第11章桥梁工程变形监测

第11章桥梁工程变形监测主要内容•概述•桥梁基础垂直位移监测•桥梁挠度观测•桥梁结构的健康诊断11.1概述目的与意义•桥梁变形观测是桥梁运营期养护的重要内容，对桥梁的健康诊断和安全运营有着重要的意义。•成桥后的结构状态识别和确认，桥梁运营过程中的损伤检测、预警及适时维修制度的建立，有助于从根本上消除隐患及避免灾难性事故的发生。•运营中的桥梁结构及其环境所获得的信息不仅是理论研究和实验室调查的补充，而且可以提供有关结构行为与环境规律的最真实的信息。•桥梁安全监测带来的将不仅是监测系统和对某特定桥梁设计的反思，它还可能并应该成为桥梁研究的“现场实验室”。变形监测的主要内容•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，它是表示桥梁在某个时刻的瞬时变形，是以外力为函数来表示的对于时间的变化。•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。桥梁墩台变形观测桥梁墩台的变形观测主要包括两方面：•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（或垂直于桥轴线方向）的倾斜观测。•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。塔柱变形观测（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。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。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。垂直位移监测•精密水准测量•三角高程测量•液体静力水准测量•压力测量法•GPS测量水平位移监测•三角测量法•交会法•导线测量法•基准线法•测小角法•GPS观测•专用方法挠度观测•悬锤法•精密水准法•全站仪观测法•GPS观测法•静力水准观测法•测斜仪观测法•摄影测量法•专用挠度仪观测法11.2桥梁基础垂直位移监测概述•桥梁垂直位移观测主要研究桥梁墩台空间位置在垂直方向上的变化。•观测建筑物垂直位移的方法有多种，如：精密水准测量、连通管测量、GPS测量等;•各种方法都有其自身的特点，在实际工程中，应根据工程特点和要求灵活应用。基点网的布设•为了观测墩台的垂直位移，需建立变形监测基点网，基点网由基准点和工作基点组成。•基准点应尽量选在桥梁承压区之外，但又不宜离桥梁墩台太远。基准点需成组埋设，以便相互检核。•工作基点一般选在桥台或其附近，以便于观测布设在桥梁墩台上的观测点，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，以求得观测点相对于稳定点的绝对变形。观测点的布设•在布设监测点时，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的重要部分，应加密观测点，主桥桥墩尤应如此。•主桥墩台上的观测点，应在墩台顶面的上下游两端的适宜位置处各埋设一点，以便研究墩台的沉降和不均匀沉陷（即倾斜变形）。垂直位移观测•所谓垂直位移观测，就是定期地测量布设在桥墩台上的观测点相对于基准点的高差，以求得观测点的高程，并将不同时期观测点的高程加以比较，得出墩台的垂直位移值。•监测点的观测一般应根据实际情况布设成附合路线或闭合路线。•观测点观测包括引桥观测点观测和水中桥墩观测点的观测。由于引桥观测点是在岸上，其施测方法与一般水准测量方法相同。11.3桥梁挠度观测索塔挠度观测•索塔的挠度是指索塔在高程方向上索塔各点的水平位移分布情况，它包括桥轴线方向的水平位移和垂直于桥轴线方向的水平位移。•索塔产生挠度变形的原因主要有三个方面：（1）由于索塔两侧的拉力不等，而使索塔在顺桥向产生挠度变形；（2）由于索塔受风力、日照等外界环境因素的影响，而产生挠度变形；（3）由于设计与施工的不合理性，而使索塔产生额外的变形。索塔挠度观测的目的(1)在索塔建设过程中，随着索塔高度的增加，挠度变形的幅度也急剧增大。只有准确地掌握索塔摆动和扭转的规律，才能有效地指导施工和相应的施工测量工作。(2)在大桥钢箱梁吊装过程中，由于施工原因，致使索塔两侧受力不平衡，从而使索塔在顺桥向产生一定的偏移。这种偏移有时可达几十厘米。为了将这种变形限制在一定范围内，不致于使其危及索塔安全，需对此变形进行观测。(3)为了延长桥梁的使用寿命，验证工程设计与施工的效果，并为科学研究提供资料，应该对桥梁进行变形观测。索塔挠度观测常用方法•交会法（测角、测边、边角交会）；•全站仪极坐标法；•天顶距测量法；•倾斜仪法;•垂线法。主梁挠度观测•主梁的挠度变形是主梁结构状态改变最灵敏、最精确的反映，因此，对主梁进行挠度监测能够更为准确地把握主梁结构内力状态的改变。•部分的结构损伤也将导致主梁挠度情况的异常，通过对主梁挠度的监测也可识别出这些损伤来。•通过挠度监测可以达到以下目的：①修正结构内力反演的结果，确保内力状态的识别精度；②进行基于刚度变化的损伤识别。•主梁挠度观测的主要方法有：水准测量法、全站仪测量法、专用挠度仪测量法、动态GPS测量法、液体静力水准测量法、连通管测压法等。11.4桥梁结构的健康诊断健康诊断理论的发展•目前，桥梁健康诊断理论的研究主要集中于结构整体性评估和损伤识别。•结构状态反演和损伤识别是健康诊断的核心。•其目的是建立一个与桥梁安全监测系统适配的结构状态识别系统，能根据结构监测系统采集的数据与信号，应用结构识别理论和损伤识别方法反演出桥梁的工作状态、或识别出可能的结构损伤及其程度。研究内容（1）建立桥梁结构动态检测模态参数识别方法；（2）建立基于桥梁结构的各种神经网络模型和结构分析的损伤分级识别策略；（3）研究各种结构损伤参数识别方法，优选及改造合适的方法应用于桥梁结构状态监测和损伤识别；（4）通过实体模型试验，对所选损伤识别方法及软件进行实测对比、验证、优选；（5）通过结构损伤检测分析方法研究，建立结构损伤报警系统，以便给桥梁管理部门进行人工探伤确认及维护提供方向性的指引。辅助决策系统的发展•桥梁辅助决策系统可以使桥梁管理维护由被动和盲目走向主动和目标明确；•在监测系统和评估系统的帮助下，可以清楚的了解桥梁主要构件的状态；•在准确的桥梁结构模型及其结构响应模拟分析的基础上，可以预测结构在各种可能工况下的反应、极限荷载和失效路径；•就可以有针对性的对相关桥梁构件进行预测性或保护性的维护以防患未然。存在的主要问题（1）系统在应用程序模式上过于固定，采用模块化的设计思想，程序的结构和数据流程是固定的，各模块之间的调用顺序也是一成不变的，由于当代先进开发技术不断涌现，对桥梁安全监控系统的要求也不断的提高，如果采用这种应用模式，不利于系统功能的添加和更新。系统缺乏良好的开放性和兼容性。（2）监测内容不全面，不足以反映桥梁的整体特性，监测系统并没有实现实时或准实时的监测，统计数据不足，无法系统的分析和处理数据为辅助决策系统服务。（3）桥梁监测模型理论尚不成熟，用于监控桥梁的模型一般都借鉴于大坝或其他方面应用比较成功的模型，显然不能准确的监控桥梁的运营状态，必须根据建模理论和经验，并结合工程实际来确定真正适合其系统本身的模型。（4）对桥梁缺损状态的评价缺乏统一有效的综合性指标，难以反映个别构件的缺损及严重程度对整个桥梁的影响。（5）结构系统的复杂性，增加了系统评估的难度。桥梁是由多种材料、不同结构组合的大型综合系统，系统中各个成分应力状态易损性不一，刚度、动力特性相差很大，很难用单一的标准评判得到预期的效果。（6）已开发的系统在设计时没有考虑到突发事件（如撞桥）时如何从监测系统获得实时的数据中迅速评估结构的重大损伤情况和整体工作状态，从而无法作出快速合理的决策和响应。系统主要功能（1）异常测值检查。利用异常值分析准则（时空评判准则、模型评判准则、监控指标评判准则等）对实测值进行检查。（2）结构异常成因分析。排除由观测因素引起的异常情况须进行物理成因分析，其中包括外因分析、内因分析，该分析过程需要调用结构分析的计算结果。（3）综合评判。经上述分析还未得到结论时则进入综合评判处理，根据能正确反映桥梁安全运行基本要求的准则，利用正确的评判方法得出可用的评判结果。（4）结构异常程度以及技术报警级别的确定。当发现异常情况时，需确定异常程度并调用辅助决策系统做出相应级别的报警。结构安全的综合评判•桥梁工作性态的状况是通过埋设在桥体内的各类监测仪器的监测信息来反映的。•单个测点的实测性态评价并不能完整地描述桥梁整体的实际安全状况，因此，需要对桥梁不同部位、不同项目的实测性态进行综合评价。•由于桥梁是有若干个工程部位组成的，因此，桥梁的工作性态是由各工程部位的安全性态构成，而各工程部位的工作性态是由若干类监测项目特征所决定，各监测项目又有若干监测点组成，所以，桥梁的工作性态最终由测点的监测性态决定。异常值检查是是否异常正常正常南锚碇的监测数据异常值检查地基基础的局部安全评估基础滑移基础变位基础倾覆基础强度地基承载力地基稳定性南锚碇的评价悬索桥地基基础整体性评估斜拉桥地基基础评估对上部结构的影响成因分析结果输出联合监控指标模型加权评分北塔基的监测数据…统计模型时序模型…灰色模型地基基础的局部安全评估塔基变位桩基强度模式匹配监控指标趋势分析塔基的整体评价…测值正确性检验测值修正否异常测值正确性检验测值修正润扬大桥地基基础结构安全辅助决策框图