1 概述
大型斜拉橋是近代發(fā)展起來的新型橋梁，自20世紀(jì)90年代初期以來在我國如雨后春筍般的發(fā)展。這種橋梁的結(jié)構(gòu)特點是跨度大、塔柱高，斜拉段具有柔性特性。在這類橋梁的施工測量中，人們已針對動態(tài)施工測量作了一些研究并取得了一些經(jīng)驗。在竣工通車運營期間，如何針對它們的柔性結(jié)構(gòu)與動態(tài)特性進行監(jiān)測是人們十分關(guān)心的另一問題。盡管目前有些橋梁已建立了了解結(jié)構(gòu)內(nèi)部物理量的變化的橋梁健康系統(tǒng)，它對于了解橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化、分析變形原因無疑有著十分重要的作用。然而, 要真正達到橋梁安全監(jiān)測之目的，了解橋梁的變化情況，還必須及時測定它們幾何量的變化及大小。因此，在建立橋梁健康系統(tǒng)的同時，研究采用大地測量原理和各種專用的工程測量儀器和方法建立大跨度橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)也是十分必要的。本文結(jié)合已通車運營的某長江大橋進行變形監(jiān)測的實踐介紹了相應(yīng)的變形監(jiān)測系統(tǒng)。
2 變形機理與監(jiān)測內(nèi)容
橋梁產(chǎn)生變形的原因，歸結(jié)起來有以下幾類：
?。?）自然條件及其變化，即橋墩臺地基的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、土壤物理性質(zhì)、大氣溫度、水位變化及地震等。
?。?）與橋梁本身相聯(lián)系的原因，動荷載和風(fēng)力等。車輛動荷載和人群動荷載，本質(zhì)上是強迫共振現(xiàn)象，橋梁結(jié)構(gòu)振動影響橋面行車的舒適與安全，加大振動變形，甚至使橋梁完全破壞；洪水、船舶、水中懸浮物、北方河中浮冰等等，都可能對橋墩產(chǎn)生撞擊，而使橋梁產(chǎn)生局部變形。
橋梁變形可分為靜態(tài)變形和動態(tài)變形。靜態(tài)變形通常是指變形監(jiān)測的結(jié)果在某一周期的變形值，也就是說，它只是時間的函數(shù)。動態(tài)變形是指在外力影響下產(chǎn)生的變形，它是以外力為函數(shù)，表示動態(tài)系統(tǒng)對于時間的變化，其監(jiān)測結(jié)果表示橋梁在某時刻的瞬時變形。橋梁結(jié)構(gòu)在荷載和環(huán)境因素作用下產(chǎn)生的變形分成兩類：一類變形能反映結(jié)構(gòu)的整體工作狀況，如撓度、轉(zhuǎn)角、支座位移等，稱為整體變形，橋梁逐漸老化，表現(xiàn)最為明顯的是橋梁撓度變化；整體變形的能力能夠概括結(jié)構(gòu)整個工作的全貌，因此，在所有監(jiān)測項目中，整體變形往往是最基本的。另一類變形能反映結(jié)構(gòu)的局部工作狀況，如纖維變形、裂縫、鋼筋的滑動等，稱為局部變形。最能表現(xiàn)老化(或缺陷)的特征是裂縫，裂縫的部位、方向揭示橋梁老化(或缺陷)部位和性質(zhì)。
橋梁工程監(jiān)測分為施工監(jiān)測和運營監(jiān)測。大跨度橋梁監(jiān)測是橋梁施工和運營的重要組成部分，不論何種類型的橋梁，其施工監(jiān)測一般包括幾何參數(shù)監(jiān)測，主要為橋梁上部結(jié)構(gòu)的擾度、線形、傾斜及下部結(jié)構(gòu)的位移、沉降變形監(jiān)測等，結(jié)構(gòu)物理參數(shù)監(jiān)測包括橋梁各部分的應(yīng)力、應(yīng)變、徐變、混凝土溫度等參數(shù)的監(jiān)測，環(huán)境參數(shù)監(jiān)測包括有風(fēng)力、風(fēng)向、溫度、地震、交通荷載等因素監(jiān)測。
對斜拉橋索塔的變形監(jiān)測, 現(xiàn)行城市橋梁養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范只要求對斜拉橋的墩、臺身及索塔的沉降量進行監(jiān)測，而現(xiàn)行公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范則不僅要求對墩、臺身及索塔的高程進行監(jiān)測，而且還要求監(jiān)測墩、臺身及索塔的傾斜度。考慮到特大型、大型橋梁的重要性，不管是公路橋梁還是城市橋梁，在控制檢測中一般要求檢測墩、臺身及索塔高程和傾斜度。
3 變形觀測系統(tǒng)的布置
3. 1 橋墩沉陷與橋面線形觀測點的布置
橋墩( 臺) 沉陷觀測點一般布置在與墩( 臺) 頂面對應(yīng)的橋面上；橋面線形與撓度觀測點布置在主梁上。對于大跨度的斜拉段。線形觀測點還與斜拉索錨固著力點位置對應(yīng); 橋面水平位移觀測點與橋軸線一側(cè)的橋面沉陷和線形觀測點共點。
3. 2 塔柱擺動觀測點布置
塔柱擺動觀測點布置在主塔上塔柱的頂部、上橫梁頂面以上約1. 5 m 的上塔柱側(cè)壁上, 每柱兩點。
3. 3 水平位移監(jiān)測
橋面水平位移主要是指垂直于橋軸線方向的水平位移。主要由基礎(chǔ)位移、傾斜及外界荷載(風(fēng)、日照、車輛等)等引起，對大跨徑斜拉橋和懸索橋，風(fēng)荷載可使橋面產(chǎn)生大幅度擺動，對橋梁安全運營十分不利。測定水平位移的方法與橋梁形狀有關(guān)：直線形橋梁，一般采用基準(zhǔn)線法、測小角法等；曲線橋梁，一般采用三角測量法、交會法、導(dǎo)線測量法等。結(jié)合橋梁兩岸地形地質(zhì)條件和其他建筑物分布、水平位移觀測點的布置與觀測方法，以及基準(zhǔn)網(wǎng)的觀測方法等因素，水平位移觀測基準(zhǔn)網(wǎng)分兩極布設(shè)，基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)在岸上穩(wěn)定的地方并埋設(shè)深埋鉆孔樁標(biāo)志；在橋面用橋墩水平位移觀測點作為工作基點，用它們測定橋面觀測點的水平位移。
3. 4 垂直位移監(jiān)測
為了便于觀測和使用方便，一般將岸上的平面基準(zhǔn)網(wǎng)點納入垂直位移基準(zhǔn)網(wǎng)中，同時還應(yīng)在較穩(wěn)定的地方增加深埋水準(zhǔn)點作為水準(zhǔn)基點，它們是大橋垂直位移監(jiān)測的基準(zhǔn)；為統(tǒng)一兩岸的高程系統(tǒng)，在兩岸的基準(zhǔn)點之間還布置了一條過江水準(zhǔn)線路。定期測量橋墩臺或基礎(chǔ)高程，計算墩臺垂直位移。引橋監(jiān)測點和水中橋墩監(jiān)測點，根據(jù)實際情況布設(shè)成附合路線或閉合路線。引橋監(jiān)測點在岸上，其施測方法與一般水準(zhǔn)測量方法相同；水中監(jiān)測點從一個墩到另一個墩的監(jiān)測，可采用跨河水準(zhǔn)測量，或跨墩水準(zhǔn)測量。即把儀器設(shè)站于一墩上，監(jiān)測后、前視兩相鄰橋墩，形成跨墩水準(zhǔn)測量，考慮其照準(zhǔn)誤差、大氣折光誤差等，必須采取措施提高監(jiān)測精度。垂直位移監(jiān)測方法主要：①精密水準(zhǔn)測量；②三角高程測量；③液體靜力水準(zhǔn)測量(又稱連通管測量)；④壓力測量法；⑤GPS測量。
3.5 撓度監(jiān)測
主梁撓度變形是主梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變最靈敏、最精確的反映，橋梁撓度測量是橋梁檢測的重要組成部分，橋梁建成后，橋梁承受靜荷載和動荷載，必然會產(chǎn)生撓曲變形，因此，對主梁進行撓度監(jiān)測，準(zhǔn)確掌握主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)，此外，結(jié)構(gòu)損傷也將導(dǎo)致主梁撓度異常，通過對主梁撓度的監(jiān)測可判別這些損傷。
主梁撓度監(jiān)測的主要方法有：水準(zhǔn)測量法、全站儀測量法、專用撓度儀測量法、動態(tài)GPS測量法、液體靜力水準(zhǔn)測量法、連通管測壓法等。前3種方法一般需封閉橋梁才能監(jiān)測，且測量時間較長，不利于橋梁運行管理；液體靜力水準(zhǔn)測量對測點高差要求較高，測量精度高，但測程較小，限制了該法的應(yīng)用。因此，目前大型橋梁長期撓度監(jiān)測主要采用動態(tài)GPS測量（RTK）和連通管測壓兩種方法。
4 變形觀測方法與成果精度
4. 1 GPS 定位系統(tǒng)測量平面基準(zhǔn)網(wǎng)
為了滿足變形觀測的技術(shù)要求, 考慮到基準(zhǔn)網(wǎng)邊長相差懸殊，對基準(zhǔn)網(wǎng)提出了邊長相對精度不低于1/ 12 萬、邊長誤差小于 5 mm的雙控精度指標(biāo)；鑒于工作基點均位于大橋橋面，它們與基準(zhǔn)點之間難以全部通視，確定采用GPS 定位系統(tǒng)施測。為了在觀測期間不中斷交通，且避開車輛通行引起儀器的抖動和干擾GPS 接收機的信號接收。對設(shè)置在橋面工作基點的觀測時段均安排在夜間作業(yè)。盡可能使其符合靜態(tài)作業(yè)條件以提高觀測精度。
4. 2 精密水準(zhǔn)測量建立高程基準(zhǔn)網(wǎng)和沉陷觀測
高程基準(zhǔn)網(wǎng)與橋面沉陷觀測均按照國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范的二等技術(shù)規(guī)定要求實施。并將垂直位移基準(zhǔn)網(wǎng)點、橋面沉陷點、過江水準(zhǔn)線路之間構(gòu)組成了多個環(huán)線。高程基準(zhǔn)網(wǎng)的觀測采用了Leica NA3000 數(shù)字式水準(zhǔn)儀與條紋編碼水準(zhǔn)尺，它可以不需人工讀數(shù)，只需照準(zhǔn)條紋碼水準(zhǔn)尺便可以自動的顯示讀數(shù)，減少了照準(zhǔn)誤差和人工讀數(shù)的誤差影響，有利于提高水準(zhǔn)測量的精度；橋面沉陷觀測采用了Ni007 自動安平水準(zhǔn)儀；高程基準(zhǔn)網(wǎng)中的過江水準(zhǔn)測量，采用2 臺全站儀同時對向觀測的測量方案。
4. 3 全站儀坐標(biāo)法觀測橫向水平位移
眾所周知, 直線型建筑物的水平位移常采用基準(zhǔn)線法觀測, 它的實質(zhì)測定垂直于基準(zhǔn)線方向的偏離值。為充分發(fā)揮現(xiàn)代全站儀的優(yōu)點，橋面水平位移觀測采用了類似基準(zhǔn)線法原理的坐標(biāo)法，以直接測定觀測點的橫坐標(biāo)。根據(jù)對全橋136 個觀測點的結(jié)果進行了統(tǒng)計分析，在未顧及視線長度不等對Y 坐標(biāo)的精度影響的條件下，求得Y 坐標(biāo)的精度為
0. 48 mm，它遠高于橋梁監(jiān)測技術(shù)中的精度要求(
3mm) 。
4. 4 智能型全站儀( 測量機器人) 測定高塔柱的擺動
塔柱擺動觀測采用當(dāng)代最先進的智能型全站儀TCA1800，其標(biāo)稱精度為
，
( 2 mm+ 2
) 。它可以實現(xiàn)自動尋找和精確照準(zhǔn)目標(biāo)，自動測定測站點至目標(biāo)點的距離、水平方向值和天頂距，計算出3 維坐標(biāo)并記錄在內(nèi)置模塊或計算機內(nèi)。由于它不需要人工照準(zhǔn)、讀數(shù)、計算，有利于消除人差的影響、減少記錄計算出錯的幾率，特別是在夜間也不需要給標(biāo)志照明。該儀器每次觀測記錄一個目標(biāo)點不超過7 s，每點觀測4 測回也僅30 s。一周期觀測9 個點( 一個后視定向點、8 個觀測點) 不超過5 min。其觀測速度之快是人工無法比擬的。
塔柱擺動觀測的周期視車流量的大小而定。在白天車流量較大時兩周期間隔僅5 min；而在夜間車流量小的時間段，兩周期的最長間隔達1 h。為了評定該法的精度, 利用車流量很少的夜間觀測成果進行了統(tǒng)計分析。仿照橋面水平位移觀測的統(tǒng)計分析方法，對視線長度為800 m 的觀測點，根據(jù)夜間6 周期的觀測資料進行了統(tǒng)計分析計算，求得
= 0.034 mm、
= 0. 61 mm, 它表明該法具有較高的精度, 可以滿足塔柱動態(tài)觀測的精度要求。
5 結(jié)論與建議
?。?）橋梁的安全和健康狀態(tài)主要表癥為結(jié)構(gòu)的變形，運營期外部監(jiān)測是對大跨度斜拉橋的實際健康狀態(tài)的監(jiān)測，內(nèi)部監(jiān)測系統(tǒng)是尋找橋梁健康問題重要手段。因此，通過外部變形監(jiān)測可以進一步地建立健全斜拉橋的出生與成長的健康狀況檔案，為大型橋梁工程建設(shè)管理積累經(jīng)驗、收集資料，總結(jié)出實用的技術(shù)成果。
?。?）了解橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及其變化對于監(jiān)視橋梁安全無疑是十分重要的，但對于全面監(jiān)視與分析橋梁安全是不夠的，只有通過測定它們幾何量的變化，使之更直觀、更明了地判斷其安全狀態(tài)更是十分必要的。因此，采用現(xiàn)代大地測量原理和技術(shù)、方法，以及特種精密工程測量技術(shù)測定它們幾何量的變化就顯得更有必要。
?。?）本橋變形監(jiān)測中，盡管采用了現(xiàn)代測繪的最新技術(shù)和儀器，包括GPS 全球定位系統(tǒng)、測量機器人( 智能型全站儀) 、數(shù)字式水準(zhǔn)儀等，它們對測定和了解高塔柱的動態(tài)變形規(guī)律起著相當(dāng)重要的作用。但我們認(rèn)為與信息化的時代要求相比，要使該系統(tǒng)達到自動化和實時顯示的目的尚有一段差距。我們也相信：只要在加大資金投入的基礎(chǔ)上，建立整套自動化的實時大跨度斜拉橋的安全監(jiān)測系統(tǒng)是很快可以實現(xiàn)的。
