用标称精度为±0.3 mm/km的Leica DNA03电子水准仪配条纹码因瓦尺进行观测，则:

于是每一监测点沉降量的中误差为:

所以，采用每千米观测高差中误差为±0.3 mm的精密水准仪进行观测，符合《国家一、二等水准测量规范》上对仪器的要求，足以把大于±1.0 mm的不均匀沉降量反映出来。

5 结 语

桥梁变形监测可以对桥梁在使用过程中的变形情况进行监控，获得梁体挠度、结构沉降等几何形变信息，对桥梁的运营管理、科学养护和安全预警提供数据支撑。本文系统地介绍了变形监测方法的选择及监测方案的设计等内容，并以重庆菜园坝长江大桥为实例介绍了大跨径钢桁梁拱桥监测的实施方法和精度分析。

[1] 国家质量监督检验检疫总局.全球定位系统(GPS)测量规范[S].

[2] 国家质量技术监督总局颁.国家一、二等水准测量规范[S].

[3] 建设部.建筑变形测量规范[S].

[4] 伊晓东，李保平.变形监测技术及应用[M].黄河水利出版社

[5] 贺志勇，盛飞.大跨度桥梁的变形监测及精度分析[J].华南理工大学学报

[6] 贺栓海.桥梁结构理论与计算方法[M].人民交通出版社

Scheme Design and Accuracy Analysis of the Long－span Truss－steel Beam Arch Bridge Deformation Monitoring

Pan Chengjun
(Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China)

During the bridge operational period，because of the external and inner factors，the safety，applicability and durability of bridge structure will be destroyed.In order to ensure the safe operation of bridges，it is necessary to take health monitoring and safety assessment.Combined with engineering practices，datum network building，layout principle of deformation points，and data monitoring of long－span bridges are described in detail in this paper.Furthermore，the accuracy analysis of displacement and settlement observation is discussed.This paper provides reference function for the health monitoring and operation management of the bridges with the same type.

Deformation Monitoring；Displacement；Deflection；Settlement；Accuracy Analysis

2011—07—14

潘成军(1979—)，男，工程师，主要从事工程测量和变形监测方面的工作。

1672－8262(2012)02－149－03

TU196＋.1

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