許溝特大橋變形監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)技術(shù)方案簡介

1、許溝特大橋變形監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)技術(shù)方案簡介許溝特大橋變形監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)技術(shù)方案簡介王保忠,苗保民(1.安陽市公路管理局,河南安陽455000;2.河南高速公路發(fā)展有限責(zé)任公司,河南鄭州450000)摘要:本文介紹了利用測量機(jī)器人對許溝特大橋進(jìn)行變形監(jiān)測的技術(shù)方案,并建立了橋梁的安全評估系統(tǒng)利用高精度,自動觀測的全站儀進(jìn)行大型橋梁的變形監(jiān)測,具有成本低,精度高,測量結(jié)果可靠等優(yōu)點,通過變形監(jiān)測建立橋梁的長期安全評估系統(tǒng),確保橋梁運營安全.實踐證明該方法具有較大的推廣價值.關(guān)鍵詞:橋梁工程;測量機(jī)器人;變形監(jiān)測;安全評估中圖分類號:U44文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B1工程概況連霍高速公路許溝特大橋全長49

2、3.14m,主橋為1220m等截面懸鏈線箱形無鉸拱,主拱在橫橋向分為2幅,每幅拱箱為單箱3室單箱截面,寬9.Om,標(biāo)準(zhǔn)斷面頂板,底板,腹板厚度均為o.25m,加厚段斷面頂板,底板,腹板厚度均為0.5m,拱軸系數(shù)m=1.543,凈跨徑L=220m,凈矢高fo=40m,矢跨比/Lo=1/5.5,共軸系數(shù)1.543,拱上建筑為1317.5m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板,橋面連續(xù),雙柱式排架立柱,柱問設(shè)橫向聯(lián)系,橋面寬2×12.Om.設(shè)計荷載汽車一超20級,掛車一120.此橋分左,右2幅.許溝特大橋于2001年12月建成通車.2建立變形監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)的必要性許溝特大橋主橋為1220m上承式等截面懸

3、鏈線箱形無鉸拱,其跨徑在國內(nèi)同類型橋梁中位居前列.鋼筋混凝土箱型拱橋在現(xiàn)代大跨橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用,但對鋼筋混凝土箱型拱橋結(jié)構(gòu)特點的認(rèn)識,如結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,耐久性及長期使用過程中結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律的了解,大多還是停留在以往的使用經(jīng)驗,模擬環(huán)境條件的實驗室研究和各種假設(shè)條件的理論模型基礎(chǔ)上,對實際環(huán)境下鋼筋混凝土箱型橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)特點的認(rèn)識還比較少.大跨徑拱橋主拱圈相對剛度較小,在車輛荷載的重復(fù)作用下,拱圈易受疲勞損傷的特點;拱腳承受巨大的水平推力及豎向壓力,主拱圈承受巨大的軸向壓力及部分彎矩,拱腳位移,混2482011年8期(總第80期)凝土徐變對拱橋主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響;兇H照,溫度等環(huán)境條件

4、變化引起的橋體線型變化對主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的二次內(nèi)力的影響.通過拱橋結(jié)構(gòu)相應(yīng)參數(shù)的監(jiān)測或檢測,對諸多涉及大橋結(jié)構(gòu)運營安全及長期演變過程評估的問題可以得到及時和客觀的記錄和分析,為大橋結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性評估提供科學(xué)的依據(jù).建立許溝特大橋在運營環(huán)境中結(jié)構(gòu)響應(yīng)的長期變形監(jiān)測系統(tǒng),通過長期對許溝特大橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)的觀測和分析,可以驗證設(shè)計理論和規(guī)范,指導(dǎo)許溝特大橋結(jié)構(gòu)的科學(xué)養(yǎng)護(hù),建立許溝特大橋結(jié)構(gòu)基于實測資料的結(jié)構(gòu)損傷識別方法和安全評估方法.3大橋結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測策略和目標(biāo)作為干線高速公路上的特大型橋梁,大橋的結(jié)構(gòu)安全對相關(guān)高速公路網(wǎng)的正常運營有著重要的影響.建立橋變形監(jiān)測與評估系統(tǒng)的主要目的是為大橋結(jié)構(gòu)

5、養(yǎng)護(hù)管理提供科學(xué)的指導(dǎo),為大橋結(jié)構(gòu)的損傷識別和安全性評估提供依據(jù).具體目標(biāo)為:(1)在結(jié)構(gòu)分析理論和實際測試結(jié)果的基礎(chǔ)上,建立準(zhǔn)確的大橋結(jié)構(gòu)計算分析模型.(2)根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的長期測試結(jié)果,結(jié)構(gòu)特性變化趨勢和統(tǒng)計分析,為大橋的養(yǎng)護(hù)管理提供技術(shù)指導(dǎo).(3)以大橋結(jié)構(gòu)計算分析模型為基礎(chǔ),結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)的長期監(jiān)測分析資料,為大橋結(jié)構(gòu)異常狀況的評估提供依據(jù).(4)進(jìn)行大橋結(jié)構(gòu)損傷識別與安全評估方法研究,建立相應(yīng)的損傷識別和安全評估系.4變形監(jiān)測系統(tǒng)的主要內(nèi)容許溝特大橋橋面以下部分均為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)受力特點,本橋主要監(jiān)測拱圈的變形.通過周期性觀測拱圈各監(jiān)測點的空間三維坐標(biāo),坐標(biāo)系可采用整體

6、坐標(biāo)系統(tǒng)或局部坐標(biāo)系統(tǒng),將各監(jiān)測點實測三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到橫橋向,縱橋向及鉛垂方向的坐標(biāo),根據(jù)相對坐標(biāo),建立橋梁結(jié)構(gòu)計算模型,將實測拱圈形狀與成橋拱圈形狀做對比,找出拱圈變形趨勢,對結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行評估.根據(jù)許溝特大橋主跨跨徑,并結(jié)合拱橋受力特點,全橋共設(shè)60個變形監(jiān)測點(見圖1).圖1許溝特大橋監(jiān)測點橫橋向布置圖5變形監(jiān)測頻率從結(jié)構(gòu)安全上說,觀測平率越高,對結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測越有利,但觀測成本相應(yīng)提高,就結(jié)構(gòu)特性上說也不需要過高的觀測平率.監(jiān)測頻率應(yīng)綜合各種因素確定.初期觀測頻率應(yīng)適當(dāng)大一些,根據(jù)觀測到結(jié)構(gòu)變形速度,加速度確定具體觀測頻率.當(dāng)結(jié)構(gòu)變形緩慢,趨勢穩(wěn)定時可按正常情況確定觀測頻率,該種情況下第

7、1年初步觀測3次,第1次于第2次觀測間隔時間為3個月,第2次與第3次觀測間隔時間為6個月,此后每6個月觀測1次,即正常情況下每年觀測2次.在以下情況時應(yīng)加大觀測頻率或增加觀測次數(shù):(1)結(jié)構(gòu)局部監(jiān)測點變形速度加快,出現(xiàn)較大的變形加速度,即出現(xiàn)非正常變形時.(2)大型特殊車輛通過橋梁時.(3)出現(xiàn)地震,特大暴雨等嚴(yán)重自然災(zāi)害時.6變形監(jiān)測精度結(jié)構(gòu)分析表明,當(dāng)監(jiān)測點測設(shè)誤差不大于-4-1.0ram時,結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果相差較小,故各監(jiān)測點測量誤差按±1.0ram控制.7變形監(jiān)測方法傳統(tǒng)的變形監(jiān)測方法主要有2大類:一是常規(guī)的測量方法(大地測量方法與攝影測量方法),二是物理學(xué)傳感器方法.常規(guī)的

8、大地測量方法具有測量精度高,資料可靠等優(yōu)點,但又有觀測工作量大,效率低,受氣候影響大,不易實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測和測量過程的自動化,并要求監(jiān)測點與基點通視等缺點,這些缺點對變形監(jiān)測有非常不利的影響.隨著電子水準(zhǔn)儀和全站儀的出現(xiàn),實現(xiàn)地面測量技術(shù)的自動化也己經(jīng)成為可能;攝影測量的方法也可以用于包括橋梁在內(nèi)的各種建筑物的變形觀測.數(shù)字?jǐn)z影測量為該技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用開拓了更加廣泛的前景.但是,目前利用攝影方法進(jìn)行變形觀測的過程仍然比較復(fù)雜.物理傳感器方法主要是指應(yīng)力應(yīng)變計,傾斜儀等方法,這些方法的優(yōu)點是能獲得觀測對象內(nèi)部的一些信息及高精度局部的相對變形信息,并且能實現(xiàn)長期連續(xù)的自動化觀測,這些方法的缺點是

9、只能觀測有限的局部變形.測量機(jī)器人(MeasurementRobot,或稱測地機(jī)器人,Georobot)是一種能代替人進(jìn)行自動搜索,跟蹤,識別和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度,距離,三維坐標(biāo)以及影像等信息的智能型全站儀.它是在全站儀的基礎(chǔ)上繼承步進(jìn)馬達(dá),CCD影像傳感器構(gòu)成的視頻成像系統(tǒng),并配置智能化的控制及應(yīng)用軟件發(fā)展而形成的.測量機(jī)器人通過CCD影像傳感器和其它傳感器對現(xiàn)實測量范圍內(nèi)的"目標(biāo)"進(jìn)行識別,迅速做出分析,判斷與推理,實現(xiàn)自我控制,并自動完成照準(zhǔn),讀數(shù)等操作,以完全代替人的手工操作.測量機(jī)器人再與能夠制定測量計劃,控制測量過程,進(jìn)行測量數(shù)據(jù)處理與分析的軟件系統(tǒng)相結(jié)合,

10、完全可以代替人完成許多測量任務(wù).根據(jù)項目特點,擬采用高精度全站儀(測量機(jī)器人)對監(jiān)測點進(jìn)行變形監(jiān)測.8橋梁變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理變形監(jiān)測獲取的大量數(shù)據(jù)可通過計算機(jī)處理,組2011年8期(總第80期)249織技術(shù)人員針對本項目特點研究開發(fā)自動化數(shù)據(jù)處理軟件.該軟件需要達(dá)到以下效果.(1)對測量數(shù)值進(jìn)行自動平差.(2)自動進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化.(3)自動快速進(jìn)行監(jiān)測點變形比較,并自動識別變形異常的監(jiān)測點,方便觀測人員及時補測,確認(rèn).9橋梁變形監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)流程根據(jù)首次測量得到的關(guān)于拱圈,系桿各監(jiān)測點的三維坐標(biāo)值,將測量所得的三維坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)受力分析所需要的順橋向,縱橋向及鉛垂方向的相對坐標(biāo)值,并以首次測

11、量得到的坐標(biāo)值作為基準(zhǔn)值.將基準(zhǔn)值與橋梁竣工圖文件所提供的橋梁線形做對比,計算各監(jiān)測點變形方向和變形量.建立橋梁結(jié)構(gòu)計算模型,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析,對結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行評估,若結(jié)構(gòu)承載力不能滿足受力要求,則及時建議橋梁養(yǎng)護(hù)管理單位對橋梁進(jìn)行進(jìn)一步的檢測,如對監(jiān)測點鋼筋應(yīng)力,混凝土強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測,對裂縫(如果有)寬度,深度進(jìn)行監(jiān)測.根據(jù)進(jìn)一步的檢測結(jié)果,分析病害原因,找準(zhǔn)病根,對橋梁進(jìn)行有針對性的維修,加固.周期性地測量監(jiān)測點坐標(biāo),將各次實測坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成縱橋向,橫橋向及鉛垂方向的相對坐標(biāo),將每次測量得到的相對坐標(biāo)與首次測量得到的基準(zhǔn)值比2502011年8期(總第80期)較,得到各監(jiān)測點變形量,建議橋梁各監(jiān)測點變形監(jiān)控圖,當(dāng)發(fā)生異常變形時,及時查明原因,并向橋梁養(yǎng)護(hù)管理單位反映,建議養(yǎng)護(hù)管理單位進(jìn)行進(jìn)一步的檢測,根據(jù)進(jìn)一步檢測結(jié)果找出病害原因和應(yīng)對措施.根據(jù)每次監(jiān)測所得各監(jiān)測點的坐標(biāo),建立結(jié)構(gòu)計算模型,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析,進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載能力評估,若結(jié)構(gòu)承載能力變動異?；虺休d能力不能滿足規(guī)范要求,及時向橋梁養(yǎng)護(hù)管理單位建議進(jìn)行進(jìn)一步地檢測,找出病害原因,有針對性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)維修,加固,避免病害進(jìn)一步發(fā)展.10結(jié)語利用高精度,自動觀測的全站儀進(jìn)行大型橋梁