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大型城市桥梁运营期间的变形监测

黄效永肖晨李小红

（武汉市城市路桥收费管理中心，湖北武汉430000）

摘要：

桥梁变形监测在桥梁运营管理工作中具有重要作用，在国家《公路养护技术规范》（JTJ073－96）中，对桥梁运营期间的变形监测工作提出了具体要求。

本文阐述了桥梁变形监测工作的意义；根据武汉市几座城市桥梁的结构特点，论述了大型桥梁变形监测的主要内容；结合武汉市江汉三桥（晴川桥）的变形监测实践，介绍了大型城市桥梁变形监测实施的观测方法和技术手段，得出的一些结论对其它城市桥梁变形监测工作有一定的参考意义。

关键词：

运营管理变形监测　桥面线形基准网拱肋

1前言

变形在自然界普遍存在，它主要是指在各种荷载作用下，变形体的形状、大小及位置在时间域和空间域中的变化。

变形体的变形是客观存在和不可避免的，在一定范围内被认为是允许的，如果超过允许值，则可能发生灾害，给国家和人民的生命财产带来重大损失。

自然界变形危害现象很普遍，如地震、滑坡、地表沉陷、岩崩、溃坝、火山爆发、桥梁与建筑物的倒塌等。

所谓变形监测，就是利用测量与专用仪器设备和方法进行监测变形体变形现象的工作。

其任务是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。

桥梁作为交通工程重要组成部分，必须加强运营中的维护管理。

其变形监测工作对保证桥梁本身的安全、车辆行车安全、市民出行及生命财产安全等都具有十分重要的意义。

作为湖北省省会的武汉市素有“九省通衢”之称，因它具有处于长江和汉江交汇处的地理特点，人们通常称为“江城”。

也正由于武汉市被长江和汉江隔开，使得各类跨江桥梁和隧道在武汉市城市交通中具有重大作用。

因此，管理维护好武汉的城市桥梁对武汉市的国计民生有着十分重要的作用。

武汉市城市路桥收费管理中心承担了武汉长江二桥、武汉白沙洲大桥、武汉市江汉三桥（晴川桥）、武汉市江汉四桥（月湖桥）、武汉市江汉五桥（长丰桥）、武汉天兴洲大桥（公路桥）以及武汉二七大桥等几座分别跨越长江和汉江的特大型桥梁运营管理工作。

多年来，针对上述桥梁结构特点，进行了各种桥梁的多期变形监测工作，获得了宝贵的桥梁变形信息，掌握了桥梁变化的特点和规律，为桥梁的管理和养护提供了重要的基础资料。

本文在论述桥梁变形监测工作的意义、主要内容和技术手段的基础上，结合晴川桥近几年变形监测工作实践，分析了该桥变形规律，得出了一些初步结论。

2科学有效的变形监测对桥梁运营管理具有重要意义

随着我国国民经济建设事业的发展，对现代工程建筑物的规模、造型、难度提出了更高的要求，也建设了各种类型的大型桥梁。

与此同时，变形监测工作的意义更加重要。

桥梁变形监测的首要目的是要掌握桥梁的实际性状，为判断其安全提供必要的信息。

2.1监测桥梁安全状况

城市桥梁监测是为桥梁安全管理服务的，其目的首先在于监视桥梁安全，确保桥梁安全畅通。

为此，必须随时掌握和了解桥梁通车运营状况，特别是桥梁结构和几何形体的变化情况。

众所周知，工程建筑物在施工和运营期间，由于受各种主观和客观因素的影响，会产生变形，变形如果超过了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及建筑物的安全，给社会和人民生活带来巨大的损失。

尽管工程建筑物在设计时采用了一定的安全系数，使其能安全承受所考虑的各种外荷载影响，但是由于设计中不可能对工程的工作条件及承载能力做出完全准确的估计，施工质量也不可能完美无缺，工程在运行过程中还可能发生某些不利的变化因素。

因此，保证工程建筑物安全依然是一个十分重要的问题。

任何建筑物的破坏都有一个从量变到质变的过程，桥梁工程也不例外。

只有通过定期或不定期地对桥梁各部分进行变形监测工作，并对这些信息进行分析研究，判断其桥梁的安全运营状况。

2.2指导桥梁安全运营

根据变形监测资料，可以了解和掌握桥梁各结构部分的变化情况，根据变化量的大小，分析比较其变化量是否在设计允许范围内，如果某些部分的变化量超过了设计允许值，除重点加强监视外，应查明原因，进而采取相应的措施，如减少车流量，采取维修加固措施等。

通过这些环节指导桥梁安全通车运营。

2.3验证桥梁设计参数

为了对桥梁工程设计与施工质量进行科学验证，进行变形监测也是十分必要的。

变形监测资料数据不仅可以判断大桥工程质量，而且这些桥梁变形信息的大量资料，对以后在设计类似桥梁中修正桥梁设计有关参数也有重要的参考意义。

3健全高效的管理机构是搞好桥梁运营管理的根本保障

3.1桥梁运营管理的主要目的和主要内容

桥梁运营管理的主要目的是随时掌握与了解桥梁本身的健康状况，通车运营状况，使其设施保持完好状态，并对损坏部分及时修复，保证行车安全畅通。

桥梁运营管理的主要内容包括：

桥梁各结构部分的安全检查监测；各工程设施的养护管理与更新；桥梁档案数据库的建立，实行病害监控、科学决策；维修部门根据有关信息制定桥梁维修计划和费用等。

3.2建立健全高效的桥梁运营管理机构

要搞好桥梁的运营管理工作，必须有健全高效的桥梁运营管理机构作为保障。

近几年来。

随着桥梁管理形势的发展变化，我们除了每个桥设置桥梁管理所外，还有专门的技术管理部门，以加强变形监测工作的计划安排和技术指导。

武汉市城市路桥收费管理中心设置了如图1所示的桥梁管理机构。

收费管理中心

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图1武汉城市桥梁管理部门机构设置

图1中各桥梁职能管理部门和各个桥梁管理所都有自己的主要职责范围，相互之间实行分工合作，互相协调，保证桥梁管理工作的顺利开展。

4各具特点的方法内容是桥梁变形监测的重要支撑

近几年来，随着武汉市经济建设和城市交通事业的发展，建设了多座结构新颖、跨度大的跨越长江和汉江的城市桥梁，它们不仅是武汉市的重要交通通道，而且也是城市的一道美景。

如晴川桥常被武汉市民称为“彩虹桥”。

因此必须根据不同类型桥梁的结构特点，制定相应的变形观测内容。

4.1桥梁变形监测的特点

桥梁作为一种跨越结构物，具有区别于其它建筑物的结构特性，其变形监测的内容具有以下两个特点：

（1）从结构上说，桥梁主要由主梁和主梁的支撑结构两大部分构成。

如果上述任一种结构物产生变化，都会影响桥梁的安全运营。

随着桥梁建设事业的发展，主梁的跨度越来越大，支撑主梁的结构物也越来越复杂，如大跨度桥梁的主梁通过高大塔柱和拉索来支撑，大跨度拱桥的主梁则通过拱肋和吊索支撑。

显然，观测对象的复杂化也就使得变形监测内容越来越多。

（2）桥梁在运营期间由于行车的影响，使其受到动荷载的作用，与其它建筑物相比，这种动荷载的作用及其引起的变形也特别明显。

因此桥梁的变形既有静态变形特性，又有动态变形特性，在很多情况下具有瞬时变形特性。

在具体确定某一桥梁的变形监测内容时，应根据桥梁的不同结构特点和变形特性，以及管理的不同要求等因素综合确定。

4.2桥梁变形监测的主要方法

随着科学技术进步以及对变形测量要求的不断提高，变形测量技术也在不断的发展。

更先进的数据采集设备的出现，计算机、无线电、空间技术以及地球科学等的迅猛发展，推动变形测量技术的不断发展。

不断涌现的变形测量数据采集新技术以及他们自身的不断发展完善是推动变形测量技术进步的巨大动力，目前国内的变形监测方法有:

（1）常规大地测量方法，即用常规测量仪器（经纬仪、测距仪、水准仪）进行几何水准、三角高程、方向及距离的测定。

（2）专用仪器测量，指的是在变形观测中使用各种准直仪、静力水准仪、倾斜仪以及应变计等电子传感器的测量工作。

（3）摄影测量方法，以地面摄影测量法与近景摄影测量法对变形作周期性摄影，通过内业坐标量测获得变形体的变形值。

（4）空间测量技术，主要指在工程领域中应用日趋广泛的全球定位系统（GPS）测量技术。

（5）测量机器人（TCA）,即由马达驱动的全站仪和计算机软件组成的测量系统。

上述观测方法各有优缺点，各个桥梁应根据自身特点选用不同的变形监测方法。

4.3桥梁变形监测的内容

桥梁变形观测根据桥型结构不同，一般包括以下内容：

（1）变形监测基准网观测：

作为测量大桥变化基准监测基准点，它的稳定性直接影响到观测成果的可靠性。

变形监测基准包括平面基准点和高程基准点两大类，构成相应的平面基准网和高程基准网，定期测定它们的变化。

（2）墩台沉陷观测：

目的是测定桥墩、桥台在高程方向上的变化，即求得它们相对于岸上高程基准点的变化，以及桥墩之间或同一桥墩在高程方向的相对变化（后者表现往往为倾斜）。

（3）桥面线形观测：

目的是测量桥面变形观测点的高程，根据不同时间的测量成果求出桥面各对应点的高程变化量，进而判断桥面坡度是否产生变化而影响正常行车。

（4）桥墩水平位移观测：

桥墩水平位移观测是定期测量桥墩在水平方向上的变化，其中，桥墩在横桥向方向上的变化不仅影响正常行车，而且也是桥墩产生倾斜的表现。

因此，桥墩的倾斜是大桥可能出现安全事故前兆。

（5）高塔柱摆动观测：

由于现代大跨度斜拉桥或悬索桥具有高大塔柱、大跨度主梁。

其主梁往往具有柔性梁的结构特点，高塔柱在有、无荷载状态下都会产生变形。

一般应对其进行动态和静态变形观测，在很大程度上，这种观测具有动态观测的特性。

（6）拱肋三维坐标观测：

对于现代大跨度钢拱桥（如晴川桥、长丰桥），其桥面荷载通过吊索传递给钢拱，钢拱变化和吊索变化都会使桥面线形发生变化。

因此，应测定钢拱拱肋在三维方向的变化，与斜拉桥的高塔柱摆动观测相似，这种观测也具有动态观测的特性。

（7）其它监测项目：

对于具有拉索结构的现代大跨度斜拉桥、悬索桥、钢拱桥等，在实施桥面线形测量的同时，一般应同时进行索力测量等。

5多期可靠的监测成果在桥梁运营管理中作用显著

对某一桥梁进行多期观测后，必须对观测资料进行整理分析，以掌握和了解该桥的变化情况。

下面利用武汉市江汉三桥（晴川桥）近几年的变形观测资料，说明变形观测在桥梁运营管理中的作用，因该桥观测项目较多、资料丰富，限于篇幅，仅以桥面线形变化和拱座纵向位移为例进行说明。

5.1晴川桥桥面线形变化规律及评价

5.1.1高程基准网测量

高程基准网是测定桥墩沉陷和桥面线形的基准。

因该桥未建造深埋钻孔桩高程基准点，高程基准网观测以长江大桥附近某防空洞内的高程基岩点“大桥BM1”和晴川阁公园内的高程基岩点“长－37－2”为基准点，将其引测至汉阳的高程工作基点（即埋设在档墙侧壁上的水准点“档墙水准点”），然后在桥轴线上、下游布置两条过江水准线路，采用精密过江水准测量方案将高程传递到汉口岸的高程工作基点“金海酒店”上。

构成的高程基准网如图2所示。

图2高程基准网示意图

5.1.2晴川桥面线形变化规律及评价

在高程基准网与已知高程点联测、两岸高程基准网水准观测、过江水准测量、桥面线形测量等观测成果均合格的基础上，以防空洞内的高程基岩点“大桥BM1”和晴川阁公园内的高程基岩点“长－37－2”为起算点，将水准测量的全部观测值进行平差计算，采用武汉大学测绘学院编制的专用测量平差软件。

通过平差计算求出各高程工作基点、桥墩沉陷观测点和桥面线形观测点的高程和精度。

其主桥上、下游线形变化如图3-a、图3-b所示。

图3-a

图3-b

由桥面线形观测成果表可以看出：