浅析桥梁工程中变形监测的实例应用毕业设计论文.docx

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浅析桥梁工程中变形监测的实例应用毕业设计论文

东华理工大学长江学院

毕业设计（论文）

题目：

浅析桥梁工程中变形监测的实例应用

英文题目:

ExamplesApplicationintheDeformation

MonitoringofBridgeEngineering

摘要

桥梁工程作为民生工程，在交通中一直扮演着重要的角色。

而桥梁工程的变形也就成为了人们十分关心的重点问题。

桥梁工程变形监测就是针对它的柔性结构及动态特性进行的研究，为桥梁工程的“生命体征”提供诊断报告，使人们可以对症下药，避免重大安全事故的发生。

本文首先对桥梁工程变形监测的发展及意义作了简单的概述，并对桥梁工程变形监测中常用的几种方法作了简单的叙述。

以位于江西省抚州市南丰县傩乡大桥的变形监测为例，采用地面测量方法采集数据并进行分析。

针对傩乡大桥的建设中及竣工期间的变形进行监测，真实而形象的描述了变形监测在桥梁工程中的应用。

关键词：

桥梁工程；变形监测；安全事故

ABSTRACT

Bridgeengineeringasalivelihoodproject,intrafficplaysanimportantrole.Deformationofbridgeengineeringalsobecomethefocusofconcern.Researchonbridgeengineeringdeformationmonitoringistheflexiblestructureanditsdynamiccharacteristicsare,diagnosisreportforBridgeEngineering"signsoflife",sothatpeoplecanbeanantidoteagainstthedisease,toavoidtheoccurrenceofmajoraccidents.

Firstly,developmentandsignificanceofbridgeengineeringdeformationmonitoringissummarized,andseveralmethodsofdeformationmonitoringofbridgeengineeringarebrieflydescribed.ThroughthestudyofdeformationmonitoringforNanfengCountyofJiangxiprovinceFuzhouCityNuoXiangBridgeanditsdata，usinggroundsurveymethodofdatacollectionandanalysis.AccordingtothedeformationmonitoringduringtheconstructionofNanfengCountyofJiangxiprovinceFuzhouCityLuoXiangBridgeandthecompletionofthe.Therealandvividdescriptionoftheapplicationofdeformationmonitoringinthebridgeconstruction.

KeyWords:

BridgeConstruction;DeformationMonitoring;SafetyMisadventure

1绪论

1.1桥梁变形监测发展历程及意义

大型桥梁，如斜拉桥、悬索桥自20世纪90年代初期以来在我国如雨后春笋般的发展。

这种桥梁的结构特点是跨度大、塔柱高，主跨段具有柔性特性。

在这类桥梁的施工测量中，人们已针对动态施工测量作了很多研究并取得了大量经验。

在竣工通车运营期间，针对它们的柔性结构与动态特性如何进行监测也是人们十分关心的一大问题。

尽管目前有些桥梁已经建立了解结构内部物理量的变化的“桥梁健康系统”，它对于分析桥梁结构内力的变化、分析变形原因有着十分重要的作用。

然而，要真正达到桥梁安全监测的目的，了解桥梁的变化情况，还必须及时测定它们几何量的变化及大小。

因此，在建立“桥梁健康系统”的同时，研究采用大地测量原理和各种专用的工程测量仪器和方法建立大跨度桥梁的监测系统也是必要有效的[1]。

1.2桥梁变形监测的主要方法和研究进展

变形观测方法一般分为4类，如表1-1所示。

表1-1变形监测方法

地面测量方法

空间测量技术

摄影测量

专门测量手段

几何水准测量

空间卫星定位

摄影测量

准直测量

三角高程测量

合成孔径雷达干涉

地面激光扫描

倾斜仪监测

方向和角度测量

应变测量

距离测量

地面测量方法精度高，应用灵活，适用于各种不同的变形体和不同的监测环境，但野外工作量相对较大，目前也采用遥测系统。

空间测量技术可提供大范围的变形信息，但观测环境影响大。

用InSAR做地面变形监测，存在地面植被覆盖对精度影响大。

摄影测量外业工作量小，可以提供变形体表面上任意点的变形，但精度较低。

近年来发展起来的地面激光扫描有类似于摄影测量的优点，精度也可以达到几个毫米，在变形观测方面的应用也刚刚开始。

专门测量手段容易实现连续、自动监测以及遥测遥控，而且相对精度较高，但它们提供的是局部变形信息。

桥梁工程变形监测方案，一般采取地面测量方法和专门测量手段结合实施。

这样可以避免野外工作量大及专业手段的局限性。

最大限度的完成对于桥梁工程的变形监测，除了用上述手段和方法采集几何变形量外，也同时测量温度、应力、风速、风压和风振等物理参数。

1.3桥梁变形观测的主要内容

根据我国最新颁发的“公路技术养护规范”中的有关规定和要求，以及大跨度桥梁塔柱高、跨度大和主跨梁段为柔性梁的特点，桥梁工程变形监测的主要内容包括：

　　1）桥梁墩台沉陷观测、主梁横向水平位移观测、桥面线形与挠度观测、高塔柱摆动观测；

　　2）为了进行上述各项的测量，还必须建立相应的水平位移基准网与沉陷基准网观测。

1.4桥梁工程变形观测安排

桥梁变形按其类型可分为静态变形和动态变形，静态变形是指变形观测的结果只表示在某一期间内的变形值，它是时间的函数。

动态变形是指在外力影响下而产生的变形，它是表示桥梁在某时刻的瞬时变形，是以外力为函数来表示的相对于时间的变化。

桥梁墩台的变形一般来说是静态变形，而桥梁结构的挠度变形则是动态变形[2]。

1.4.1桥梁墩台变形观测

桥梁墩台的变形观测主要包括两方面：

（1）墩台的垂直位移观测。

主要包括墩台特征位置的垂直位移和沿桥轴线方向（或垂直桥轴线方向）的倾斜观测。

（2）墩台的水平位移观测。

其中各墩台在上、下游的水平位移观测称为横向位移观测；各墩台沿桥轴线方向的水平位移观测称为纵向位移观测。

两者中，以横向位移观测更为重要。

1.4.2塔柱变形观测

塔柱在外界荷载的作用下会发生变形，及时而准确地观测塔柱的变形对分析塔柱的受力状态和评判桥梁的工作性态有十分重要的作用。

塔柱变形观测主要包括：

（1）塔柱顶部水平位移监测

（2）塔柱整体倾斜观测

（3）塔柱周日变形观测

（4）塔柱体挠度观测

（5）塔柱体伸缩量观测

1.4.3桥面挠度观测

桥面挠度是指桥面沿轴线的垂直位移情况。

桥面在外界荷载的作用下将发生变形，使桥梁的实际线形与设计线形产生差异，从而影响桥梁的内部应力状态。

过大的桥面线形变化不但影响行车的安全，而且对桥梁的使用寿命有直接的影响。

1.4.4桥面水平位移观测

桥面水平位移主要是指垂直于桥轴线方向的水平位移。

桥梁水平位移主要由基础的位移、倾斜以及外界荷载（风、日照、车辆等）等引起，对于大跨径的斜拉索桥和悬索桥，风荷载可使桥面产生大幅度的摆动，这对桥梁的安全运营十分不利。

2桥梁变形监测

2.1变形监测的原理

人类认识世界的过程总是“实践，认识，再实践，再认识”直至掌握客观世界的变化规律，从而更好地应用这些变化规律为人类服务。

“凡事预则立，不预则废”和“人无远虑，必有近忧”等成语都说明预测的重要性。

从大量的客观事物观察中，可以归纳出许多规律现象，如对称性和周期性等，它们是对物体预测的基础。

变形预测通常是在数据序列里面找出信息来。

一个预测模型的建立要尽可能符合实际体系，这个原则称为拟合原则，符合程度可以有多种标准，如最小二乘法，最大似然法，最小绝对偏差等等。

面对地震、滑坡以及地面沉降等地质灾害，人们认识到变形监测只是手段，而科学预报才是目的。

引起变形体变形的原因很多，且变形过程很复杂。

变形监测常用两种方法来确定变形体的变形和变形原因之间的关系。

2.1.1统计分析法

变形体在荷载的作用下发生变形，如果只测量了变形的结果，那么只能进行定性的物理解释。

一般来讲，对变形观测的结果要先进行几何分析，目的是把变形的几何信息从含有误差的观测值中分离出来，然后再作定性解释。

要进行定量的物理解释，必须同时测量产生变形的各种荷载以及变形结果。

用回归分析方法建立它们之间的函数关系（是相关关系非确定关系，是处理变量之间相关关系的一种数理统计方法），可预报变形。

当预报的变形值和实际观测的结果相差较小时，一方面说明所建立的函数关系是正确的，另一方面也说明了变形体的变形规律和过去一样。

这是因为在建立荷载-变形之间的函数关系时，所用到的是过去观测的数据，所建立的模型反映了变形体过去的变形规律。

如果差值较大，就需要寻找原因，修改模型。

2.1.2确定函数法

利用变形体的力学性质和物理性质，通过应力与应变关系建立荷载与变形的函数模型，然后利用确定函数模型，预报在荷载作用下可能的变形。

但由于组成变形体的岩石介质不均匀、非连续，使得变形体不可能是完全的弹性体。

所以，在应用确定函数法中，可能存在一系列的误差；另一方面，变形体的变形是复杂多变的，有时很难用确定性的理论公式表达，这在某种程度上限制了确定函数法的广泛应用。

2.2桥梁变形的限制

2.2.1主梁挠度变形限值

对于桥梁的竖向挠度，《规范》规定：

由于汽车荷载（不计冲击力）所引起的竖向挠度不应超过表2-1所列允许值。

当车辆荷载在一个桥垮范围内移动，因而产生正负两个方向的挠度时，计算挠度应为正负挠度的最大绝对值之和。

表2-1桥梁允许挠度值

桥梁结构形式

允许挠度值

桥梁结构形式

允许挠度值

简支或连续桁架

L/800

梁的悬臂端

L1/600

简支或连续板桥

L/600

悬索桥

L/600

注：

L为桥梁的计算跨径；L1为梁桥悬臂端长度。

对于拱桥，《规范》规定：

汽车荷载（不计冲击力）计算的拱桥上部结构在一个桥垮范围内正负挠度的最大值之和不大于L/1000，用挂车或履带车验算时，上述挠度可增加20%。

斜拉索桥的竖向挠度是指主梁在汽车荷载（不计冲击力）的最大竖向挠度。

应为混凝土主梁时不应大于L/500，当为钢主梁时不应大于L/400（L为中跨跨径）。

用平板挂车或履带车验算时，上述限值可增加20%，如车辆荷载在一个桥垮范围内移动产生正负不同挠度时，计算挠度应为正负挠度的最大绝对值之和。

悬索桥的侧向挠度是指悬索桥应验算风力作用下的侧向挠度，其在行车系的纵向平面内的允许挠度规定为跨径的1/1000。

2.2.2墩台沉降变形限值

《规范》规定桥梁的墩台沉降不宜超过下列限值：

（1）墩台均匀总沉降值（不包括施工中的沉降）2.0

cm；

（2）相邻墩台均匀总沉降值（不包括施工中的沉降）1.0

cm；

（3）墩台顶面水平位移值0.5

cm；

其中L为相邻墩台间最小跨径长度，以米计。

大跨度桥梁在行车荷载、风力、阵雨和温度等外界因素，以及混凝土收缩徐变、钢筋松弛锈蚀、墩台基础沉降等内在因素的影响下，将产生几何位置变化、内力变化、应力变化和索力变化等各种效应，同时也会发生混凝土老化、碳化、钢筋锈蚀和斜拉索锈蚀等现象。

几何位置变化（即结构的变形）在反映桥梁状况变化方面是一个较综合的量，也是一个便于监测的直观量。

因此，通过监测桥梁结构的变形来掌握大桥的健康状况，是确保大桥安全运营的重要手段。

2.2.3桥梁变形的分类

桥梁结构在荷载和环境因素作用下所产生的变形可以分成两类：

一类变形反映结构的整体工作状况，如挠度、转角、支座位移等，称为整体变形。

桥梁逐渐老化，表现最为明显的是桥梁挠度变化，整体变形的能力能够概况结构整体工作的全貌。

因此，在一切观测项目中，各种整体变形往往是最基本的；另一类变形能反映结构的局部工作状况，如纤维变形、裂缝、钢筋的滑动等，这称为局部变形。

最能表现老化（或缺陷）的特征是裂缝，裂缝的部位、方向提示了桥梁老化（或缺陷）的部位和性质。

2.3桥梁静态变形监测

桥梁静态变形监测包括桥梁下部结构监测、桥梁上部结构（主梁）监测、环境参数变化监测。

桥梁下部结构监测主要包括桥墩、桥台、桥塔和桩基础，这都是桥梁结构的重要组成部分。

上部主梁（或者拱桥的主拱助）是直接承受交通荷载承重构件。

主梁的内力、变形量会随着活荷载的分布及其大小的不断变化产生相应的变化，使主梁产生竖直及水平方向的挠度变形。

环境参数变化监测主要是桥址处温度参数变化对大桥影响的监测，其中包括：

桥梁结构在太阳照射下，混凝土阴阳面最大温差可在20℃以上，日夜最大温差可达25℃以上等。

2.4系统布置

2.4.1桥墩沉陷与桥面线形观测点的布置

　　桥墩（台）沉陷观测点一般布置在与墩（台）顶面对应的桥面上；桥面线形与挠度观测点布置在主梁上。

对于大跨度的斜拉段，线形观测点还与斜拉索锚固着力点位置对应；桥面水平位移观测点与桥轴线一侧的桥面沉陷和线形观测点共点。

2.4.2塔柱摆动观测点布置

　　塔柱摆动观测点布置在主塔上塔柱的顶部、上横梁顶面以上约1.5ｍ的上塔柱侧壁上，每柱设2点。

2.4.3水平位移监测基准点布置

　　水平位移观测基准网应结合桥梁两岸地形地质条件和其他建筑物分布、水平位移观测点的布置与观测方法，以及基准网的观测方法等因素确定，一般分两级布设，基准网布设在岸上稳定的地方并埋设深埋钻孔桩标志；在桥面用桥墩水平位移观测点作为工作基点，用它们测定桥面观测点的水平位移。

2.4.4垂直位移监测基准网布置

　　为了便于观测和使用方便，一般将岸上的平面基准网点纳入垂直位移基准网中，同时还应在较稳定的地方增加深埋水准点作为水准基点，它们是大桥垂直位移监测的基准；为统一两岸的高程系统，在两岸的基准点之间应布置了一条过江水准线路。

3桥梁工程变形监测具体实施方法与精度

3.1GPS定位系统测量平面基准网

为了满足变形观测的技术要求，考虑到基准网边长相差悬殊，对基准网边长相对精度应达到不低于1/120000和边长误差小于±5mm的双控精度指标；由于工作基点多位于大桥桥面，它们与基准点之间难以全部通视，可采用GPS定位系统施测。

为了在观测期间不中断交通，且避开车辆通行引起仪器的抖动和干扰GPS接收机的信号接收，对设置在桥面工作基点的观测时段应安排在夜间作业，尽可能使其符合静态作业条件以提高观测精度。

3.2精密水准测量建立高程基准网和沉陷观测

高程基准网与桥面沉陷观测均按照“国家一、二等水准测量规范”的二等技术规定要求实施。

并将垂直位移基准网点、桥面沉陷点、过江水准线路之间构组成多个环线。

高程基准网的观测采用精密水准仪；高程基准网中的过江水准测量，可采用三角高程测量方法，用2台精密全站仪同时对向观测。

3.3全站仪坐标法观测横向水平位移

众所周知，直线型建筑物的水平位移常采用基准线法观测，它的实质测定垂直于基准线方向的偏离值。

为充分发挥现代全站仪的优点，桥面水平位移观测可采用类似基准线法原理的坐标法，以直接测定观测点的横坐标。

武汉长江二桥采用该法观测横向水平位移，根据对全桥136个观测点的结果进行了统计分析，在未顾及视线长度不等对Ｙ坐标的精度影响的条件下，求得Ｙ坐标的精度为±0.48mm，远高于桥梁监测技术中的精度要求（±3mm）。

3.4智能型全站仪（测量机器人）测定高塔柱的摆动

塔柱摆动可观测采用当代最先进的智能型全站仪TCA2003，其标称精度为0.5″，±（1mm+1×10-6D）。

它可以实现自动寻找和精确照准目标，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3维坐标并记录在内置模块或计算机内。

由于它不需要人工照准、读数、计算，有利于消除人差的影响、减少记录计算出错的几率，特别是在夜间也不需要给标志照明。

该仪器每次观测记录一个目标点不超过7ｓ，每点观测4测回也仅30ｓ。

一周期观测10个点以内一般不会超过5min，其观测速度之快是人工无法比拟的。

武汉长江二桥采用该法测定高塔柱的摆动，为了评定该法的精度，利用车流量很少的夜间观测成果进行了统计分析。

仿照桥面水平位移观测的统计分析方法，对视线长度为800ｍ的观测点，根据夜间6周期的观测资料进行了统计分析计算，求得mx=0.034mm、my=0.61mm，它表明该法具有较高的精度，可以满足塔柱动态观测的精度要求。

4南丰傩乡大桥变形监测实例

4.1工程概况

南丰傩乡大桥是抚州市重点建设项目，位于江西省抚州市南丰县盱江流经南丰县城的河段上，桥长307.4M，单跨30M，结构形成为5×30M＋5×30M先简支后连续预应力钢筋混凝土箱梁斜拉桥，下部采用柱式桥墩，肋式桥台，基础采用钻孔桩，桥面铺装为钢筋混凝土。

为了建立南丰傩乡大桥全线结构物的竣工线型和位置基准，并对重要路段、桥墩进行位移监测，为今后大桥维修、验收等工作做准备起始数据，需要对南丰傩乡大桥进行变形监测。

4.2监测内容和方法

4.2.1索塔及基础

对索塔主要监测塔基础位移（三维）和塔顶水平变化（二维）。

对于南丰傩乡大桥，塔基础位移监测点布置在约7m高程面的塔柱上，塔顶水平变化监测点布置在塔顶柱体上，上、下游塔柱和塔柱南北侧各布置一测点，如图4-1所示。

南北塔共计布置17个监测点，其中北塔为9个点；对于南丰傩乡大桥，基础位移监测点设在盱江中1#、2#、3#、4#四个桥墩的墩柱上，每个桥墩的上、下游墩柱各布一个点，共计8个点，点位也设在约7m高程面上，如图4-1所示。

索塔及基础变位情况为每三个月观测一期。

测量使用德国莱卡高精度TS02全站仪，以三维前方交会法进行角度观测四测回，观测方法如图4-1所示。

傩乡大桥以竣工时恢复的首级控制网为基准，经平差计算获得三维坐标，为便于塔柱变位方向分析，平差计算采用桥轴坐标系。

4.2.2桥面线形及挠度

桥面线形包括桥面标高及桥中线，在南丰傩乡大桥主桥施工期间，南丰傩乡大桥的轴线和标高均控制在±5mm范围内，桥面上按一定的间距设有监测点。

桥面铺装完毕后，观测点全部遭埋没。

因此，必须重新建立桥面线型监测点，并做周期性的监测。

由于南丰傩乡大桥桥轴线均是桥轴坐标系的X轴，且当时施工中的施工控制精度均较高，此外，南丰傩乡大桥首级控制网已得到了全面恢复，因此，可以认为南丰傩乡大桥的桥轴线仍是桥轴坐标的X轴。

今后维修等工作若需检测桥轴线，仅需通过首级控制网的控制点即可进行检查，桥轴线监测点可不考虑恢复，仅需重新建立标高（挠度）监测点。

新建的桥面标高监测点沿全桥布设，每隔40米设一个点，主桥（钢箱梁）段点位布在桥梁中央分隔带护拦上，利用防护拦的铆钉头作为观测标志，共设28个点；引桥为上、下游结构，因此，每隔40米上、下游各设一个点，点位设在大桥防撞护拦一侧路边上，采用围棋子做测量标点，用强力胶将其粘贴在路面上，四周用红色油漆标注。

南引桥共布42个点，北引桥共布46个点。

测点布设位置示意图见图4-2和图4-3。

桥面标高为每三个月观测一期。

观测采用精密几何水准测量方法，以二等水准精度和要求进行。

水准基点设在两岸桥下墩台上。

4.2.3主梁及主塔应力

对桥梁施工时施工监控时设置的应力观测断面的观测点继续进行应力观测，研究主梁及主塔的应力变化[3]。

4.2.4斜拉索索力

对全桥244根斜拉索用频率法测量斜拉索索力变化情况。

以上观测项目在交工验收后第1年内每半年观测1次，以后每年观测1次。

若出现地震、风暴等特殊荷载或结构出现异常情况，需增加观测次数。

4.3精度分析

4.3.1全站仪测量的精度分析

全站仪测量空间点三维坐标中误差为：

（4-1）

（4-2）

（4-3）

式中符号及意义说明如下：

（1）Ｖ代表竖直角观测值，Ａ为坐标方位角，Ｓ为斜距观测值，Ｒ为地球半径，ρ=206265″；

（2）MXP，MYP和MHP分别为观测点ｐ的三维坐标中误差；

（3）MXN，MYN和MHN分别为测站三维坐标中误差的平面分量和高程分量，包括控制点本身点位中误差和架设仪器误差。

由于每次观测时都采用同一测站和后视方向，因此，控制点本身误差不影响观测点精度，同时在固定观测墩上使用强制对中器，仪器对中误差可控制在0.1mm之内，故该项误差可忽略不计；

（4）MS为测距中误差，由仪器标称精度确定：

MS=a+b·S（ａ为固定误差，ｂ为比例误差系数）；

（5）MV和MA分别为竖直角和坐标方位角中误差，因全站仪具有竖轴补偿器，故，）MV=MA=Mβ（Mβ为水平角观测中误差，

，μ为仪器标称精度）没；

（6）ＭＫ为大气折光系数代表性误差，一般取MK=0.05；

（7）Mi为棱镜对点中误差，Mr为棱镜高量测中误差，因监测点棱镜用强制对中器固定在桥塔顶部，此两项误差可忽略不计，故Mi=Mr=0。

将上式中平面误差部分合并得：

（4-4）

（4-5）

当取距离最大为500ｍ，竖直角最大为20°，采用测距标称精度为±（1+1×10-6·Ｓ）mm，测角标称精度为±1″，补偿器精度为±0.3″的全站仪观测一测回，代入上式计算，可以得出：

MXY=±3.71mm，MH=±3.83mm。

在实际工程中，全站仪实际观测精度一般要比标称精度低，若假定实际测角精度为±2″，测距精度为±（2+2×10-6·Ｓ）mm，补偿器精度为±0.3″，观测一测回，代入上式计算，可以得出：

MXY=±7.41mm，MH=±6.82mm，若观测二测回，则：

MXY=±5.24mm，MH=±5.03mm。

可见，增加观测测回数或缩短观测距离，可以提高精度。

4.3.2沉降变形观测的精度分析

假设

，

和

，

分别为ｊ点和ｋ点在第ｉ和ｉ-1周期观测所得的高程中误差，则ｊ点和ｋ点的沉降量中误差分别为：

（4-6）

（4-7）

于是ｊ点和ｋ点不均匀沉降量的中误差为：

（4-8）

由于每周期观测时，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：

（4-9）

则有：

南丰傩乡大桥塔基础承台上的监测点距最远基准点不超过600ｍ，精密水准测量每测站水准路线长一般不超过60ｍ，则由基准点到监测点的测站数为ｎ=600/60=10，所以：

式中Ｍ站为每一测站精密水准所测高差的中误差。

采用每公里观测高差中误差为±0.3

的精密水准仪进行观测，则：

Ｍ站=±0.30

×0.06=±0.018

，

于是每一监测点沉降量的中误差为：

故采用每公里观测高差中误差为±0.3

的精密水准仪进行观测，符合《国家一、二等水准测量规范》对仪器的要求，足以把大于±1.0

的不均匀沉降量反映出来。

4.4部分观测结果及其分析

4.4.1南丰傩乡大桥索塔变位

观测结果列于表4-1，从9期