一、概述
大型橋梁，如斜拉橋、懸索橋自20世紀90年代初期以來在我國如雨后春筍般的發(fā)展。這種橋梁的結構特點是跨度大、塔柱高,主跨段具有柔性特性。
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構與動態(tài)特性進行監(jiān)測也是人們十分關心的另一問題。
盡管目前有些橋梁已建立了了解結構內部物理量的變化的“橋梁健康系統(tǒng)”,它對于了解橋梁結構內力的變化、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。
二、變形監(jiān)測內容
根據(jù)我國最新頒發(fā)的“公路技術養(yǎng)護規(guī)范”中的有關規(guī)定和要求,以及大跨度橋梁塔柱高、跨度大和主跨梁段為柔性梁的特點,橋梁工程變形監(jiān)觀測的主要內容包括:
1)橋梁墩臺沉陷觀測、橋面線形與撓度觀測、主梁橫向水平位移觀測、高塔柱擺動觀測；
2)為了進行上述各項目的測量,還必須建立相應的水平位移基準網(wǎng)與沉陷基準網(wǎng)觀測。
三、系統(tǒng)布置
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；橋面水平位移觀測點與橋軸線一側的橋面沉陷和線形觀測點共點。
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1.5ｍ的上塔柱側壁上,每柱設2點。
3）水平位移監(jiān)測基準點布置
水平位移觀測基準網(wǎng)應結合橋梁兩岸地形地質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，以及基準網(wǎng)的觀測方法等因素確定，一般分兩級布設，基準網(wǎng)布設在岸上穩(wěn)定的地方并埋設深埋鉆孔樁標志；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。
4）垂直位移監(jiān)測基準網(wǎng)布置
為了便于觀測和使用方便,一般將岸上的平面基準網(wǎng)點納入垂直位移基準網(wǎng)中,同時還應在較穩(wěn)定的地方增加深埋水準點作為水準基點,它們是大橋垂直位移監(jiān)測的基準；為統(tǒng)一兩岸的高程系統(tǒng),在兩岸的基準點之間應布置了一條過江水準線路。
四、方法與成果精度
1）GPS定位系統(tǒng)測量平面基準網(wǎng)
為了滿足變形觀測的技術要求,考慮到基準網(wǎng)邊長相差懸殊,對基準網(wǎng)邊長相對精度應達到不低于1/120000和邊長誤差小于±5mm的雙控精度指標；由于工作基點多位于大橋橋面,它們與基準點之間難以全部通視,可采用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,對設置在橋面工作基點的觀測時段應安排在夜間作業(yè)，盡可能使其符合靜態(tài)作業(yè)條件以提高觀測精度。
2）精密水準測量建立高程基準網(wǎng)和沉陷觀測
高程基準網(wǎng)與橋面沉陷觀測均按照“國家一、二等水準測量規(guī)范”的二等技術規(guī)定要求實施。
并將垂直位移基準網(wǎng)點、橋面沉陷點、過江水準線路之間構組成多個環(huán)線。
高程基準網(wǎng)的觀測采用精密水準儀；高程基準網(wǎng)中的過江水準測量,可采用三角高程測量方法，用2臺精密全站儀同時對向觀測。
3）全站儀坐標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線法觀測,它的實質測定垂直于基準線方向的偏離值。
為充分發(fā)揮現(xiàn)代全站儀的優(yōu)點,橋面水平位移觀測可采用類似基準線法原理的坐標法,以直接測定觀測點的橫坐標。
武漢長江二橋采用該法觀測橫向水平位移，根據(jù)對全橋136個觀測點的結果進行了統(tǒng)計分析,在未顧及視線長度不等對Ｙ坐標的精度影響的條件下,求得Ｙ坐標的精度為±0.48mm,遠高于橋梁監(jiān)測技術中的精度要求(±3mm)。
4) 智能型全站儀(測量機器人)測定高塔柱的擺動
塔柱擺動可觀測采用當代最先進的智能型全站儀TCA2003,其標稱精度為0.5″,±(1mm+1×10-6D)。
它可以實現(xiàn)自動尋找和精確照準目標,自動測定測站點至目標點的距離、水平方向值和天頂距,計算出3維坐標并記錄在內置模塊或計算機內。
由于它不需要人工照準、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志照明。
該儀器每次觀測記錄一個目標點不超過7ｓ,每點觀測4測回也僅30ｓ。一周期觀測10個點以內一般不會超過5 min，其觀測速度之快是人工無法比擬的。
武漢長江二橋采用該法測定高塔柱的擺動，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800ｍ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mx=0.034mm、my=0.61mm,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。
五、成果整理分析
觀測成果的整理分析主要包括:每期觀測后計算基準點的坐標、高程及其變化量；橋墩、橋面沉陷觀測點、線形點的高程及變化量；橋面水平位移觀測點的Ｙ坐標及橫向位移。根據(jù)這些變形量繪制了相應的變形曲線。
六、南京長江二橋變形監(jiān)測實例
1）工程概況
南京長江第二大橋是國家“九五”重點建設項目，位于現(xiàn)南京長江大橋下游11公里處，全長21.337公里，由南、北汊大橋和南岸、八卦洲及北岸引線組成。其中：南汊大橋為鋼箱梁斜拉橋，橋長2938米，主跨為628米，該跨徑在建時居同類橋型中“國內第一，世界第三”；
北汊大橋為鋼筋混凝土預應力連續(xù)箱梁橋，橋長2172米，主跨為3×165米，該跨徑在國內亦居領先。全線還設有4座互通立交、4座特大橋、6座大橋。該橋設計標準為雙向六車道高速公路；
設計速度為100公里/小時；設計荷載為汽——超20，掛——120；路基寬33.5米，橋面寬32米（不含斜拉索錨固區(qū)）。
全線設有監(jiān)控、通訊、收費、照明、動靜態(tài)稱重等系統(tǒng)，并設有南汊主橋景觀照明，南、北汊橋公園和八卦洲服務區(qū)。
為了建立南京長江二橋全線結構物的竣工線型和位置基準，并對南汊大橋、北汊大橋及八卦洲引線（軟土地基）等重要路段、橋墩進行位移監(jiān)測，為今后大橋維修、驗收等工作留下起始數(shù)據(jù)，需要對南京長江二橋進行變形監(jiān)測。
2）監(jiān)測內容和方法
(1)索塔及基礎
對索塔主要監(jiān)測塔基礎位移（三維）和塔頂水平變化（二維）。對于南汊大橋，塔基礎位移監(jiān)測點布置在約9m高程面的塔柱上，塔頂水平變化監(jiān)測點布置在塔頂柱體上，上、下游塔柱和塔柱南北側各布置一測點，如圖13-1所示。
南北塔共計布置17個監(jiān)測點，其中北塔為9個點；對于北汊大橋，基礎位移監(jiān)測點設在江中22#、23#、24#、25#四個橋墩的墩柱上，每個橋墩的上、下游墩柱各布一個點，共計8個點，點位也設在約9m高程面上，如圖13-2所示。
索塔及基礎變位情況為每三個月觀測一期。測量使用瑞士Leica高精度TC2003全站儀，以三維前方交會法進行角度觀測四測回，觀測方法如圖13-1和圖13-2所示。南、北汊大橋皆以竣工時恢復的首級控制網(wǎng)為基準，經(jīng)平差計算獲得三維坐標，為便于塔柱變位方向分析，平差計算采用橋軸坐標系。
(2)橋面線形（撓度）
橋面線形包括橋面標高及橋中線，在南京長江二橋主橋施工期間，南汊大橋和北汊大橋的軸線和標高均控制在±5mm范圍內,橋面上按一定的間距設有監(jiān)測點。
橋面鋪裝完畢后,觀測點全部遭埋沒。因此，必須重新建立橋面線型監(jiān)觀測點，并做周期性的監(jiān)測。
由于南汊大橋和北汊大橋橋軸線均是橋軸坐標系的X軸，且當時施工中的施工控制精度均較高，此外，南京長江二橋首級控制網(wǎng)已得到了全面恢復，因此，可以認為南汊大橋和北汊大橋的橋軸線仍是橋軸坐標的X軸。
今后維修等工作若需檢測橋軸線，僅需通過首級控制網(wǎng)的控制點即可進行檢查，橋軸線監(jiān)測點可不考慮恢復，僅需重新建立標高（撓度）監(jiān)測點。
新建的橋面標高監(jiān)測點沿全橋布設，每隔40米設一個點，主橋（鋼箱梁）段點位布在橋梁中央分隔帶護攔上，利用防護攔的鉚釘頭作為觀測標志，共設28個點。
引橋為上、下游幅結構，因此，每隔40米上、下游幅各設一個點，點位設在大橋防撞護攔一側路邊上，采用圍棋子做測量標點，用強力膠將其粘貼在路面上，四周用紅色油漆標注。
南引橋共布42個點，北引橋共布46個點。測點布設位置示意圖見圖13-3和圖13-4。
橋面標高為每三個月觀測一期。觀測采用精密幾何水準測量方法，以二等水準精度和要求進行。水準基點設在兩岸橋下墩臺上。
