全站儀自動變形監(jiān)測系統(tǒng)在寧波招寶山大橋變形監(jiān)測中的應(yīng)用
2015-07-27
寧波招寶山大橋位于寧波市甬江入?？?，連接寧波鎮(zhèn)海市區(qū)和小港經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，其主橋為獨塔斜拉橋與連續(xù)梁結(jié)合組成的協(xié)作體系。大橋于1995年動工興建，1998年3月主塔封頂，1998年8月中旬主梁邊跨合攏完成，同年9月底，懸澆主梁23號塊混泥土時，主梁16號塊處底版、斜腹板及直腹板發(fā)生壓潰破壞。后經(jīng)中鐵大橋局集團一公司工程技術(shù)人員的加固修復(fù)，現(xiàn)已建成通車。為了保證大橋的安全運營，受大橋管理部門的委托，要求通過對大橋關(guān)鍵部位的空間位置及其變化的長時間定期監(jiān)測，分析長期積累的數(shù)據(jù)，以確定現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的承載能力，使用耐久性等，確保橋跨結(jié)構(gòu)處于良好的工作狀態(tài)。為此開展了對大橋位移、沉降等內(nèi)容的變形監(jiān)測。
1、大橋主梁監(jiān)測點分布介紹
招寶山大橋西接招寶山，東接金雞山，橋梁主軸方位約為110°。橋面寬約為24米，雙向6車道。大橋的主要特點是非對稱大跨度斜拉索結(jié)構(gòu)。結(jié)合主梁應(yīng)力（應(yīng)變）測試，大橋主梁沉降監(jiān)測斷面如圖1中的“▼”所示。其中A—F為主梁應(yīng)力監(jiān)測斷面對應(yīng)的沉降監(jiān)測斷面；1#
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9#監(jiān)測斷面分別為各墩墩頂，第二跨四等分點，第三、四跨的二等分點。全橋主梁共有沉降監(jiān)測斷面15個，分上、下游兩條線路布置，共計30個監(jiān)測點。另外，在大橋上、下游兩主塔頂各設(shè)1個位移、沉降監(jiān)測點。
2、大橋變形監(jiān)測方案
2．1 監(jiān)測頻率
大橋變形監(jiān)測計劃歷時3年。第1年每月監(jiān)測1次，共計12次；第2年每季度監(jiān)測1次，共計4次；第3年每半年監(jiān)測1次，共計2次。
2．2 監(jiān)測速度和精度
為了盡量減小對社會交通的影響，大橋管理部門同意的封橋時間是30分鐘。因此，大橋主梁和主塔上32個監(jiān)測點的現(xiàn)場測量工作要在半小時內(nèi)完成。位移沉降監(jiān)測精度要求為±1毫米。
2．3 監(jiān)測方案
采用常規(guī)的水準測量等方案，雖能保證必要的監(jiān)測精度，但要在30分鐘內(nèi)完成大橋主梁和橋塔上32個點的位移沉降監(jiān)測，困難較大。特別是大橋主塔塔頂距橋面高約有100多米，常規(guī)方法難以解決其位移、沉降的同步監(jiān)測問題。參考國內(nèi)外類似項目的監(jiān)測方案，確定采用差分方式的自動化全站儀變形監(jiān)測方案。
2．3．1 監(jiān)測基準網(wǎng)
為了給全站儀自動化監(jiān)測提供差分基準，首先建立如圖2所示的監(jiān)測基準網(wǎng)。其中QC1、QC3、QC4三點為建在基巖上永久性標石點，QC5為江邊泵房頂?shù)倪^渡點。利用徠卡TCA1800全站儀，按工程一等邊角網(wǎng)施測。
2．3．2 變形點差分自動化監(jiān)測
徠卡TCA1800自動化全站儀與解放軍測繪學院研制開發(fā)的“自動變形監(jiān)測軟件—ADMS”相組合，構(gòu)成招寶山大橋自動變形監(jiān)測系統(tǒng)。在大橋主梁和主塔的32個變形監(jiān)測點上各安裝一個圓形單棱鏡。TCA1800全站儀安置在QC1基準點上。
由于QC1基準點幾乎在橋軸線的延長線上，故大橋主梁上30個監(jiān)測點分布在左右寬約24米，前后縱深約600米的狹窄視場之內(nèi)。即使打開TCA1800自動目標識別的小視場（8¢´8¢），也不能避免視場內(nèi)有多個棱鏡的干擾。因此，還需對圖1所示的監(jiān)測點位進行合理分組，在最大減少人工干預(yù)的前提下，盡快完成大橋主梁和主塔的32個點的變形監(jiān)測。
在實際監(jiān)測過程中，考慮現(xiàn)場大氣等環(huán)境因素，選用 QC3為自動變形監(jiān)測的差分基準點。
3、大橋首次變形監(jiān)測結(jié)果初步分析
2001年8月18日，招寶山大橋首次進行變形監(jiān)測。在首次監(jiān)測中，大橋連續(xù)封橋30小時。為了初步分析監(jiān)測效果，以上游主橋塔位移沉降監(jiān)測為例，三維分量變形趨勢監(jiān)測結(jié)果分別如圖3、4、5所示。其中各監(jiān)測周期與時刻對應(yīng)關(guān)系如下表所示。
三維分量的變形趨勢圖，有以下初步結(jié)果：
1）大橋上游主橋塔塔頂監(jiān)測棱鏡點距QC1自動化全站儀TCA1800監(jiān)測站的平距約為390米、高差約為95米。
2）招寶山大橋地處甬江入?？?，為海洋性氣候。2001年8月18日至19日，晴天，日平均氣溫約為20度。
3）大橋上游主橋塔的平面位移和豎向沉降具有明顯的周日變化規(guī)律：
·
上午時段（7、11、47周期），平面（X、Y）位移量逐漸增大，豎向有下沉趨勢。11時（11、47周期），平面（X、Y）位移達到最大值，豎向（Z）下沉在中午1時（15周期）達到最大值；
· 下午時段（19、23周期），三維分量（X、Y、Z）的變形量都趨向減??；
·
夜間時段（3、27、31、35、39、43周期），三維分量（X、Y、Z）的變形趨于穩(wěn)定，變形量較小。以18日清晨5時的第3周期為參考周期，19日清晨5時同一時刻的第43周期三維分量（X、Y、Z）變形監(jiān)測結(jié)果都趨近為零。
4）對于大橋下游主橋塔變形監(jiān)測結(jié)果的分析，有與上述相類似的結(jié)論。由此可見，TCA1800全站儀自動監(jiān)測系統(tǒng)對寧波招寶山大橋的變形監(jiān)測結(jié)果是有效的，能反映出橋塔非常良好的柔性變形規(guī)律。
4、結(jié)束語
寧波招寶山大橋變形監(jiān)測具有點位多、精度要求高、可利用監(jiān)測時間短等特點。在利用具有自動目標識別的徠卡TCA1800全站儀，按差分方式高精度、自動化監(jiān)測大橋的位移與沉降的變形情況，最大的優(yōu)勢是可以實現(xiàn)三維監(jiān)測同步，這一點對于100多米高的主橋塔變形監(jiān)測來講，尤為重要。
在具體監(jiān)測過程中，如何合理建立差分基準網(wǎng)；選擇差分基準點；在狹長視場范圍內(nèi)對多個變形監(jiān)測點高效地分組監(jiān)測等是寧波招寶山大橋變形監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)，在這些方面取得的經(jīng)驗于國內(nèi)外都具有一定的參考價值。
