1、第第11章章 橋梁工程變形監(jiān)測橋梁工程變形監(jiān)測 主要內容主要內容 概述 橋梁基礎垂直位移監(jiān)測 橋梁撓度觀測 橋梁結構的健康診斷 11.1 概述概述 目的與意義目的與意義 橋梁變形觀測是橋梁運營期養(yǎng)護的重要內容，對橋梁的健康診斷和安全運營有著重要的意義。 成橋后的結構狀態(tài)識別和確認，橋梁運營過程中的損傷檢測、預警及適時維修制度的建立，有助于從根本上消除隱患及避免災難性事故的發(fā)生。 運營中的橋梁結構及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實驗室調查的補充，而且可以提供有關結構行為與環(huán)境規(guī)律的最真實的信息。 橋梁安全監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)測系統和對某特定橋梁設計的反思，它還可能并應該成為橋梁研究的“現場實

2、驗室”。 變形監(jiān)測的主要內容 橋梁變形按其類型可分為靜態(tài)變形和動態(tài)變形; 靜態(tài)變形是指變形觀測的結果只表示在某一期間內的變形值，它是時間的函數。 動態(tài)變形是指在外力影響下而產生的變形，它是表示橋梁在某個時刻的瞬時變形，是以外力為函數來表示的對于時間的變化。 橋梁墩臺的變形一般來說是靜態(tài)變形，而橋梁結構的撓度變形則是動態(tài)變形。 橋梁墩臺變形觀測橋梁墩臺的變形觀測主要包括兩方面： 墩臺的垂直位移觀測。主要包括墩臺特征位置的垂直位移和沿橋軸線方向（或垂直于橋軸線方向）的傾斜觀測。 墩臺的水平位移觀測。其中各墩臺在上、下游的水平位移觀測稱為橫向位移觀測；各墩臺沿橋軸線方向的水平位移觀測稱為縱向位移觀測

3、。兩者中，以橫向位移觀測更為重要。塔柱變形觀測（1）塔柱頂部水平位移監(jiān)測；（2）塔柱整體傾斜觀測；（3）塔柱周日變形觀測；（4）塔柱體撓度觀測；（5）塔柱體伸縮量觀測。橋面撓度觀測 橋面撓度是指橋面沿軸線的垂直位移情況。 橋面在外界荷載的作用下將發(fā)生變形，使橋梁的實際線形與設計線形產生差異，從而影響橋梁的內部應力狀態(tài)。 過大的橋面線形變化不但影響行車的安全，而且對橋梁的使用壽命有直接的影響。橋面水平位移觀測 橋面水平位移主要是指垂直于橋軸線方向的水平位移。 橋梁水平位移主要由基礎的位移、傾斜以及外界荷載（風、日照、車輛等）等引起，對于大跨徑的斜拉橋和懸索橋，風荷載可使橋面產生大幅度的擺動，這對

4、橋梁的安全運營十分不利。垂直位移監(jiān)測垂直位移監(jiān)測 精密水準測量 三角高程測量 液體靜力水準測量 壓力測量法 GPS測量 水平位移監(jiān)測 三角測量法 交會法 導線測量法 基準線法 測小角法 GPS觀測 專用方法 撓度觀測 懸錘法 精密水準法 全站儀觀測法 GPS觀測法 靜力水準觀測法 測斜儀觀測法 攝影測量法 專用撓度儀觀測法 11.2 橋梁基礎垂直位移監(jiān)測橋梁基礎垂直位移監(jiān)測 概述 橋梁垂直位移觀測主要研究橋梁墩臺空間位置在垂直方向上的變化。 觀測建筑物垂直位移的方法有多種，如：精密水準測量、連通管測量、GPS測量等; 各種方法都有其自身的特點，在實際工程中，應根據工程特點和要求靈活應用。 基點

5、網的布設 為了觀測墩臺的垂直位移，需建立變形監(jiān)測基點網，基點網由基準點和工作基點組成。 基準點應盡量選在橋梁承壓區(qū)之外，但又不宜離橋梁墩臺太遠?；鶞庶c需成組埋設，以便相互檢核。 工作基點一般選在橋臺或其附近，以便于觀測布設在橋梁墩臺上的觀測點，測定各橋墩相對于橋臺的變形。而工作基點的垂直變形可由基準點測定，以求得觀測點相對于穩(wěn)定點的絕對變形。觀測點的布設 在布設監(jiān)測點時，應遵循既要均勻又要有重點的原則。均勻布設是指在每個墩臺上都要布設觀測點，以便全面判斷橋梁的穩(wěn)定性；重點布設是指對那些受力不均勻、地基基礎不良或結構的重要部分，應加密觀測點，主橋橋墩尤應如此。 主橋墩臺上的觀測點，應在墩臺頂面的

6、上下游兩端的適宜位置處各埋設一點，以便研究墩臺的沉降和不均勻沉陷（即傾斜變形）。垂直位移觀測 所謂垂直位移觀測，就是定期地測量布設在橋墩臺上的觀測點相對于基準點的高差，以求得觀測點的高程，并將不同時期觀測點的高程加以比較，得出墩臺的垂直位移值。 監(jiān)測點的觀測一般應根據實際情況布設成附合路線或閉合路線。 觀測點觀測包括引橋觀測點觀測和水中橋墩觀測點的觀測。由于引橋觀測點是在岸上，其施測方法與一般水準測量方法相同。 11.3 橋梁撓度觀測橋梁撓度觀測索塔撓度觀測 索塔的撓度是指索塔在高程方向上索塔各點的水平位移分布情況，它包括橋軸線方向的水平位移和垂直于橋軸線方向的水平位移。 索塔產生撓度變形的原

7、因主要有三個方面：（1） 由于索塔兩側的拉力不等，而使索塔在順橋向產生撓度變形；（2） 由于索塔受風力、日照等外界環(huán)境因素的影響，而產生撓度變形；（3） 由于設計與施工的不合理性，而使索塔產生額外的變形。索塔撓度觀測的目的(1) 在索塔建設過程中，隨著索塔高度的增加，撓度變形的幅度也急劇增大。只有準確地掌握索塔擺動和扭轉的規(guī)律，才能有效地指導施工和相應的施工測量工作。(2) 在大橋鋼箱梁吊裝過程中，由于施工原因，致使索塔兩側受力不平衡，從而使索塔在順橋向產生一定的偏移。這種偏移有時可達幾十厘米。為了將這種變形限制在一定范圍內，不致于使其危及索塔安全，需對此變形進行觀測。(3) 為了延長橋梁的使

8、用壽命，驗證工程設計與施工的效果，并為科學研究提供資料，應該對橋梁進行變形觀測。索塔撓度觀測常用方法 交會法（測角、測邊、邊角交會）； 全站儀極坐標法； 天頂距測量法； 傾斜儀法; 垂線法。主梁撓度觀測 主梁的撓度變形是主梁結構狀態(tài)改變最靈敏、最精確的反映，因此，對主梁進行撓度監(jiān)測能夠更為準確地把握主梁結構內力狀態(tài)的改變。 部分的結構損傷也將導致主梁撓度情況的異常，通過對主梁撓度的監(jiān)測也可識別出這些損傷來。 通過撓度監(jiān)測可以達到以下目的：修正結構內力反演的結果，確保內力狀態(tài)的識別精度；進行基于剛度變化的損傷識別。 主梁撓度觀測的主要方法有：水準測量法、全站儀測量法、專用撓度儀測量法、動態(tài)GPS

9、測量法、液體靜力水準測量法、連通管測壓法等。 11.4 橋梁結構的健康診斷橋梁結構的健康診斷 健康診斷理論的發(fā)展 目前，橋梁健康診斷理論的研究主要集中于結構整體性評估和損傷識別。 結構狀態(tài)反演和損傷識別是健康診斷的核心。 其目的是建立一個與橋梁安全監(jiān)測系統適配的結構狀態(tài)識別系統，能根據結構監(jiān)測系統采集的數據與信號，應用結構識別理論和損傷識別方法反演出橋梁的工作狀態(tài)、或識別出可能的結構損傷及其程度。 研究內容研究內容 （1） 建立橋梁結構動態(tài)檢測模態(tài)參數識別方法； （2） 建立基于橋梁結構的各種神經網絡模型和結構分析的損傷分級識別策略； （3） 研究各種結構損傷參數識別方法，優(yōu)選及改造合適的方法

10、應用于橋梁結構狀態(tài)監(jiān)測和損傷識別； （4） 通過實體模型試驗，對所選損傷識別方法及軟件進行實測對比、驗證、優(yōu)選； （5） 通過結構損傷檢測分析方法研究，建立結構損傷報警系統，以便給橋梁管理部門進行人工探傷確認及維護提供方向性的指引。輔助決策系統的發(fā)展 橋梁輔助決策系統可以使橋梁管理維護由被動和盲目走向主動和目標明確； 在監(jiān)測系統和評估系統的幫助下，可以清楚的了解橋梁主要構件的狀態(tài)； 在準確的橋梁結構模型及其結構響應模擬分析的基礎上，可以預測結構在各種可能工況下的反應、極限荷載和失效路徑； 就可以有針對性的對相關橋梁構件進行預測性或保護性的維護以防患未然。存在的主要問題 （1） 系統在應用程序模

11、式上過于固定，采用模塊化的設計思想，程序的結構和數據流程是固定的，各模塊之間的調用順序也是一成不變的，由于當代先進開發(fā)技術不斷涌現，對橋梁安全監(jiān)控系統的要求也不斷的提高，如果采用這種應用模式，不利于系統功能的添加和更新。系統缺乏良好的開放性和兼容性。 （2） 監(jiān)測內容不全面，不足以反映橋梁的整體特性，監(jiān)測系統并沒有實現實時或準實時的監(jiān)測，統計數據不足，無法系統的分析和處理數據為輔助決策系統服務。 （3） 橋梁監(jiān)測模型理論尚不成熟，用于監(jiān)控橋梁的模型一般都借鑒于大壩或其他方面應用比較成功的模型，顯然不能準確的監(jiān)控橋梁的運營狀態(tài)，必須根據建模理論和經驗，并結合工程實際來確定真正適合其系統本身的模型

12、。 （4） 對橋梁缺損狀態(tài)的評價缺乏統一有效的綜合性指標，難以反映個別構件的缺損及嚴重程度對整個橋梁的影響。 （5） 結構系統的復雜性，增加了系統評估的難度。橋梁是由多種材料、不同結構組合的大型綜合系統，系統中各個成分應力狀態(tài)易損性不一，剛度、動力特性相差很大，很難用單一的標準評判得到預期的效果。 （6） 已開發(fā)的系統在設計時沒有考慮到突發(fā)事件（如撞橋）時如何從監(jiān)測系統獲得實時的數據中迅速評估結構的重大損傷情況和整體工作狀態(tài)，從而無法作出快速合理的決策和響應。系統主要功能（1） 異常測值檢查。利用異常值分析準則（時空評判準則、模型評判準則、監(jiān)控指標評判準則等）對實測值進行檢查。（2） 結構異常

13、成因分析。排除由觀測因素引起的異常情況須進行物理成因分析，其中包括外因分析、內因分析，該分析過程需要調用結構分析的計算結果。（3） 綜合評判。經上述分析還未得到結論時則進入綜合評判處理，根據能正確反映橋梁安全運行基本要求的準則，利用正確的評判方法得出可用的評判結果。（4） 結構異常程度以及技術報警級別的確定。當發(fā)現異常情況時，需確定異常程度并調用輔助決策系統做出相應級別的報警。結構安全的綜合評判結構安全的綜合評判 橋梁工作性態(tài)的狀況是通過埋設在橋體內的各類監(jiān)測儀器的監(jiān)測信息來反映的。 單個測點的實測性態(tài)評價并不能完整地描述橋梁整體的實際安全狀況，因此，需要對橋梁不同部位、不同項目的實測性態(tài)進行綜合評價。 由于橋梁是有若干個工程部位組成的，因此，橋梁的工作性態(tài)是由各工程部位的安全性態(tài)構成，而各工程部位的工作性態(tài)是由若干類監(jiān)測項目特征所決定，各監(jiān)測項目又有若干監(jiān)測點組成，所以，橋梁的工作性態(tài)最終由測點的監(jiān)測性態(tài)決定。異常值檢查是是否異常正常正常南錨碇的監(jiān)測數據異常值檢