中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
為了研究大坡度橋梁特別是大坡度中小橋梁撓度觀測難的問題，對各種監(jiān)測方法從測量精度、測量速度和測量范圍等方面進(jìn)行深入的分析與比較，指出各種方法的應(yīng)用范圍和特點(diǎn)。通過應(yīng)用靜力水準(zhǔn)儀測試黑龍江牡丹江三股線大橋撓度，分析了靜力水準(zhǔn)儀的兩種安裝方法在測量過程中產(chǎn)生測量誤差的原因，并進(jìn)行誤差精度分析。數(shù)據(jù)分析表明在中小橋梁撓度監(jiān)測中，連通管液位式撓度測量法是目前常用方法中最適合的監(jiān)測方法；而在高坡度中小橋梁中外接支架測量法比轉(zhuǎn)接點(diǎn)測量法不僅降低成本，處理數(shù)據(jù)方便，而且精確度很高，可以在今后的檢測工作中大規(guī)模推廣使用。
關(guān)鍵詞：橋梁工程；橋梁撓度；靜力水準(zhǔn)儀；測量誤差；大坡度
0 引言
我國目前交通運(yùn)輸仍處在大建設(shè)大發(fā)展時(shí)期，在保持交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)適度規(guī)模和速度，促進(jìn)形成連通全國、普惠城鄉(xiāng)的交通基礎(chǔ)設(shè)施體系的同時(shí)，對于已建成龐大數(shù)量的橋梁結(jié)構(gòu)來說，適應(yīng)新的橋梁發(fā)展需求和運(yùn)輸安全形勢，加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)控，提升應(yīng)急保障能力，提高基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)代化水平成為我國當(dāng)前交通運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展任務(wù)的重中之重。2011年7月，中國的江蘇、福建、浙江、北
京等地接連發(fā)生橋梁坍塌、斷裂事故，并導(dǎo)致人員傷亡，影響路網(wǎng)正常運(yùn)行。
橋梁安全關(guān)系國計(jì)民生，對于社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大，確保橋梁在運(yùn)行階段的安全性，避免因橋梁事故而造成一系列人身、財(cái)產(chǎn)和社會(huì)損失，是全世界橋梁工程界都關(guān)注的一個(gè)嚴(yán)峻課題，而針對橋梁可靠性的橋梁安全檢測是保證橋梁安全的重要環(huán)節(jié)。撓度作為橋梁結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)[1]，能夠衡量橋梁結(jié)構(gòu)形變是否超出安全范圍，是評價(jià)橋梁安全狀況的重要依據(jù)[2]。橋梁撓度是橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)的綜合反映[3]，是判定橋梁豎向整體剛度、橋梁承載能力和結(jié)構(gòu)整體性的重要技術(shù)參數(shù)，是荷載試驗(yàn)的重要指標(biāo)[4]。橋梁撓度也是衡量橋梁結(jié)構(gòu)形變是否超出安全范圍，評價(jià)橋梁安全狀況的重要依據(jù)[5]。
本文首先比較百分表法、傾角儀測量撓度法、全站儀撓度測量法、GPS撓度測量法和連通管液位式撓度測量法這些方法，通過工程實(shí)例對黑龍江牡丹江三股線大橋撓度監(jiān)測系統(tǒng)的安裝，找出適合于高落差橋梁的撓度監(jiān)測方案。
1 傳統(tǒng)的橋梁撓度測量方法
目前常用于橋梁撓度測試的方法有百分表法、傾角儀測量撓度法、全站儀撓度測量法、GPS撓度測量法和連通管液位式撓度測量法等。
百分表法通過測量桿的微小移動(dòng)，經(jīng)過齒輪放大從而通過刻度盤的指針得出測量的數(shù)據(jù)。該方法數(shù)據(jù)可靠，不受環(huán)境影響，目前通過與靜態(tài)應(yīng)變儀連接，能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀數(shù)，而且需要搭設(shè)工作支架，所以該方法只能在少數(shù)凈空較小的中小橋梁上應(yīng)用[6]。
傾角儀測量撓度法利用結(jié)構(gòu)有限元模型，計(jì)算單位荷載在不同位置左右時(shí)的撓度曲線，并以此撓度曲線作為基準(zhǔn)位移模式的線性組合，組合系數(shù)的確定采用對傾角測試數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合的方法[7]。該方法不受環(huán)境的因素的影響，測量精度較高，不需要靜止的參考點(diǎn)，但是對各傾角儀之間的相位差、傾角儀零漂等的要求較高，國內(nèi)這樣的儀器很少[8]。該方法適合大中型鋼構(gòu)結(jié)構(gòu)橋梁的荷載試驗(yàn)等短期撓度監(jiān)測。
全站儀撓度測量法[9]是利用全站儀內(nèi)置的三角高程測量程序，直接觀察測站點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間的高差，由于測站點(diǎn)保持不動(dòng)，加載前后的兩次高差之差即為目標(biāo)點(diǎn)的撓度變化量。全站儀法準(zhǔn)備工作簡單操作方便，不受縱坡大小的影響，量程大[10]。但是該方法受自然條件的限制較大，精度較低，比較適合一些撓度變形量較大的大橋或者特殊大橋的撓度測量。
GPS撓度測量法[11]將一臺接收機(jī)（基準(zhǔn)站）安在參考點(diǎn)（岸基）上固定不動(dòng)，另一臺接收機(jī)（移動(dòng)站）設(shè)在橋梁變形較大的點(diǎn)，2臺接收機(jī)同步觀測4顆或更多衛(wèi)星，以確定變形點(diǎn)相對岸基的位置。實(shí)時(shí)獲取變形點(diǎn)相對參考點(diǎn)的位置，可直接反映出被測點(diǎn)的空間位置變化，從而得到橋梁結(jié)構(gòu)的撓度值。GPS測量法雖然能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)自動(dòng)測量，但是該系統(tǒng)價(jià)格昂貴，測量精度低，測點(diǎn)少，受外界干擾大，所以該方法只適合跨度橋梁短期檢測時(shí)使用。
連通管液位式撓度測量法[12]利用連通管原理，根據(jù)安裝在橋梁各處連通管內(nèi)液面高度的變化獲得橋梁撓度的變化。當(dāng)橋梁梁體發(fā)生變形時(shí)，固定在梁體上的水管也將隨之移動(dòng)，此時(shí)，各豎直水管內(nèi)的液面將與基準(zhǔn)點(diǎn)處的液面保持在同一水平面，但各測點(diǎn)處的豎直水管液面卻發(fā)生了大小不等的相對移動(dòng)，測得的相對位移量即是該被測點(diǎn)的撓度值[13]。該方法精度較高，讀數(shù)可靠，無累積誤差，并能快速通過計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，測量耗時(shí)少，能測量橋梁整體響應(yīng)，有利于橋梁安全的總體評判。但連通管法測量撓度對技術(shù)要求較高，需專業(yè)技術(shù)人員對連通管進(jìn)行灌注、排氣、試驗(yàn)測試工作，且由于鋪設(shè)的管路較長，水的阻尼很大，頻響差，無法實(shí)現(xiàn)橋梁動(dòng)撓度的測量。該方法適合用于橋梁健康監(jiān)測、安全運(yùn)營監(jiān)測等長期靜態(tài)撓度監(jiān)測系統(tǒng)。
綜上所述，中小橋梁短期撓度監(jiān)測中一般使用百分表法，大型橋梁荷載試驗(yàn)等短期撓度監(jiān)測中一般使用傾角儀測量撓度法、全站儀撓度測量法、GPS撓度測量法。連通管液位式撓度測量法雖然有安裝時(shí)間長難度高、鋪設(shè)成本大等缺點(diǎn)，但是一旦調(diào)試成功，測量結(jié)果可靠性高，受環(huán)境的影響因素小，所以在橋梁健康監(jiān)測等長期撓度監(jiān)測系統(tǒng)中基本都采用連通管液位式撓度測量法。
當(dāng)前橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)大多安裝在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的沿海平原地區(qū)，該地區(qū)的特點(diǎn)是橋梁兩端的落差較小，在安裝撓度監(jiān)測時(shí)只要保證連通管安裝的統(tǒng)一高度就可以，最多只需要一至兩個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)就可以完成整個(gè)系統(tǒng)。而當(dāng)在山區(qū)橋梁撓度監(jiān)測時(shí)，橋梁落差較大，沒有辦法保證連通管安裝在同一海拔高度。如果采用傳統(tǒng)安裝方法就需要安裝很多個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)，但是多個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致誤差成倍增加，而且給后期數(shù)據(jù)處理造成很大的困難。
2 大坡度高落差橋梁撓度監(jiān)測方案選擇
三股線高架橋是位于橫道河鎮(zhèn)附近的一座大型橋梁，該橋?yàn)樯舷聝煞蛛x橋。以牡丹江至哈爾濱行車方向?yàn)樯闲袠?，哈爾濱至牡丹江行車方向?yàn)橄滦袠?，下行橋?008年進(jìn)行過加固，至今整體狀況較好。本次加固維修針對上行橋。橋跨布置為（35＋60＋90＋60＋35）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋，橋梁全長287.54 m。箱梁采用單箱單室，主跨墩頂高度為5.0 m，跨中高度2.0 m，橋梁兩端高度落差達(dá)6.25 m。
根據(jù)有關(guān)檢測資料，連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋最經(jīng)常產(chǎn)生的病害是跨中下?lián)希貏e容易發(fā)生在長跨跨中位置。而在試驗(yàn)荷載作用下，三股線大橋跨中截面撓度實(shí)測值將大于理論計(jì)算值，所以三股線大橋撓度測量系統(tǒng)需要測量撓度數(shù)據(jù)的位置重點(diǎn)在各跨跨中，在最長跨的兩個(gè)橋墩點(diǎn)位置則是重要受力位置，另外在哈爾濱方向的橋端安裝一個(gè)測點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)。綜上所述，本系統(tǒng)共安裝8個(gè)靜力水準(zhǔn)儀，具體位置如圖1所示。
圖1 靜力水準(zhǔn)儀測點(diǎn)布置示意圖（單位：cm）
Fig.1 Schematic diagram of arrangement of static force level gagemeasuring points（unit：cm）
靜力水準(zhǔn)儀測量撓度的原理是根據(jù)安裝在橋梁各處靜力水準(zhǔn)儀內(nèi)液面高度的變化獲得橋梁撓度的變化。當(dāng)橋梁梁體發(fā)生變形時(shí)，固定在梁體上的水管也將隨之移動(dòng)，此時(shí)，各豎直水管內(nèi)的液面將與基準(zhǔn)點(diǎn)處的液面保持在同一水平面，但各測點(diǎn)處的豎直水管液面卻發(fā)生了大小不等的相對移動(dòng)，測得的相對位移量即是該被測點(diǎn)的撓度值。靜力水準(zhǔn)儀原理如圖2所示。
圖2 靜力水準(zhǔn)儀原理圖
Fig.2 Principle of static force level gage
橋梁兩端的高度差達(dá)6 m多，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)通過增加轉(zhuǎn)接點(diǎn)的方式來測量撓度數(shù)據(jù)，且需要每個(gè)點(diǎn)都要增設(shè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)，這樣不但使得傳感器的安裝個(gè)數(shù)翻倍而且施工難度加大，同時(shí)增加了施工成本。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，采用在箱梁腹板和底板立鋼支架的方式安裝，利用不同位置調(diào)節(jié)支架的高度的方式使得連通管傳感器安裝在同一海拔高度。靜力水準(zhǔn)儀安裝位置如圖3所示。
圖3 靜力水準(zhǔn)儀安裝位置
Fig.3 Installation position of static force level gage
3 兩種監(jiān)測方案誤差分析
由于本橋的坡度太大，如果使用轉(zhuǎn)接點(diǎn)測量法時(shí)，除標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)之外的每一點(diǎn)都需要安裝轉(zhuǎn)接點(diǎn)。如圖4所示，A點(diǎn)和C點(diǎn)無法在同一水平面上安裝傳感器，即在B點(diǎn)安裝兩個(gè)傳感器作為轉(zhuǎn)接點(diǎn)，傳感器B1和A在同一海拔高度，B2和C在同一海拔高度，只要測量出高度差H即可得出A，B，C的線性度變化。轉(zhuǎn)接點(diǎn)測量法產(chǎn)生的誤差主要是在轉(zhuǎn)接點(diǎn)
位置兩個(gè)傳感器高度差測量上（如圖3中的高度H的測量）由于安裝位置在橋梁內(nèi)部，所以只能采用卷尺和高精度激光測距儀進(jìn)行測量，這會(huì)不可避免地造成了測量誤差。
圖4 靜力水準(zhǔn)儀轉(zhuǎn)接點(diǎn)安裝法示意圖
Fig.4 Schematic diagram of transferring point installation
m ethod for static force level gage
本次高度差測量一共進(jìn)行了4次，如表1所示。
表1 各點(diǎn)高度差測量數(shù)據(jù)（單位：m）
Tab.1 M easured data of height differences at different measuring points（unit：m）
注：H1為截面1與截面2的高度差；H2為截面2與截面3的高度差；H3為截面3與截面4的高度差；H4為截面4與截面5的高度差；H5為截面5與截面6的高度差；H6為截面6與截面7的高度差；H7為截面7與截面8的高度差。
截面 H1H2H3H4H5H6H 1.05 0.655 1.022 5 0.957 5 0.66 1.057 5 0.41 7 1 1.05 0.66 1.05 0.93 0.67 1.04 0.40 2 1.04 0.66 0.99 0.99 0.66 1.09 0.43 3 1.05 0.65 1.03 0.94 0.65 1.03 0.39 4 1.06 0.65 1.02 0.97 0.66 1.07 0.42平均值
根據(jù)表1中高度差數(shù)據(jù)求出A類不確定度uA
式中，
是與測量次數(shù)n、置信概率P有關(guān)的量相關(guān)的，當(dāng)n＝4，P＝0.95時(shí)，從相關(guān)數(shù)據(jù)表中可以查出
，代入式（1）可得各點(diǎn)高度差測量的不確定度。算術(shù)平均值出現(xiàn)在區(qū)間
內(nèi)的概率為0.95。
外接支架測量法產(chǎn)生的誤差主要是由于支架材料的熱脹冷縮而使得不同高度的支架膨脹或者收縮的高度不同，從而產(chǎn)生撓度測量的誤差。假設(shè)參考點(diǎn)的支架高度為H0，第n測量點(diǎn)支架高度為Hn，當(dāng)溫度升高或降低時(shí)，參考點(diǎn)和測量點(diǎn)支架的高度差變化值ΔH0與ΔHn不相同，而該差值不能在數(shù)據(jù)處理中消除，即為本系統(tǒng)的誤差。由熱脹冷縮的原理可知，參考點(diǎn)和測量點(diǎn)支架的高度差（Hn-H0）在不同溫度下的變化值Δ（Hn-H0）即為第n測量點(diǎn)在該溫度情況下的測量誤差，該誤差在不同月份的值是各不相同的。如表2所示，置信概率為0.95時(shí)，各點(diǎn)的偏差在34～50 mm之間。
表2 各點(diǎn)高度差測量的不確定度
Tab.2 Uncertainty ofmeasuring height differences at differentmeasuring points
高度差 H1H2H3H4H5H6H 7 25 17 25 28 24 28 18 2S標(biāo)準(zhǔn)偏差Sχ/mmχ/mm 50 34 50 56 48 56 36不確定度0.04 0.028 0.04 0.044 0.038 0.044 0.029
本系統(tǒng)的外接支架全部用304不銹鋼加工而成，而304不銹鋼的熱膨脹系數(shù)為17.3×10-6℃-1。表3列出從2012年7月至2013年6月牡丹江的月平均氣溫。
表3 2012年7月至2013年6月牡丹江的月平均氣溫
Tab.3 M onthly average temperature of M udanjiang in period of 2012-07—2013-06
2013 7月 8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月 6月2012年時(shí)間月平均氣溫/℃ 22.5 21.5 16 6.5 -4 -17.5 -17.5 -15 -5 4.5 16.5 22
安裝傳感器的時(shí)間在2012年7月，所以把該月22.5℃作為起始溫度，即在此溫度條件下測量的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)確的。表4為各安裝點(diǎn)的立柱高度。
根據(jù)熱膨脹系數(shù)可算出高度變化：
式中，l為初始長度；Δt為溫度變化；δ為材料的熱膨脹系數(shù)。
表4 各安裝點(diǎn)立柱的高度
Tab.4 Height of each pillar at differentmeasuring points
安裝點(diǎn)截面1（箱內(nèi)）截面2（箱內(nèi)）截面3截面4截面5截面6截面7截面8高度/m 0 1 0 1 2 2.6 3.7 4.1
截面8為基準(zhǔn)點(diǎn)，所以各截面?zhèn)鞲衅髦Ъ芘c截面8支架的高度差變化即是測量誤差。表5為傳感器支架與截面8支架的初始高度差。
表5 各點(diǎn)與截面8的初始高度差
Tab.5 Initial height differences between each measuring point and section 8
安裝點(diǎn) 截面1（箱內(nèi)）截面2（箱內(nèi)）截面3截面4截面5截面6截面7截面8高度差/m-4.1 -3.1-4.1-3.1-2.1-1.5-0.4 0
表6為各點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)各月的高度差變化。
表6 各測量點(diǎn)的支座相對于基準(zhǔn)支座在各月隨溫度的變化其高度差變化情況（單位：mm）
Tab.6 Height differences of each measuring point bearing relative to reference bearing varying w ith temperature in differentmonths（unit：mm）
時(shí)間 截面1（箱內(nèi)）截面2（箱內(nèi)）截面3截面4截面5截面6截面7截面8 2012年7月0 0 0 0 0 0 0 0 2012年8月 0.071 0.054 0.071 0.054 0.036 0.026 0.007 0 2012年9月 0.461 0.349 0.461 0.349 0.236 0.169 0.045 0 2012年10月 1.135 0.858 1.135 0.858 0.581 0.415 0.111 0 2012年11月 1.880 1.421 1.880 1.421 0.963 0.688 0.183 0 2012年12月 2.837 2.145 2.837 2.145 1.453 1.038 0.277 0 2013年1月 2.837 2.145 2.837 2.145 1.453 1.038 0.277 0 2013年2月 2.660 2.011 2.660 2.011 1.362 0.973 0.260 0 2013年3月 1.951 1.475 1.951 1.475 0.999 0.714 0.190 0 2013年4月 1.277 0.965 1.277 0.965 0.654 0.467 0.125 0 2013年5月 0.426 0.322 0.426 0.322 0.218 0.156 0.042 0 2013年6月0.035 0.027 0.035 0.027 0.018 0.013 0.003 0
由表6可知各點(diǎn)在全年的測量誤差在0～2.837 mm之間，比轉(zhuǎn)接點(diǎn)安裝測量法的34～50 mm置信區(qū)間精確度高了一個(gè)數(shù)量級。
4 結(jié)論
針對目前大坡度高落差的橋面撓度、殘余應(yīng)變和中小型橋梁的橫向分布系數(shù)測量方法的不足，對橋梁撓度靜力水準(zhǔn)儀在黑龍江牡丹江三股線大橋撓度監(jiān)測系統(tǒng)的安裝進(jìn)行測試。橋梁撓度靜力水準(zhǔn)儀在三股線大橋檢測工作中充分體現(xiàn)了其測試速度快、布置簡便、精度高等優(yōu)點(diǎn)，采用外接支架測量法不僅比轉(zhuǎn)接點(diǎn)測量法少用了不少靜力水準(zhǔn)儀傳感器，而且精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)接點(diǎn)測量法。因此，在大坡度高落差橋梁撓度測量時(shí)，可盡量使用外接支架測量法，這樣不僅降低成本、處理數(shù)據(jù)方便，而且精確度很高，可以在今后的檢測工作中大規(guī)模推廣使用。
