许沟特大桥变形监测与安全评估系统技术方案简介

许沟特大桥变形监测与安全评估系统技术

方案简介

许沟特大桥变形监测与安全评估 系统技术方案简介 王保忠,苗保民

(1.安阳市公路管理局,河南安阳455000;2.河南高速公路发展有限责任公司,河南郑州450000)

摘要:本文介绍了利用测量机器人对许沟特大桥进行变形监测的技术方案,并建立了桥梁的安全评估系统利用高

精度,自动观测的全站仪进行大型桥梁的变形监测,具有成本低,精度高,测量结果可靠等优点,通过变形监测建立

桥梁的长期安全评估系统,确保桥梁运营安全.实践证明该方法具有较大的推广价值.

关键词:桥梁工程;测量机器人;变形监测;安全评估 中图分类号:U44文献标识码:B 1工程概况

连霍高速公路许沟特大桥全长493.14m,主桥为 1—220m等截面悬链线箱形无铰拱,主拱在横桥向分 为2幅,每幅拱箱为单箱3室单箱截面,宽9.Om, 标准断面顶板,底板,腹板厚度均为o.25m,加厚段断 面顶板,底板,腹板厚度均为0.5m,拱轴系数m= 1.543,净跨径L=220m,净矢高fo=40m,矢跨比 /Lo=1/5.5,共轴系数1.543,拱上建筑为13— 17.5m预应力混凝土空心板,桥面连续,双柱式排架 立柱,柱问设横向联系,桥面宽2×12.Om.设计荷 载汽车一超20级,挂车一120.此桥分左,右2幅. 许沟特大桥于2001年12月建成通车.

2建立变形监测与安全评估系统的必要性 许沟特大桥主桥为1—220m上承式等截面悬链 线箱形无铰拱,其跨径在国内同类型桥梁中位居前 列.钢筋混凝土箱型拱桥在现代大跨桥梁建设中得到 了广泛的应用,但对钢筋混凝土箱型拱桥结构特点的 认识,如结构稳定性,耐久性及长期使用过程中结构 性能退化规律的了解,大多还是停留在以往的使用经 验,模拟环境条件的实验室研究和各种假设条件的理 论模型基础上,对实际环境下钢筋混凝土箱型桥结构 响应特点的认识还比较少.大跨径拱桥主拱圈相对刚 度较小,在车辆荷载的重复作用下,拱圈易受疲劳损 伤的特点;拱脚承受巨大的水平推力及竖向压力,主 拱圈承受巨大的轴向压力及部分弯矩,拱脚位移,混 2482011年8期(总第80期)

凝土徐变对拱桥主体结构内力分布的影响;凶H照, 温度等环境条件变化引起的桥体线型变化对主体结构 产生的二次内力的影响.通过拱桥结构相应参数的监 测或检测,对诸多涉及大桥结构运营安全及长期演变 过程评估的问题可以得到及时和客观的记录和分析, 为大桥结构的安全性和耐久性评估提供科学的依据. 建立许沟特大桥在运营环境中结构响应的长期变形监 测系统,通过长期对许沟特大桥结构响应的观测和分 析,可以验证设计理论和规范,指导许沟特大桥结构 的科学养护,建立许沟特大桥结构基于实测资料的结 构损伤识别方法和安全评估方法. 3大桥结构变形监测系统监测策略和目标 作为干线高速公路上的特大型桥梁,大桥的结构 安全对相关高速公路网的正常运营有着重要的影响. 建立桥变形监测与评估系统的主要目的是为大桥结构

养护管理提供科学的指导,为大桥结构的损伤识别和 安全性评估提供依据.具体目标为:

(1)在结构分析理论和实际测试结果的基础上, 建立准确的大桥结构计算分析模型. (2)根据监测系统的长期测试结果,结构特性 变化趋势和统计分析,为大桥的养护管理提供技术 指导.

(3)以大桥结构计算分析模型为基础,结合监 测系统的长期监测分析资料,为大桥结构异常状况的 评估提供依据.

(4)进行大桥结构损伤识别与安全评估方法研 究,建立相应的损伤识别和安全评估系. 4变形监测系统的主要内容

许沟特大桥桥面以下部分均为普通钢筋混凝土结 构,根据该桥结构受力特点,本桥主要监测拱圈的变 形.通过周期性观测拱圈各监测点的空间三维坐标, 坐标系可采用整体坐标系统或局部坐标系统,将各监 测点实测三维坐标转换到横桥向,纵桥向及铅垂方向 的坐标,根据相对坐标,建立桥梁结构计算模型,将 实测拱圈形状与成桥拱圈形状做对比,找出拱圈变形 趋势,对结构的承载力进行评估.根据许沟特大桥主 跨跨径,并结合拱桥受力特点,全桥共设60个变形 监测点(见图1).

图1许沟特大桥监测点横桥向布置图 5变形监测频率

从结构安全上说,观测平率越高,对结构安全监 测越有利,但观测成本相应提高,就结构特性上说也 不需要过高的观测平率.监测频率应综合各种因素确 定.初期观测频率应适当大一些,根据观测到结构变

形速度,加速度确定具体观测频率.当结构变形缓 慢,趋势稳定时可按正常情况确定观测频率,该种情 况下第1年初步观测3次,第1次于第2次观测间隔 时间为3个月,第2次与第3次观测间隔时间为6个 月,此后每6个月观测1次,即正常情况下每年观测 2次.在以下情况时应加大观测频率或增加观测 次数:

(1)结构局部监测点变形速度加快,出现较大 的变形加速度,即出现非正常变形时. (2)大型特殊车辆通过桥梁时.

(3)出现地震,特大暴雨等严重自然灾害时. 6变形监测精度

结构分析表明,当监测点测设误差不大于-4- 1.0ram时,结构内力计算结果相差较小,故各监测 点测量误差按±1.0ram控制. 7变形监测方法

传统的变形监测方法主要有2大类:一是常规 的测量方法(大地测量方法与摄影测量方法),二是 物理学传感器方法.常规的大地测量方法具有测量精 度高,资料可靠等优点,但又有观测工作量大,效率 低,受气候影响大,不易实现连续监测和测量过程的 自动化,并要求监测点与基点通视等缺点,这些缺点 对变形监测有非常不利的影响.随着电子水准仪和全 站仪的出现,实现地面测量技术的自动化也己经成为 可能;摄影测量的方法也可以用于包括桥梁在内的各 种建筑物的变形观测.数字摄影测量为该技术在变形 监测中的应用开拓了更加广泛的前景.但是,目前利 用摄影方法进行变形观测的过程仍然比较复杂.物理 传感器方法主要是指应力应变计,倾斜仪等方法,这

些方法的优点是能获得观测对象内部的一些信息及高 精度局部的相对变形信息,并且能实现长期连续的自 动化观测,这些方法的缺点是只能观测有限的局部 变形.

测量机器人(MeasurementRobot,或称测地机器 人,Georobot)是一种能代替人进行自动搜索,跟 踪,识别和精确照准目标并获取角度,距离,三维 坐标以及影像等信息的智能型全站仪.它是在全站 仪的基础上继承步进马达,CCD影像传感器构成的 视频成像系统,并配置智能化的控制及应用软件发 展而形成的.测量机器人通过CCD影像传感器和其 它传感器对现实测量范围内的\目标\进行识别, 迅速做出分析,判断与推理,实现自我控制,并自 动完成照准,读数等操作,以完全代替人的手工操 作.测量机器人再与能够制定测量计划,控制测量 过程,进行测量数据处理与分析的软件系统相结 合,完全可以代替人完成许多测量任务.根据项目 特点,拟采用高精度全站仪(测量机器人)对监测 点进行变形监测. 8桥梁变形监测数据处理

变形监测获取的大量数据可通过计算机处理,组 2011年8期(总第80期)249

织技术人员针对本项目特点研究开发自动化数据处理 软件.该软件需要达到以下效果. (1)对测量数值进行自动平差. (2)自动进行坐标转化.

(3)自动快速进行监测点变形比较,并自动识 别变形异常的监测点,方便观测人员及时补测, 确认.

9桥梁变形监测与安全评估系统流程

根据首次测量得到的关于拱圈,系杆各监测点的 三维坐标值,将测量所得的三维坐标值转换为结构受 力分析所需要的顺桥向,纵桥向及铅垂方向的相对坐 标值,并以首次测量得到的坐标值作为基准值.将基 准值与桥梁竣工图文件所提供的桥梁线形做对比,计 算各监测点变形方向和变形量.

建立桥梁结构计算模型,对结构进行受力分析, 对结构的承载能力进行评估,若结构承载力不能满足 受力要求,则及时建议桥梁养护管理单位对桥梁进行 进一步的检测,如对监测点钢筋应力,混凝土强度进 行监测,对裂缝(如果有)宽度,深度进行监测. 根据进一步的检测结果,分析病害原因,找准病根, 对桥梁进行有针对性的维修,加固.

周期性地测量监测点坐标,将各次实测坐标转 换成纵桥向,横桥向及铅垂方向的相对坐标,将每 次测量得到的相对坐标与首次测量得到的基准值比 2502011年8期(总第80期)

较,得到各监测点变形量,建议桥梁各监测点变形 监控图,当发生异常变形时,及时查明原因,并向 桥梁养护管理单位反映,建议养护管理单位进行进 一

步的检测,根据进一步检测结果找出病害原因和 应对措施.

根据每次监测所得各监测点的坐标,建立结构计 算模型,对结构进行受力分析,进行结构承载能力评 估,若结构承载能力变动异常或承载能力不能满足规 范要求,及时向桥梁养护管理单位建议进行进一步地 检测,找出病害原因,有针对性地进行结构维修,加

固,避免病害进一步发展. 10结语

利用高精度,自动观测的全站仪进行大型桥梁 的变形监测,具有成本低,精度高,测量结果町靠 等优点,通过变形监测建立桥梁的长期安全评估系 统,确保桥梁运营安全.该方法具有较大的推广 价值. 参考文献:

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