銅陵長江大橋線形測量與分析

魏海偉，鄭華凱

（1．中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088；2．江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210000）

0 引言

銅陵長江公路大橋位于安徽省銅陵市羊山磯下游600m處，是國家“八五”計劃的重點工程，是當(dāng)時世界上同類型的第三大跨徑橋梁，也是安徽省境內(nèi)第一座長江大橋，于1991年12月開工建設(shè)，1995－12－26竣工通車。

為了解橋梁結(jié)構(gòu)使用狀況和工作性能，同時為結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)管理提供科學(xué)依據(jù)，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全和運營的暢通，銅陵長江公路大橋進(jìn)行了連續(xù)四年的空間測量。通過對測量數(shù)據(jù)的分析，反映橋梁的空間變形情況，評估橋梁的運營狀況［1－3］。

1 橋梁概況

銅陵長江公路大橋全長2 592m，其中主橋長1 152m，為主跨432m的雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。橋跨布置為80m＋90m＋190m＋432m＋190m＋90m＋80m，橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖（cm）

2 測量內(nèi)容

橋梁的線形反映了橋梁的整體工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)剛度削減后，其空間變形會增大，超出設(shè)計允許值［4－6］。本次觀測為第四期觀測，監(jiān)測內(nèi)容為：（1）南北引橋及主橋梁段橋面撓度監(jiān)測，主要反映橋梁主梁的剛度；（2）索塔空間位置監(jiān)測，主要反映索塔的剛度和索力變化；（3）江北橋墩間距、梁長測量。

3 方案

3．1 基準(zhǔn)點

為使本期撓度監(jiān)測成果能夠與成橋線形對比分析，保證基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性、可靠性和監(jiān)測成果的持續(xù)性，主橋及引橋橋面撓度監(jiān)測的基準(zhǔn)點采用大橋建設(shè)期間控制點TQ05（高程：17．633 3m，本次測量中將其命名為G01）作為水準(zhǔn)測量起算數(shù)據(jù)，并按照國家二等水準(zhǔn)精度要求對全橋高程控制網(wǎng)進(jìn)行加密。在南引橋起始端加密布設(shè)點G02、點G03，南塔承臺加密布設(shè)點G04，北塔承臺加密布設(shè)點G05及北引橋終止端加密布設(shè)點G08、點G09，共計6個控制基準(zhǔn)點。在全橋加密控制測量成果滿足國家二等水準(zhǔn)精度要求后，平差計算得加密點的高程成果，用于撓度變形監(jiān)測。

南北索塔空間平面位置變形監(jiān)測時，由于建橋期間控制點遭到破壞而無法恢復(fù)使用，因此本次監(jiān)測延用上期布設(shè)點PM01（架站點，位于大橋公園水文觀測站平臺上）和點PM02（后視定向點，南引橋第19＃橋墩承臺上）作為控制基點，坐標(biāo)系接近于橋軸坐標(biāo)系。以橋軸中心線為X軸，方向為北岸指向南岸；由下游指向上游并垂直于X軸，方向為Y軸。測量時，首先選定主橋直線段某點（LS1）為假設(shè)基準(zhǔn)點，并假定坐標(biāo)為（1 000，1 000），橋軸方向方位角為（0°），測量得控制點PM01的坐標(biāo)值。完成點PM01的坐標(biāo)采集后，搬站至點PM01，并以點LS1為后視方位，測量得點PM02的坐標(biāo)值。至此，完成橋軸坐標(biāo)系的恢復(fù)，并建立南北索塔空間平面位置變形監(jiān)測時所需控制點：點PM01、點PM02。

3．2 監(jiān)測點

3．2．1 南、北引橋及主橋鋼箱梁段橋面撓度監(jiān)測點

橋面撓度變形是通過監(jiān)測橋面的標(biāo)高變化來分析的，主要是監(jiān)測順橋向的撓度變形，因此監(jiān)測點沿橋面縱向布設(shè)。

全橋橋段為上、下游幅結(jié)構(gòu)，監(jiān)測點沿引橋兩側(cè)布設(shè)，分別在每跨的端頭和跨中的防撞護(hù)攔墻壁上布設(shè)監(jiān)測點。南引橋共布設(shè)48×2＝96個點，北引橋共布設(shè)41×2＝82個點，主橋共布設(shè)58×2＝116個點。全橋的上游撓度監(jiān)測點編號為NS01～NS147，下游撓度監(jiān)測點編號為NX01～NX147，測點布設(shè)位置如圖2所示。

圖2 橋面撓度監(jiān)測點布設(shè)示意圖

3．2．2 索塔空間位置監(jiān)測點

南、北索塔空間位置監(jiān)測點布設(shè)在索塔頂部，上、下游塔柱頂部各布設(shè)一個監(jiān)測點，共計4個監(jiān)測點，分別為NTS、NTX和BTS、BTX。測量時，在控制點上插入棱鏡，用全站儀測量出其空間平面位置，與以往各期測量成果進(jìn)行比較，從而掌握索塔空間位置變形情況。測點布設(shè)位置如圖3所示。

圖3 索塔空間位置監(jiān)測點布設(shè)示意圖

3．2．3 江北引橋橋墩間距、梁長及垂直度監(jiān)測點

北引橋橋墩墩間距測量采用的方法是在北側(cè)江堤上架設(shè)高精度免棱鏡全站儀，分別測量出每個橋墩頂部、底部表面點（≥20個）的坐標(biāo)，用MATLAB程序擬合出橋墩形狀，從而計算出兩個橋墩頂部或者底部中心位置的距離，即為橋墩墩間距。由于在橋墩上難以布設(shè)監(jiān)測點，所以本次測量采用免棱鏡模式，在每個橋墩的頂端和底部順著橋墩的表面從左向右觀測20個點以上。為了減少誤差以及方便以后的數(shù)據(jù)對比，在觀測上、下游的兩個橋墩時盡量保持在同一個高度上，即測量時全站儀垂直角不變，且底端也在同一個高度。

北引橋梁長測量時，在主橋1＃橋墩上游側(cè)架設(shè)高精度免棱鏡全站儀，分別測量出與主橋1＃橋墩上梁段的起始截面及引橋19＃橋墩上梁段終止截面的水平距離，兩個距離之差即為梁長。因此，只需在主橋1＃橋墩上選定穩(wěn)定的基準(zhǔn)點，并標(biāo)示出主橋1＃橋墩的起始截面和引橋19＃橋墩的終止截面。

4 測量結(jié)果與分析

4．1 橋面撓度監(jiān)測結(jié)果與分析

橋梁撓度的變化與溫差、混凝土徐變以及橋面長期荷載有直接的關(guān)系。以第一期監(jiān)測結(jié)果為初值，將后續(xù)三期的高程減去第一期高程結(jié)果，繪制出最新三期橋梁的主梁變形圖，具體見圖4。

圖4 橋面豎向變形累計變化曲線圖

結(jié)合前三次測量結(jié)果分別對南引橋、北引橋、主橋測量結(jié)果進(jìn)行分析：

南引橋的上下游高程變化值趨勢基本一致，線性非常吻合，上游與下游一樣，高程有一些小幅波動?？紤]到本次測量和上期測量橋梁所處的溫差，加上測量的誤差等外界綜合因素的影響，從總體上看，南引橋橋面未發(fā)生明顯下?lián)献冃危ㄈ鐖D5所示）。

圖5 南引橋橋面撓度變化曲線圖

北引橋上下游沉降總的趨勢是一樣的，由近主橋處向遠(yuǎn)離主橋方向高程變化值是逐漸減小的，沒有高程突然變化很大的點。上下游的線性非常對稱，上下游變化趨勢一致，較上期監(jiān)測成果，北引橋整體呈現(xiàn)小幅下沉趨勢，綜合考慮溫差等外界條件對橋梁的影響以及測量誤差，可認(rèn)為北引橋線性保持良好（如圖6所示）。

圖6 北引橋橋面撓度變化曲線圖

主橋的變化量相對引橋變化量要大，但上下游變化趨勢基本一致，本期高程變化量較上期略微增大，平均變化量相對于上期在減小，累計變化量也在減小，綜合分析可認(rèn)為主橋未發(fā)生明顯下?lián)献冃巍躄／1 000的現(xiàn)象（如圖7所示）。

綜合現(xiàn)場因素分析，造成本次測量主橋變化偏大的主要原因為：本次測量天氣情況較好，風(fēng)力較小，而上期監(jiān)測的現(xiàn)場環(huán)境風(fēng)力較大。以往試驗證明橋梁在大風(fēng)中狀態(tài)是不穩(wěn)定的，橋梁受風(fēng)力影響可能會產(chǎn)生一些晃動，風(fēng)也會對橋面的溫度場產(chǎn)生一定的影響，造成溫度應(yīng)力從而影響橋面的撓度。

圖7 主橋橋面撓度變化曲線圖

4．2 索塔空間位置監(jiān)測結(jié)果與分析（見表1）

表1 索塔空間位置坐標(biāo)值監(jiān)測結(jié)果表

由測量結(jié)果分析可得：

（1）空間X向，第四期測量變化范圍為－9．5～35．8mm，在 往 期 測 量 最 大 變 化 范 圍 －65．2～66．4mm之間。四次測量變化值在該狀況下設(shè)計允許范圍－10．96～11．08cm之內(nèi)，索塔在該方向處于安全狀態(tài)；

（2）空間Y向，第四期測量變化范圍為－56．4～－8．0mm，超出以往測量最大 變化范 圍－35．0～15．7mm，索塔BTX各次測量變化值為－13．8mm、－12．8mm、－8．0mm，存在單向偏離的情況，需后續(xù)加強(qiáng)觀測。

4．3 江北橋墩間距、梁長（見圖8～9和表2）

圖8 橋墩間距示意圖

表2 橋墩間距測量值監(jiān)測結(jié)果表

由本次測量結(jié)果分析：上游2個橋墩頂部的距離為50．684 3m，變 化 量 為1．2mm，底 部 距 離 為50．584 5m，變化量為－1．7mm；下游2個橋墩頂部距離為50．625 6m，變化量為3．5mm，底部距離為50．544 5m，變化量為1．4mm。本次所測出的間距變化很小，說明橋墩間距沒有相對位移。

圖9 梁長間距示意圖

本次所測出的梁長為49．903m，變化量為3mm，可以認(rèn)為梁長沒有發(fā)生變化。

5 結(jié)語

通過對銅陵長江大橋進(jìn)行線形測量和分析，由歷次監(jiān)測結(jié)果分析可得如下結(jié)論：

（1）南北引橋高程變化有正有負(fù)且變化量絕對值相對較小，表明橋面相對上期較穩(wěn)定，總體變化很小。南北引橋的上、下游監(jiān)測點從南向北高程變化趨勢基本一樣，沒有突變的點，橋的線性和上期測量時基本吻合。南引橋和北引橋的橋面有小幅的下沉，由于受到溫差和測量誤差的綜合影響，可認(rèn)為南引橋和北引橋橋面未發(fā)生下?lián)献冃巍?/p>

（2）主橋的上下游高程變化一開始都是變化增大，且變化由負(fù)轉(zhuǎn)正表明橋面存在一定的起伏，不是相對均勻沉降。主橋的高程有不小的變化，但上下游的變化趨勢基本一致，上下游非常對稱，且主橋兩側(cè)的變化都非常對稱，考慮到溫差和測量誤差等綜合因素的影響，可認(rèn)為主橋未發(fā)生下?lián)献冃巍?/p>

（3）索塔的空間位置與測量時的溫度、日照、風(fēng)速以及車輛荷載等因素均有關(guān)系，本期監(jiān)測結(jié)果顯示索塔產(chǎn)生了較大的位移變化。但由于涉及諸多影響因素，對索塔空間位置的分析應(yīng)結(jié)合長期密集監(jiān)測的結(jié)果，且在后期測量中密切關(guān)注本期變化量較大的點位和方向。

（4）本次梁長和橋墩間距變化都很小，考慮到測量時的溫度、日照、氣壓、風(fēng)速以及車輛荷載等因素，可認(rèn)為梁長和橋墩間距沒有發(fā)生明顯變化，且變化都在正常范圍之內(nèi)。