大跨度桥梁沉降观测与质量控制

1.1 大跨度桥梁沉降观测意义与目的

1.2  桥梁沉降的危害

1.3  桥梁沉降产生的原因

1.4  沉降观测的要求

1.5  工后沉降的计算

1.6  桥梁沉降观测的方法

1.7  沉降评估技术

1.1 大跨度桥梁沉降观测意义与目的

客运专线无碴轨道的永久变形，通常只能通过扣件进行调整以恢复其正常的几何形状，而扣件的调整量非常有限。

目前的要求是在无碴轨道施工完成后，墩台均匀沉降量不超过20mm，相邻墩台的沉降差不超过5mm。

除了扣件调整外，还可以通过专门的无碴轨道特殊支座举行调整，调整量可以达到数公分，但专门支座的成本较高。

对于高速铁路或客运专线，桥涵后不均匀沉降量过大会造成线路的平顺性较差，从而引起列车振动、轮轨动力作用增大，导致列车通过时产生巨大的冲击力；在高速行车条件下，列车平稳、舒适、安全性指标方面下降严重，甚至导致列车脱轨。

广义上讲，对大跨度桥梁结构，除了基础、墩台沉降会引起线路现行变化，还应包括大跨混凝土结构的温度变形、长期收缩徐变等因素导致的结构变形。

桥梁沉降监测目的：

针对大桥正常工作状态下进行定期沉降观测，通过对各期监测数据的处理和分析，并借助桥梁结构、工程地质等资料，得出大桥正常运营状态下的下沉值，找出大桥下沉规律和趋势，分析大桥下沉的原因。

为桥梁的运营养护、线路标高调整提供技术依据；同时检查大桥设计，施工质量，同时为科学研究提供相关信息。

1.2 桥梁沉降的危害

1）引起铁路线路的不平顺

桥梁的不均匀沉降量过大会造成线路的平顺性较差，从而引起列车振动、轮轨动力作用增大，导致列车通过时产生巨大的冲击力；在高速行车条件下，列车平稳、舒适、安全性指标方面下降严重，甚至导致列车脱轨。

2）不均匀沉降裂缝

对于超静定结构，当地基基础承载力不均匀或结构在不同部位的荷载差异较大发生不均匀沉降时，引起构件的约束变形，使结构内力发生变化，当结构内部拉应力超过自身的抗拉强度时，在结构的薄弱部位就会产生沉降裂缝。这类裂缝一般宽度大，数量少，多为深进或贯穿性的，其位置与沉降方向一致。

大跨度桥梁的墩台沉降、收缩徐变，除了导致上述结果外，还可能导致结构受力体系发生明显的变化。

3）公路桥梁的桥头跳车

桥台与路堤之间由于刚度的不同，往往出现非均匀沉降，引起路面标高突变，导致车辆通过时产生颠簸，这种现象即为桥头跳车。

桥头跳车会使驾驶者及乘客产生不适感，影响道路服务水平；同时桥头跳车对桥梁和道路产生附加冲击荷载，会加速桥台、桥头搭板、支座和伸缩缝的损害。

2.3 桥梁沉降产生的原因

按照桥梁沉降主要来源及特征可分为桥梁内部因素与外部因素引起的变形。

1）内部因素引起的变形合理变形：荷载分布不均衡 ，施工误差变形 ，混凝土结构自身的收缩徐变等。

2）外部因素引起的变形：基础形变，基础下地质构造不均匀，季节性和周期性的温度和地下水的变化引起以及受风力引起的摆动等

大跨度桥梁不均匀沉降的原因主要可以分为以下几种 ：

（1）地质勘察精度不够、试验资料不准。

（2）地基地质条件差异太大。

（3）结构荷载差异太大。

（4）结构基础类型差别大。

（5）分期建造的基础。

（6）地基冻胀。

（7）桥梁基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时，可能造成不均匀沉降。

（8）桥梁建成以后，原有地基条件变化。

1.4 沉降观测的要求

1）水准基点设置要求

沉降观测工作独立建网，精度按二等精度控制，宜按国家一等水准测量的技术要求施测。沉降观测水准基点从精密控制网最近的水准基点引测，引测前应对引用的水准基点进行检核。

沉降观测标志的设置：每个墩、台均要进行沉降观测，观测标志应尽量靠近地面(水面)。观测点原则上应设在墩身、台上，每个墩、台不少于4处，分别设在每个墩、台的四角，观测点距地面(水面)高度应在1m左右。

对于长期收缩徐变引起的变形，观测点应该总体沿着桥跨方向等等间接布置。

具体原则为“五定”：

• 沉降观测的基准点、工作基点和被观测物上的沉降观测点要稳定；

• 所用仪器、设备要固定；

• 观测人员要固定；

• 观测时的环境条件基本一致；

• 观测路线、镜位、程序和方法要固定。

上述原则，皆为降低观测误差水平

2）监测仪器、人员

仪器设备要求：使用精度不低于DSZ1的自动安平水准仪或DS1的气泡式水准仪，水准标尺应采用与之配套的带有两排分划的线条式铟瓦合金标尺，水准仪和水准标尺各项技术指标应符合《国家一、二等水准测量规范》(GB 12897-91)有关规定，在沉降观测前和沉降观测过程中的规定时间段应对仪器和标尺进行检定。

人员应具备相关资质，构成专业结构合理，且工作经验丰富，确保监测工作的顺利进行。

3）沉降观测周期的确定

应以能系统反应所测沉降的变化过程而又不遗漏其变化时刻为原则，根据单位时间内沉降量大小及外界影响程度来确定。另外，沉降观测周期的长短与劳动成本密切相关。

沉降观测周期的计算方法：沉降观测的周期决定于变形值的大小和变形速度，以及观测的目的。当沉降点的高程沉降量大于或等于沉降点的高程测量误差的若干倍时，沉降观测成果才可靠。

特殊情况下沉降观测周期的确定：在特殊情况下，很难掌握沉降变化速率，如周边施工地基开挖、地下水处理、基坑维护等，必须缩短观测周期，以利于监测沉降变化规律。

4）沉降观测各项限差规定及精度要求

水准视线长度、视距差及视线高度要求见下表。

观测的各项精度要求为:

1)每测站高差中误差≤±0. 5 mm；

2)沉降观测点相对于水准基点高差中误差≤±1. 0 mm。

1.5 工后沉降的计算

《京沪高速铁路设计暂行规定》对工后沉降的定义为：工后沉降等于“基础设施的最终沉降量与铺轨时的沉降量之差”。

桥梁基础工后沉降可按恒载作用下从铺轨开始时基础产生的固结沉降来计算。工后沉降Sgh可表示为：

式中：
Sgh-工后沉降；S-最终沉降(总沉降)；Se-瞬时沉降；St-至铺轨时产生的固结沉降。 

京沪高速铁路沪宁段蕴藻浜特大桥某墩群桩基础。蕴藻浜特大桥跨吴凇江桥群，6桥10线并行，大跨度连续梁，工艺复杂，直接导致有相当数量的简支梁需由“场制机架法”改为现浇法施工，是桥涵基础沉降监控的关键部位和受力复杂的区段。计算参数：承台尺寸8.5m×10.2m3，12根(3×4)钻孔灌注桩、桩径1.0m、桩长43.0m、桩的纵向间距2.7m、横向间距3.2m。 

1.6 桥梁沉降观测的方法

1.6.1 水准测量方法

1）建立固定的观测路线

2）观测方法及要求

(1)支路线法:当沉降观测点距引测的水准基点较近，且高差也相近时，应尽可能一次置镜测得沉降观测点与水准基点之间的高差。

(2)附合水准路线法:附合水准路线法往返测的高差之差及附合路线闭合差均应小于规定值。

(3)沉降观测每测站观测程序及具体要求参照《国家一、二等水准测量规范》(GB12897-91)有关规定执行。 

3）沉降观测数据处理

沉降观测数据处理和计算主要包括:沉降观测手簿的计算；沉降观测成果的质量评定(计算每千米或每测站水准测量偶然中误差)；沉降观测点每期沉降量、累计沉降量的计算和绘制p-T-S(荷载、时间、沉降量)，U-T-S(沉降速度、时间、沉降量)曲线；沉降趋势分析和预测；桥梁铺设时机、线路调整时机的评估。

1.6.2 其他测量方法

1）GPS测量方法

利用GPS接收器布置于相应测点，进行相对位移自动在线测试。已在超大型桥梁健康监测中广泛应用，但费用较为昂贵。

2）连通管测量沉降

利用连通器中液体等高的原理，进行测点的人工或自动测试。已在南京长江三桥(公路桥)的健康监测中应用。

1.7 沉降评估技术

1.7.1 沉降评估数学模型的建立

目前，在沉降过程回归分析中使用双曲线函数等一元非线性函数作为沉降过程回归分析的基本数学模型。在算法上，一元非线性函数回归分析比较复杂，但可以经过变量代换转换为简单的一元线性回归函数解算回归系数。

通用一元线性回归函数模型:

yi=a+bxi-vi　i=1，2，...，n (1)

式(1)中，y为与沉降量有关的因变量，x为与时间有关的自变量，v为随机因素对y的影响的总和(改正数)，a，b为系数。

2）评估方法———曲线回归(双曲线法)

双曲线方程为：

St=S0+t/a+bt

Sf=S0+1/b (6)

式中，St为时刻t的沉降量；Sf为最终沉降量(t=∞)；S0为初期沉降量(t=0)；a，b为将荷载不再改变以后的实测数据经过回归求得的系数。

2）分析评估前的资料收集

(1)桥梁沉降及变形观测资料。

(2)桥梁地段线路纵断面图、工程地质纵横断面图、桥梁设计图纸和说明书、沉降计算报告等相关设计资料。

(3)施工过程、施工核查、施工记录和原材料检验情况等施工资料。

(4)施工质量控制过程和抽检情况等监理资料。

3）评估分析方法

桥梁基础沉降分析评估应采用曲线回归法。对于预制梁桥，基础沉降应按墩台混凝土施工后、架梁前及架梁后3个阶段进行；对于原位施工的桥梁，基础沉降应根据实际施工状态及荷载变化情况划分阶段。

根据桥梁实际荷载情况及观测数据，应作回归分析及预测，综合确定沉降变化的趋势，曲线回归的相关系数应不低于0.92。首次回归分析时，观测期不应少于桥梁主体工程完工后3个月；对于岩石地基等良好地质的桥梁，不应少于1个月。

4）评估标准

根据实测沉降观测资料推算的工后沉降，根据不同线路要求对应不同的标准。如高速铁路线路应符合下列标准:

(1)桥墩台均匀沉降量≤20 mm。

(2)相临墩台沉降量之差≤5 mm。

2.1 桥梁线形控制的意义及目的

2.2 桥梁线形控制的工作流程

2.3 桥梁线形测试截面及测点总体布置

2.4 桥梁线形监控方法

2.5 桥梁线形监控影响因素

2.6 桥梁线形控制计算

2.7 桥梁线形监控要点

2.8 小榄水道特大桥施工监控实例介绍

2.9 沙田赣江特大桥施工监控实例介绍

2.1 桥梁线形控制的意义及目的

桥梁线形控制不仅是桥梁施工技术的重要组成部分，也是确保桥梁施工宏观质量控制的关键及桥梁建设的安全保证，它在施工过程中起着安全预警、施工指导以及及时为设计提供依据。

任何体系的桥梁在每一个施工阶段的变形和内力是可以预计的，因此当施工中发现监测的实际值和预计值相差过大时，随即进行检查和分析，找出原因并排除问题后方可继续施工，避免出现事故，造成不必要的损失。

1 ）通过各桥梁施工过程中的线形监测，及时掌握桥梁施工过程中的线形状态，了解施工过程中各关键截面的挠度变化。

2） 通过各桥梁施工过程中控制截面的应力测试，及时跟踪各施工阶段关键截面的应力大小，了解桥梁结构的应力状况。

3 ）通过测定新型结构桥梁施工过程中的温度效应、混凝土的收缩徐变效应，为施工过程中的相关决策提供数据依据。

4 ）通过对桥梁施工过程中关键工况的应力及变形监测，吊杆力、斜拉索力等的监测，了解施工过程最不利工况下关键截面的受力状况、关键截面的挠度，并与理论计算结果作对比，评价施工工艺的可行性，并在必要时提供改进建议。

2.2  桥梁线形控制的工作流程

一般大跨度桥梁的施工控制是一个施工→量测→识别→修正→预告→施工的循环过程。该过程中需要对主梁标高和应力实行双控。

它主要包括两个部分：数据采集系统，即在桥上埋设各类传感器和设置监控系统，采集资料；资料分析仿真模拟系统，将采集到的资料进行分析处理，以确定下一个施工阶段的参数。

2.3 桥梁线形测试截面及测点总体布置

桥梁结构位移测试截面及测点布置如下：悬臂梁段的各节段，拱、塔的位移控制断面。

在结构位移测试的同时，通常进行其他如应力的测试：

1） 应力测试截面及测点布置：结构控制截面、受力复杂位置。

2 ）温度测点布置：结构混凝土内部、结构外表、箱梁内等

3 ）斜拉索力、大缆索力、吊杆索力等测试。

2.4 桥梁线形监控方法

1） 线形监控测试系统

线形是衡量桥梁施工质量的宏观要素，施工过程中线形控制的质量直接关系到结构的应力状态，也是桥梁施工阶段中能否准确合拢的关键因素。为实现这一目的，采用的线形测试系统如下：

（a） 精密水准仪量测系统。

（b） 全站仪量测系统。

在进行线形监控的同时，一般还同步进行应力的测试。同样应力有其监控系统。

2）线形监控理论计算及校核计算软件

计算软件采用平面桥梁专用分析软件如：BSAS、桥梁博士、MIDAS-Civil等。

并采用另一平面分析软件，或空间有限元分析软件如ANSYS、Mark等 作计算校核。

3）施工控制中的线形施工误差调整理论方法

结构参数识别与修正法；

卡尔曼滤波法；

灰色系统法；

最小二乘法；

约束优化反演法等

2.5 桥梁线形监控影响因素

1）结构参数；

2）施工工艺；

3）监测测试；

4）结构计算分析模型；

5）温度变化；

6）材料收缩；

7）施工监控设施的保护。

2.6 桥梁线形控制计算

1） 施工控制计算方法

正装计算法/试算法；

倒装计算法；

无应力状态法；

2）施工控制计算过程

建立桥梁有限元模型及相应施工工序工况；

采用相应的方法进行计算分析并提取结果；

将计算结果处理为施工立模标高及各阶段高程结果。

2.7 桥梁线形监控要点

1）测试元件设备的选用及检验校核；

2）挠度、应力等的测试应在每天的同一时间，且应该在每天的早晨日出之前完成测试工作。

3）及时处理测试数据，并进行分析，对下一步施工做出指导。

4）严格及时控制，减小偏差的积累。

5）施工误差出现后的调整工作非常关键。

2.8 小榄水道特大桥施工监控实例介绍

工程简介：

广珠城际快速轨道交通工程设计旅客列车最高行车速度高达200km/h，站站停旅客列车的最高运营速度为140km/h。广珠城际快速轨道交通工程小榄水道特大桥，主跨为（100+220+100）m V构—拱组合桥 。

斜腿采用单箱双室箱形截面，横桥向宽10m，高4m。主梁采用单箱双室截面 ，主梁支点处梁高采用7.8m，主跨跨中和边跨支座处梁高3.8m，V构内部最小梁高采用4.8m；拱肋采用N形桁架， 在靠近拱脚位置采用变高度哑铃形截面。 

斜腿及主梁线形测试截面及测点布置：

立模标高测点布置：斜腿及主梁立模标高的测点位置为底板底部两侧两个特定位置，如图中“|”。

标高测点布置：在内外斜腿的顶部及斜腿墩高1/2处截面顶面两侧设立两个标高观测点，主梁在每一梁段前端点顶板两侧设立3个标高观测点。测点用短钢筋预埋设置或用红油漆表明。如下图所示：   

应力测试截面及测点布置

小榄水道特大桥应力测试截面共计28个，其中主梁15个测试截面，V型斜腿8个测试截面，拱肋5个测试截面，具体位置及各截面测点布置见下图。此外针对197＃墩内侧斜腿节点处横向的中部布置一定数量应力测点以重点考察节点在施工过程中的应力状况。全桥应力测点总计172个。

温度测试截面及测点布置

温度测试截面与测点布置同应力测点。

2.9 沙田赣江特大桥施工监控实例介绍

1、工程简介：

改建铁路南昌枢纽新建西环线沙田赣江特大桥主要跨越赣江、赣江大堤、富山大道以及南昌县小兰经济开发区规划道路，主跨为′120连续梁。主桥(69+4′120+69) m连续梁梁体为单箱单室、变高度、变截面箱梁，梁体全长619.6m，中跨中部26m梁段和边跨端部22.8m梁段为等高梁段，梁高5.4m；中墩处梁高为10m，其余梁段梁底下缘按二次抛物线Y=5.4+4.6X2/1901(m)变化

2、计算程序及计算模型

计算程序采用桥梁博士对结构进行离散，结构包括主梁及墩柱，均采用梁单元，全桥主梁共划分188个单元。全桥结构计算模型如图5.1所示，单T构最大悬臂状态结构模型如图所示。

3、恒载挠度及组合挠度值

主桥考虑收缩徐变10年的恒载挠度见图7.5.1所示。可以看出中跨跨中上挠最大值为4.5cm，边跨下挠最大值为-4.8cm。

4、线形测点布置

在每一主梁节段上，均设置有高程测点。测点布置在梁段悬臂施工方向一侧的悬出端（前端），横向为三个测点，即桥轴线处、上游侧和下游侧，具体平面布置如图7所示。主梁零号块亦设置测点，其测点布置在块的中心处梁顶及两临时固结支座处的梁顶。

沙田赣江特大桥线形测量阶段主要包括：

主梁节段混凝土浇筑之前；

主梁节段混凝土浇筑之后；

挂篮移动就位之后；

边跨或主跨合龙之前和之后；

其他关键施工阶段

5、计算主梁预拱度及立模标高控制的实现结果

主梁预拱度及立模标高控制是主梁线形控制的重要工作。只有当主梁预拱度设置合理，立模标高控制准确，才能保证桥跨合龙顺利及合龙精度满足要求，以及桥面线形的顺畅，并在竣工后一段时间后达到设计的预期线形。

6、计算成桥状态的控制实现结果

沙田赣江特大桥于2009年7月份完成底板束张拉后，全桥即基本形成。沙田赣江特大桥的现场施工监控工作随之基本完成。沙田赣江特大桥的整个悬臂施工过程得到了合理的控制，合拢精度得到保证，合拢线形顺畅，与理论计算状态吻合较好，整个过程结构应力状态处于合理安全限制范围内，从而保证了成桥状态合理的变形和受力。