广州新光大桥变形监测控制网试验

SURV EYING AND M APPIN G O ct.,2010

广州新光大桥变形监测控制网试验

肖海威1,2,秦亮军2,刘 洋2

(1.武汉大学测绘学院,湖北武汉430079;2.广州市城市规划勘测设计研究院,广东广州510060)

摘 要:以广州新光大桥为研究对象,对其变形监测控制网的布设进行试验研究,包括桥梁高程监测控制网测量的方法和精度分析、桥梁平面监测控制网测量的方法和精度分析以及桥梁关键监测点位置布设研究。其中在高程监测控制网测量中,分别采用了跨河水准测量、测量机器人三角高程法测量、GP S 测高3种方法进行比对实验;在平面监测控制网测量中则采用高精度测量机器人和G PS 两种方法进行比对实验。由试验结果,得出结论,为同类项目的开展提供有益的借鉴。

关键词:特大桥梁变形监测控制网测量;关键监测点位置确定;广州新光大桥

中图分类号:T U 196 文献标志码:A 文章编号:1006 7949(2010)05 0071 04

Experimental research on deformation monitoring control

network of Guangzhou Xinguang Bridge

XIAO H ai w ei 1,2

,QIN Liang jun 2

,LIU Yang

2

(1.Scho ol of Geo desy and G eomatics,Wuhan U niv er sity ,Wuhan 430079,China;2.Guang zho u U rban Planning &Desig n Sur

v ey Research Inst itute,Guangzhou 510060,China)

Abstract:The paper takes Guangzhou Xing uang br idge for example to study the surveying metho d and ac cur acy analysis of co ntrol netw ork measur e w ith oversize br idges,co ncer ning both elev ation and flat panel monitoring netw o rks.Besides,w e also in detail describe how to determine the key sites o f oversize bridg e itself for further GPS deform ation mo nitoring sy stem desig n,w hich can provide v aluable reference fo r sim ilar pr ojects.

Key words:defo rmatio n monitoring contr ol netw o rk measure o f oversize bridg es;the determ ination of key monitoring sites;Guangzho u Xing uang Br idge 收稿日期:2009 12 08

作者简介:肖海威(1975-),男,硕士研究生,工程师.

近十年来,随着社会发展的需要,诸如特大桥梁等超大空间结构基础设施的需求十分旺盛,目前,我国这种需求量在一定程度上超过了发达国家,这是我国大跨度空间结构领域面临的巨大机遇,同时也存在着较大风险,主要表现在大跨度桥梁无论是在施工还是在使用中都出现过重大的安全事故,如1999年我国四川綦江彩虹大桥事件、宁波大桥事件、2000年高屏大桥事故、2005年福建三明市混凝土大拱桥坍塌等。因此,与特大桥梁密切相关的监测与分析工作就面临巨大的发展机遇和紧迫需求。

经过十多年的发展,我国特大桥梁健康监测无论在理论研究方面还是在技术手段方面均取得了长足的进步。在理论上,部分学者对特大桥梁健康监测的平面基准网的建立、监测精度的分析、监测的内容和方法、智能监测系统的设计及特大桥梁数字化

管养系统进行了研究。在技术上,随着电子技术、空间定位技术、自动控制技术、激光技术和远程通讯技术的发展,以GPS/DGPS 技术、测量智能机器人(GEOROBOT )、激光三维扫描仪等为代表的现代测量仪器辅以现代通讯网络,组成全天候连续自动实时监测系统,在变形测量方面发挥重要作用,同时也代表变形监测技术发展趋势。但总体而言,目前阶段大跨径桥梁(特别是拱桥)的设计和施工经验不多,缺乏完善的设计施工规范。在此情况下,对桥梁施工监测控制网的必要精度、大型桥梁首级平面施工监测控制网网形及观测方案研究,是当前一项重要的研究课题。

为此,本文以广州新光大桥为研究对象,主要对特大桥梁高程监测控制网、平面监测控制网的测量方法和精度、关键监测点位置的确定做深入探讨和

测 绘 工 程第19卷

详细阐述,为同类项目的开展提供有益的借鉴。1 研究背景

广州新光大桥主桥为177+428+177m,三跨连续刚架钢桁拱桥,是目前世界上第一座三跨钢桁

拱与钢筋混凝土V 型刚构结合的钢混组合体系桥,其中大节段提升90m,创中国整体提升重量和高度第一,其景观如图1

所示。

图1 广州新光大桥景观图

2 高程监测控制网测量的方法和精度研究

本文在新光大桥河段(河宽<1000m)进行跨河水准测量,并分别采用光学测微法、测量机器人三角高程法、GPS 测高3种方法进行比对实验,研究桥梁高程监测控制网测量的方法和精度。2.1 光学测微法水准测量

跨河水准观测采用威特N3及配套的铟钢水准尺,施测前仪器i 角检校为+ 1.2 。跨河水准测量严格按!国家一、二等水准测量规范∀要求选定与布设场地,使仪器及标尺点构成平行四边形,如图2所示。作业方法、视线距水面的高度、时间段数、测回数、

组数及仪器检查等按规范要求执行。

图2 仪器及标尺布设方案

本次测量按二等跨河水准观测精度施测7个测回,计算得出每测回高差中误差为#3.90m m,高差中数中误差为#1.48m m,跨河水准测量精度符合要求。

2.2 测量机器人三角高程法测量

采用徕卡TCA2003机器人完成实验项目,徕卡T CA 2003仪器标称指标为:测角精度(一测回方向标准偏差)0.5 ,最小显示单位0.1 ,测距精度1mm+1ppm,最小显示单位0.01m m 。如图2所示,在b 1、b 2设置仪器,对向观测12个测回,测回间隔5min 。每测回量取2次仪高至仪器中心和棱镜照准中心高,量取至毫米。每测回高差中误差为#3.46mm ,高差中数中误差为#1.00mm 。2.3 GPS 高程测量

本项目中,设置了4个大地四边形的点位(M 1,M 2,M 3,M 4),它们均选在交通便利、视野开阔、利于长期保存的地方,点位周围无高度角大于15∃的成片障碍物(如树木、建筑物等),点位远离大功率无线电发射源400m 以上,离开电压高于100KV 的高压线150m 以上,离开35~100kV 高压线100m 以上,离开10~35kV 高压线50m 以上。然后将b 1、b 2与大地四边形进行GPS 联测(见图3),GPS 网解算得b 1、b 2大地高的高差为-0.3403m

。

图3 GPS 联测网布设方案

2.4 3种结果的比较

3种高程监测方法分别得到3种结果,其比较如表1所示。

表1 3种高程监测结果的对比分析

测量方法高差成果/m 跨河水准测量H 1

-0.3550测量机器人三角高程法测量H 2

-0.3428GPS 高程测量H 3

-0.3403H 1-H 2

-0.0122H 1-H 3-0.0147

%

72%

第5期肖海威,等:广州新光大桥变形监测控制网试验

由表1可知:在河宽<1000m 的情况下进行跨河水准测量、测量机器人三角高程法测量、GPS 测高3种方法均能达到较高的精度,测量结果互差最大值仅为-14.7mm 。

3 桥梁平面监测控制网测量的方法和精度

研究

在新光大桥地段布设大地四边形控制网(见图3),进行高精度测量机器人、GPS 2种方法的比对实验,研究桥梁平面监测控制网测量的方法和精度。3.1 大地四边形控制网测量机器人测量

布设如图3所示的大地四边形(M 1,M 2,M 3,M 4分别为4个角点),平均边长975.730m,最小边长752.274m,最大边长1311.100m 。采用徕卡TCA2003机器人完成实验项目,徕卡T CA2003仪器标称指标同2.2中的规定。在M 1、M 2、M 3、M 4设置仪器,观测6个测回,测回间隔5min 。边长进行对向观测,设置气压、气温进行仪器自动改正。施测的边长和角度的精度分析分别如表2、表3所示。

表2 边长精度分析

项 目情 况每测回互差(最大)/( )

M 1:7 M 2:5M 3:6 M 4:8测回差(最大)/( )M 1:1.47 M 2:2.68M 3:4.87 M 4:4.08每测站边长较差/mm

(最大)

M 1:0.3 M 2:0.3M 3:2.2 M 4:0.7对向观测边长差/mm

6条边长最大6.9最小0,平均2.83

表3 角度精度分析

图形

角度闭合差( )相对闭合差

四边形M 4-M 3-M 2-M 11.8(限差为#3.2)三边形M 3-M 2-M 11.83(限差为#5.2)1/125540三边形M 3-M 4-M 12.63(限差为#5.2)1/380510三边形M 2-M 4-M 1

2.19(限差为#5.2)

1/387152边长进行温度、气压、地球曲率、高斯投影改正后,以M 1的坐标和M 1-M 2的方位为起算,采用

!南方平差易∀软件进行平差计算。

3.2 大地四边形控制网GPS 测量

使用6台T opcon H iper 单频GPS 接收机(标称精度2mm+1ppm *D )对大地四边形点和观测过河点b 1、b 2进行静态观测。主要技术指标为:每时段观测时间&120min;采样间隔15s;卫星截止高度角&15∃,同步观测卫星数&6颗,一般不少于8颗;卫星几何图形强度因子PDOP 值∋4。GPS 观测严格按照GPS 操作规程执行。

GPS 基线解算和控制网的平差计算使用随机软件,同步环和异步环闭合差符合要求,平差计算采用同济T GPPSW 平差软件,首先进行WGS 84坐标系的三维无约束平差,后通过控制网的三维约束平差(平面起算M 1、M 2,高程起算b 1、b 2)结果如表4所示,各项精度指标如表5所示。

表4 平差结果

项 目

情 况最大点位误差[M 4]/mm #3.5最小点位误差[M 3]/mm #3.1平均点位误差/mm #3.3最大点间误差/mm #5.1最大边长比例误差1/483852单位权中误差/s #1.54往返测距单位权中误关/mm

#2

表5 平面坐标及精度

序号点名X /m

Y /m

M X /cm M Y /cm M /cm 1M 121241.632043480.77400.000.000.002

M 320405.692943385.88700.400.380.563M 420265.556044356.11590.310.490.584M 220997.821044183.84700.000.000.005B 120982.9353295.56090.400.490.636

B 2

20453.030743244.3597

0.61

0.

0.88

3.3 测量机器人测量和GPS 测量成果比较

采用2种测量方法获取的平面坐标成果及高程结果的比较分析如表6和表7所示。

由上面的分析可知:2种测量方法坐标最大互差为1.8cm ,高程最大互差为3.76cm 。可见采用测量机器人和GPS 观测技术方案实测桥梁变形监测网,二者均可得到较好的精度。

表6 平面结果比较

点 名

机器人测量/m

GPS 测量/m

较差/mm

X

Y X

Y X

Y 点位

M 121241.632043480.774021241.632043480.7740M 220997.820744183.847020997.820744183.8470起算点M 320405.6923385.880420405.692943385.88700.3-6.6#6.6M 4

20265.5380

44356.1118

20265.5560

44356.1159

-18.0-4.1

#18.4%

73%

表7 高程结果比较

m

点 名机器人测量GPS 测量较差M 120.414920.41490(起算点)M 28.09958.13710.0376M 311.870311.87440.0041M 4

39.84

39.8677

0.0213

4 桥梁关键监测点位置布设研究

在大跨度桥梁变形监测中,监测点的合理选取非常重要。在不同桥型中,监测点的具体布设会有所差别,但监测点的测点数目及布设具体位置确定的总体原则是:(通过模拟施工计算,得到施工全过程中的包络线,从而知道其最危险的位置,这些数据是监测点选取的基础;)力求两岸的截面对称,以增加结果的可比性,便于分析;∗充分与设计员沟通,了解设计意图;+变形监测点布设应与应力、索力监测统一协调,达到相互印证效果。新光大桥几何变形监测点的布置分为5个部分:

1)主桥基础(见图4(a)):分别在主拱拱座5号墩和6号墩的4条边上布置4个观测点,根据工况需要,采用中间法测定观测点的高程变化。

2)三角钢架(见图4(b)):在三角钢架上、下游顶面上共布置6个观测点,6个观测点分别布置在

三角钢架的4个角点及在顺桥方向的中间线上。根据工况需要,采用差分极坐标法(极坐标法中采用多个后视点后视,然后差分改正计算出检测点坐标的方法)测量监测点坐标的变化。

3)边跨拱肋(见图4(c)):提升时,在边跨钢拱肋的4个起吊点(拱肋拱脚)及中间截面布设6个观测点,监测相对高差和边长伸缩量变化。施工张拉、支架拆除时,在边跨临时系杆张拉之后,采用差分极坐标法测定观测点的空间位置及几何量变化。

4)主跨拱肋(见图4(d)):主跨分主跨边段和主跨中段三次提升,在主跨边段提升时,在4个起吊点和主跨边段的1/2截面处共布设6个观测点;在主跨中段提升时,在4个起吊点和主跨中段的1/4截面处、1/2截面处和1/4截面处共布设10个观测点。合拢后,拆临时系杆及支架、分阶段张拉等工况,采用差分极坐标法测定已布设、固定在拱肋上的观测点坐标及几何量变化。

5)桥面施工过程中,桥面、轴线的标高(见图4(e)):在施工过程中,除对上述重要构件在不同工况下进行监测外,同时根据现场实际情况和需要,对一些主要的且敏感的构件(桥面的标高)进行监测,并

在桥面钢横纵梁上埋设永久性的高程观测点。

图4 大桥几何变形监测点布置示意图

5 结 论

本文以广州新光大桥为研究对象,主要对其变形监测控制网的布设进行了试验研究,主要包括桥梁高程监测控制网测量的方法和精度分析、桥梁平面监测控制网测量的方法和精度分析以及桥梁关键监测点位置布设研究。其中在高程监测控制网测量

中,分别采用了跨河水准测量、测量机器人三角高程法测量、GPS 测高3种方法进行比对实验;在平面监测控制网测量中则采用高精度测量机器人和GPS 2种方法进行比对实验。由试验结果,本文可得出如下结论:(采用测量机器人和GPS 观测技术方案实测桥梁变形监测网,二者均可得到较好的精

(下转第80页)

3 结束语

几年来,学院不断加强教材建设工作,鼓励教职工参与教学和教材改革研究,定期开展各种教学研讨会,在测绘工程创新人才的培养上取得了一定的成效。我们坚信,只要注重学生创新能力和综合素质的培养,加强教学改革、教材建设,就一定能培养出适应人才市场需要和社会需要的创新人才。

参考文献

[1]唐晓欣,杨立军.高校教材建设适应新时期教学改革需要

的思考[J].化工高等教育,2009(2):79 85.

[2]汪志明,郭际明,花向红.优化课程体系,培养测绘工程专

业创新人才[J].测绘通报,2009(6):74 77.

[3]汪志明,郭际明,花向红,等.对提高测绘工程专业教学质

量教材建设的研究[J].测绘信息与工程,2008(3):50

52.

[4]孙静.对当前高校教材工作的几点认识[J].中国电力教

育,2009(4):133 134.

[5]许才军.测绘工程专业课程创新体系初探[J].测绘通报,

2007(11):74 77.

[6]何唐梅.论立体化实验教材建设[J].科技信息,2008

(13):172.

[7]汪志明,张小红,秦咏梅.以精品课程建设为契机,提高测

绘工程专业水平[J].测绘工程,2009,18(4):78 80. [8]卢先和.课程研究带动优秀教材建设[J].出版研究与教

育,2008(4):51 53.

[责任编辑:张德福]

(上接第74页)

度;)在跨度小于1000m河段桥梁,采用跨河水准测量、测量机器人三角高程法测量、GPS测高3种方法均可得到较高的高程精度;∗对于桥梁的变形监测点,必须选择在关键位置,如主桥基础、三角钢架、边跨拱肋、主跨拱肋、桥面钢横纵梁等位置。在今后的研究中,将在本文的基础上,对新光大桥的GPS变形监测系统的设计及其几何位移的精度进行分析。

参考文献

[1]张秀山.桥梁健康监测系统在滹沱河特大桥中的应用

[J].养护工程,2009(1):15 17.

[2]夏隽,熊政勇,熊家国.特大型桥梁健康监测及数字化管

养系统研究[J].交通科技,2008(3):35 39.

[3]李爱群.润扬长江大桥结构健康监测系统研究[J].东南

大学学报:自然科学版,2003,38(5):25 29.[4]张启伟.大型桥梁健康监测概念与监测系统设计[J].同

济大学学报,2001,2(1):49 53.

[5]贺志勇,盛飞.大跨度桥梁的变形监测及其精度分析[J].

华南理工大学学报:自然科学版,2001,29(8):33 38. [6]林宗云,刘宗泉,余文斌.用G PS技术建立桥梁变形监测

平面基准[J].地理空间信息,2003,3(1):21 23.

[7]喻永平.频谱分析在虎门大桥动态监测中的应用研究

[J].测绘信息与工程,2008,33(5):32 36.

[8]魏芳菲,刘成林,郭杭.GP S技术在大型桥梁变形监测中

的应用[J].工程勘察,2009(5):81 83.

[9]王小敏,熊军,马木欣.基于G PS的大跨度桥梁变形监

测与数据处理[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2009,33(2):54 57.

[10]孙仲,许文峰.武汉城市桥梁管理与变形监测[J].地理

空间信息,2006,4(6):48 50.

[责任编辑:张德福]