桥梁施工和运营期间的变形监测

一、桥梁变形监测的内容和方法

根据我国颁布的《公路技术养护规范》中的有关规定，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、桥面线形与挠度观测、主梁横向水平位移观测、高塔柱摆动观测。 （2）为上述各测量项目所建立的水平位移基准网和沉陷基准网观测。

桥梁变形观测的方法需根据桥梁变形的特点、变形量的大小、变形的速度等因素合理选择， 目前桥梁变形观测的方法主要有四种：一是大地控制测量方法，又称常规地面测量方法，它是变形观测的主要手段，其主要优点是，能够以网的形式进行测量并对测量结果进行精度评定，提供桥墩台和跨越结构的变形情况。二是特殊测量方法，包括倾斜测量和激光准直测量。三是地面立体摄影测量方法。四是GPS监测方法。后三种测量方法与前者相比，具有外业工作量少，容易实现连续监测和自动化等优点。

桥梁墩台的空间位置变化和桥跨结构的挠度变化情况，可以通过对变形观测网的观测来实现。观测点布设在桥梁墩台选定的位置上，根据观测点在垂直方向和水平方向的位移值即可得出桥梁的变形情况。基准点位于桥梁承压范围之外的稳定位置，工作基点位于承压区之内，用以直接测定观测点的变形。桥梁变形观测的频率通常要求既能反映出变化的过程，又不遗漏变化的时刻。一般在建造初期，变形速度比较快，观测频率要大一些；经过一段时间后，变形逐步稳定，观测次数可逐步减少；在掌握了一定的规律或变形稳定后，可固定其观测周期；在桥梁遇到特殊情况时，如遇洪水、船只碰撞时，应及时观测。

从对变形观测的分析中可归纳出桥梁变形的过程、变形的规律和幅度，分析变形的原因，判断变形是否异常。如属异常，应采取措施，防止事故发生。其次，可以验证地基与基础的计算方法，桥梁结构的设计方法，对不同的地基与工程结构规定合理的允许变形值，为桥梁设计、施工、管理和科学研究工作提供资料。

（一）桥梁垂直位移观测

1.垂直位移监测网

在布设桥梁垂直位移基准网时，为了使选定的基准点稳定牢固，应尽量选在桥梁承压区之外，但又不宜离桥梁墩台太远，以免加大实测工作量及增大测量的累积误差，一般来说，以不远于桥梁墩台1～2km为宜。工作基点一般选在桥台上，以便于观测布设在桥墩上的观测点，测定各桥墩相对于桥台的变形，而工作基点的垂直变形可由基准点测定。

观测点的布设应遵循既要均匀又要有重点的原则。均匀布设是指在每个墩台上都要布设观测点，以便全面判断桥梁的稳定性；重点布设是指对那些受力不均匀、地基基础不良或结构重要的部分，应加密观测点，主桥桥墩尤应如此。主桥墩台上的观测点，应在墩台的上、下游两端的适宜位置处各埋设一个，以便研究沉降与非均匀沉陷。

2.垂直位移观测

基准点观测应每年定期进行一次或两次，各次观测的条件应尽可能相同，以减少外界条件对成果的影响。基准点测量的等级依据变形观测的精度要求而定，一般大型桥梁应按一等水准测量施测，它能满足变形观测精度1mm的要求。

观测点观测包括陆上墩台沉降观测和水中桥墩沉降观测，陆上墩台沉降观测可按等级水准测量方法进行。这里主要说明水中桥墩沉降观测方法，对水中观测点的观测如果采用跨河水准测量，其工作量较大，而且施测难度大。故常用跨墩水准测量，即把仪器设站于一墩上，观测后、前视两个相邻的桥墩，形成跨墩水准测量。考虑到测量时照准误差、大气折光误差等急剧增加，因而必须对跨墩水准测量的作业采取一定的措施来提高观测精度。这些措施有：（1）选用i角变化小的仪器，这样在前、后视等距时可抵消其影响。 （2）观测时注意保持仪器和标尺的稳定。 （3）增加观测测回数，测回间变动仪器高，测回间互差严于跨河水准测量的规定。跨墩水准测量的方法无规范可循，它是实际经验的总结。经验表明，在长视距测量中，以前、后视等距的跨墩水准测量代替跨河水准测量是可行的。

在主桥墩面上，由于其使用空间有限，变形观测点应遵循一点多用的原则，既是沉降观测点，也是横向、纵向位移及倾斜观测点。观测点可采用观测墩及强制归心装置。

（二）、桥梁水平位移观测

1.工作基点的测定

水平位移监测的工作基点一般处于桥台上或附近不远处，很难保证稳定不动，所以要定期测定工作基点的位移，以改正观测的结果。在两岸稳定区域建立基准点，与工作基点组成适宜的网形，采用边角网、后方边角交会法、GPS测量等方式，测定工作基点的位移。有时也可采用检核基准线法，即在墩台面上所布设的基准线的延长线上，选择地基稳定处设置观测墩，以形成检核方向线，用此方向线来检核基准线端点在垂直于基准线方向的位移。

2.水平位移观测

水平位移观测的方法常常与桥梁的形状有关。对于直线形桥梁，一般采用基准线法、测小角法等测定桥墩台的横向位移，而纵向位移可用高精度测距仪直接测定；对于曲线形桥梁，一般采用极坐标法、前方交会法、导线测量法等，将观测点不同周期测定的坐标之差投影到桥梁纵、横方向线上，即可获得纵、横向位移量。

（三）、桥梁挠度观测

桥梁建成后，由于承受外界荷载作用，必然会产生挠曲变形。桥梁挠度观测分为静荷载挠度观测和动荷载挠度观测。前者指测定桥梁自重和构件安装误差引起的桥梁的下垂量；后者指测定在车辆通过时的重量和冲量作用下桥梁产生的挠曲变形。

挠度观测通常是在桥面上布设一系列观测点，利用基准点观测各测点在加载前和加载后的高程差，或定期对各测点进行高程测量以求得其高程变化，进而计算挠度变化。 目前，挠度观测的常用方法有精密水准法、全站仪观测法、GPS观测法、液体静力水准观测法、专用挠度仪观测法等。不同的仪器和方法其观测的精度和速度有一定的差异，应根据观测要求选择适当的方法和仪器。全站仪观测法的实质是光电测距三角高程测量，在测量中大气折光是一项非常重要的误差来源，但桥梁挠度观测一般在夜里，这时的大气状态较稳定，该项误差相对较小。GPS观测法主要有三种模式：静态、准动态和动态，在通常情况下，静态测量的精度最高，一般可达毫米级的精度，但其观测时间一般要1小时以上；准动态和动态测量所用观测时间短但精度一般较低，大量的实测资料表明，在观测条件较好的情况下，其观测精度为厘米级，在大挠度的桥梁中还是可以考虑的。液体静力水准观测法的测程一般在20cm以内，其精度可达±0.1mm以上。在专用挠度仪观测法中，以激光挠度仪最为常见，该仪器的主要原理为：在被检测点上设置一个光学标志点，在远离桥梁的适当位置安置检测仪器，当桥上有荷载通过时，靶标随梁体振动的信息通过红外线传回检测头的成像面上，通过分析将其位移分量记录下来。该方法的主要优点是可以全天候工作，受外界条件的影响较小。

二、某大型斜拉桥变形监测实例

某跨江大型斜拉桥，全长21.337km，由南、北汊大桥和南岸、八卦洲及北岸引线组成。其中，南汊大桥为钢箱梁斜拉桥，桥长2938m，主跨628m；北汊大桥为钢筋混凝土预应力连续箱梁桥，桥长2172m，主跨为3 × 165m。全线还设有4座互通立交桥、4座特大桥、6座大桥。该桥设计标准为双向六车道高速公路，桥面宽32m（不含斜拉索锚固区）。

（一）监测内容和方法

1.索塔及基础的变形监测

对索塔主要监测塔基础位移（三维）和塔顶水平变化（二维）。对于南汊大桥，塔基础位移监测点布置在约9m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9和塔柱南北侧各布置一测点，如图18-12所示。南22北塔23共计2布4置25174个监测点，其中北塔为个点。对于北汊大桥，基础位移监测点设在江中#、 #、 #、 #个桥墩的墩柱上，每个桥墩的上、下游墩柱各布1个点，共计8个点，点位也设在约9m高程面上。

索塔及基础变形测量使用Leica TC2003全站仪，以三维前方交会法进行角度观测4测回，观测方法如图18-11，每3个月观测1期。南、北汊大桥皆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，为便于塔柱变形方向分析，平差计算采用桥轴坐标系。

2.桥面线形观测

图18-11 南汊大桥索塔位移监测点布设及观测示意图

图18-12 南汊大桥桥面挠度监测点位置示意图

图18-13 北汊大桥桥面挠度监测点位置示意图

桥面线形（挠度）包括桥面标高及桥中线，桥面标高监测点沿全桥布设，每隔40m设1个点，主桥段（钢箱梁）点位布在桥梁中央分隔带护栏上，共设28个点；引桥为上、下游幅结构，每隔40m上、下游幅各设1个点，点位设在大桥防撞护栏一侧路面上。南引桥共布42个点，北引桥共布46个点。测点布设位置见图18-12和图18-13。

桥面标高每3个月观测1期，采用精密几何水准测量方法，以国家二等水准精度和要求测量。水准基点设在两岸桥下墩台上。

（二）精度分析

1.全站仪测量的精度分析

全站仪测量空间点三维坐标，平面点位中误差和高程中误差分别为：

式中：MP、 MH分别为观测点P的平面点位中误差和高程中误差，MS为测距中误差，V代表竖直角观测值，S为斜距观测值，Mβ为角度观测中误差，MV为竖直角观测中误差，R为地球曲率半径，MK为大气折光系数代表性误差。

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，对中误差可控制在±0.1mm之内，故该项误差可忽略不计。又因监测点棱镜用强制对中器固定在桥塔顶部，故棱镜对点中误差、棱镜高量测中误差、仪器高量测中误差均可忽略不计。取最大距离为500m，竖直角最大为20°，采用测角精度±1″、测距精度±（1+1×10-6×S）的全站仪观测1测回，按上式计算，可以得出MP=±3.71mm， MH=±3.83mm。在实际工程中， 由于受各种条件的影响，全站仪实际观测精度一般要比标称精度低，通常通过增加观测测回数或缩短观测距离来提高精度。

2.沉降变形观测的精度分析

由于各周期观测时，采用固定仪器、固定测量人员、固定线路，在外界环境大致相同的条件下进行观测，故可认为各点在各周期观测所得的高程中误差相同，设其值为MH，则测点J利用第i和i-1周期观测结果计算得的沉降值中误差为，于是，J点和另一测点K的不均匀沉降量的中误差为2MH。

大桥塔基础承台上的监测点距最远基准点不超过600m，采用每千米观测高差中误差为±0.5mm的精密水准仪进行观测，则所得测点高程中误差MH=0.39mm，于是测点间不均匀沉降量的中误差MΔH=0.78mm。故采用每千米观测高差中误差为±0.5mm的精密水准测量，能够监测出大于±1.0mm的不均匀沉降量。