變形監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用11章

1、,變形監(jiān)測與變形分析,第十一章　橋梁工程變形監(jiān)測,1,主要內(nèi)容,概述橋梁基礎(chǔ)垂直位移監(jiān)測橋梁撓度觀測橋梁結(jié)構(gòu)的健康診斷,第十一章　橋梁工程變形監(jiān)測,2,§1　概述,變形監(jiān)測與變形分析,第十一章　橋梁工程變形監(jiān)測,3,目的與意義,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,橋梁變形觀測是橋梁運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)的重要內(nèi)容，對橋梁的健康診斷和安全運(yùn)營有著重要的意義。 成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別和確認(rèn)，橋梁運(yùn)營過程中的損傷檢測、預(yù)警

2、及適時(shí)維修制度的建立，有助于從根本上消除隱患及避免災(zāi)難性事故的發(fā)生。 運(yùn)營中的橋梁結(jié)構(gòu)及其環(huán)境所獲得的信息不僅是理論研究和實(shí)驗(yàn)室調(diào)查的補(bǔ)充，而且可以提供有關(guān)結(jié)構(gòu)行為與環(huán)境規(guī)律的最真實(shí)的信息。 橋梁安全監(jiān)測帶來的將不僅是監(jiān)測系統(tǒng)和對某特定橋梁設(shè)計(jì)的反思，它還可能并應(yīng)該成為橋梁研究的“現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室”。,第1節(jié)　概述,4,橋梁的變形,,,,橋梁變形按其類型可分為靜態(tài)變形和動態(tài)變形;靜態(tài)變形是指變形觀測的結(jié)果只表示在某一期間內(nèi)的變形值，它是

3、時(shí)間的函數(shù)。動態(tài)變形是指在外力影響下而產(chǎn)生的變形，它是表示橋梁在某個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)變形，是以外力為函數(shù)來表示的對于時(shí)間的變化。橋梁墩臺的變形一般來說是靜態(tài)變形，而橋梁結(jié)構(gòu)的撓度變形則是動態(tài)變形。,第1節(jié)　概述,5,橋梁墩臺變形觀測,橋梁墩臺的變形觀測主要包括兩方面：墩臺的垂直位移觀測。主要包括墩臺特征位置的垂直位移和沿橋軸線方向（或垂直于橋軸線方向）的傾斜觀測。墩臺的水平位移觀測。其中各墩臺在上、下游的水平位移觀測稱為橫向位移觀測；

4、各墩臺沿橋軸線方向的水平位移觀測稱為縱向位移觀測。兩者中，以橫向位移觀測更為重要。,第1節(jié)　概述,6,塔柱變形觀測,（1）塔柱頂部水平位移監(jiān)測；（2）塔柱整體傾斜觀測；（3）塔柱周日變形觀測；（4）塔柱體撓度觀測；（5）塔柱體伸縮量觀測。,第1節(jié)　概述,7,橋面撓度觀測,橋面撓度是指橋面沿軸線的垂直位移情況。橋面在外界荷載的作用下將發(fā)生變形，使橋梁的實(shí)際線形與設(shè)計(jì)線形產(chǎn)生差異，從而影響橋梁的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)。過大的橋面線形變化不

5、但影響行車的安全，而且對橋梁的使用壽命有直接的影響。,第1節(jié)　概述,8,橋面水平位移觀測,橋面水平位移主要是指垂直于橋軸線方向的水平位移。橋梁水平位移主要由基礎(chǔ)的位移、傾斜以及外界荷載（風(fēng)、日照、車輛等）等引起，對于大跨徑的斜拉橋和懸索橋，風(fēng)荷載可使橋面產(chǎn)生大幅度的擺動，這對橋梁的安全運(yùn)營十分不利。,第1節(jié)　概述,9,垂直位移監(jiān)測方法,精密水準(zhǔn)測量 三角高程測量 液體靜力水準(zhǔn)測量 壓力測量法 GPS測量,第1節(jié)　概述,10,

6、水平位移監(jiān)測方法,三角測量法 交會法 導(dǎo)線測量法 基準(zhǔn)線法 測小角法 GPS觀測 專用方法,第1節(jié)　概述,11,撓度觀測方法,懸錘法 精密水準(zhǔn)法 全站儀觀測法 GPS觀測法 靜力水準(zhǔn)觀測法 測斜儀觀測法 攝影測量法 專用撓度儀觀測法,第1節(jié)　概述,12,§2　橋梁基礎(chǔ)垂直位移監(jiān)測,變形監(jiān)測與變形分析,第十一章　橋梁工程變形監(jiān)測,13,概述,橋梁垂直位移觀測主要研究橋梁墩臺空間位置在垂直方向上的變化。

7、觀測建筑物垂直位移的方法有多種，如：精密水準(zhǔn)測量、連通管測量、GPS測量等;各種方法都有其自身的特點(diǎn)，在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)和要求靈活應(yīng)用。,第2節(jié)　橋梁基礎(chǔ)垂直位移監(jiān)測,14,基點(diǎn)網(wǎng)的布設(shè),為了觀測墩臺的垂直位移，需建立變形監(jiān)測基點(diǎn)網(wǎng)，基點(diǎn)網(wǎng)由基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)組成?；鶞?zhǔn)點(diǎn)應(yīng)盡量選在橋梁承壓區(qū)之外，但又不宜離橋梁墩臺太遠(yuǎn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)需成組埋設(shè)，以便相互檢核。工作基點(diǎn)一般選在橋臺或其附近，以便于觀測布設(shè)在橋梁墩臺上的觀測點(diǎn)，測定

8、各橋墩相對于橋臺的變形。而工作基點(diǎn)的垂直變形可由基準(zhǔn)點(diǎn)測定，以求得觀測點(diǎn)相對于穩(wěn)定點(diǎn)的絕對變形。,第2節(jié)　橋梁基礎(chǔ)垂直位移監(jiān)測,15,觀測點(diǎn)的布設(shè),在布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，應(yīng)遵循既要均勻又要有重點(diǎn)的原則。均勻布設(shè)是指在每個(gè)墩臺上都要布設(shè)觀測點(diǎn)，以便全面判斷橋梁的穩(wěn)定性；重點(diǎn)布設(shè)是指對那些受力不均勻、地基基礎(chǔ)不良或結(jié)構(gòu)的重要部分，應(yīng)加密觀測點(diǎn)，主橋橋墩尤應(yīng)如此。主橋墩臺上的觀測點(diǎn)，應(yīng)在墩臺頂面的上下游兩端的適宜位置處各埋設(shè)一點(diǎn)，以便研究墩臺的沉

9、降和不均勻沉陷（即傾斜變形）。,第2節(jié)　橋梁基礎(chǔ)垂直位移監(jiān)測,16,垂直位移觀測,所謂垂直位移觀測，就是定期地測量布設(shè)在橋墩臺上的觀測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的高差，以求得觀測點(diǎn)的高程，并將不同時(shí)期觀測點(diǎn)的高程加以比較，得出墩臺的垂直位移值。監(jiān)測點(diǎn)的觀測一般應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況布設(shè)成附合路線或閉合路線。觀測點(diǎn)觀測包括引橋觀測點(diǎn)觀測和水中橋墩觀測點(diǎn)的觀測。由于引橋觀測點(diǎn)是在岸上，其施測方法與一般水準(zhǔn)測量方法相同。,第2節(jié)　橋梁基礎(chǔ)垂直位移監(jiān)測,17,

10、§3　橋梁撓度觀測,變形監(jiān)測與變形分析,第十一章　橋梁工程變形監(jiān)測,18,索塔撓度觀測,索塔的撓度是指索塔在高程方向上索塔各點(diǎn)的水平位移分布情況，它包括橋軸線方向的水平位移和垂直于橋軸線方向的水平位移。索塔產(chǎn)生撓度變形的原因主要有三個(gè)方面：（1） 由于索塔兩側(cè)的拉力不等，而使索塔在順橋向產(chǎn)生撓度變形；（2） 由于索塔受風(fēng)力、日照等外界環(huán)境因素的影響，而產(chǎn)生撓度變形；（3） 由于設(shè)計(jì)與施工的不合理性，而使索塔產(chǎn)生額外的變

11、形。,第3節(jié)　橋梁撓度觀測,19,索塔撓度觀測的目的,(1) 在索塔建設(shè)過程中，隨著索塔高度的增加，撓度變形的幅度也急劇增大。只有準(zhǔn)確地掌握索塔擺動和扭轉(zhuǎn)的規(guī)律，才能有效地指導(dǎo)施工和相應(yīng)的施工測量工作。(2) 在大橋鋼箱梁吊裝過程中，由于施工原因，致使索塔兩側(cè)受力不平衡，從而使索塔在順橋向產(chǎn)生一定的偏移。這種偏移有時(shí)可達(dá)幾十厘米。為了將這種變形限制在一定范圍內(nèi)，不致于使其危及索塔安全，需對此變形進(jìn)行觀測。(3) 為了延長橋梁的使用壽

12、命，驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)與施工的效果，并為科學(xué)研究提供資料，應(yīng)該對橋梁進(jìn)行變形觀測。,第3節(jié)　橋梁撓度觀測,20,索塔撓度觀測常用方法,交會法（測角、測邊、邊角交會）；全站儀極坐標(biāo)法；天頂距測量法；傾斜儀法;垂線法。,第3節(jié)　橋梁撓度觀測,21,主梁撓度觀測,主梁的撓度變形是主梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變最靈敏、最精確的反映，因此，對主梁進(jìn)行撓度監(jiān)測能夠更為準(zhǔn)確地把握主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)的改變。部分的結(jié)構(gòu)損傷也將導(dǎo)致主梁撓度情況的異常，通過對主梁撓度的

13、監(jiān)測也可識別出這些損傷來。通過撓度監(jiān)測可以達(dá)到以下目的：①修正結(jié)構(gòu)內(nèi)力反演的結(jié)果，確保內(nèi)力狀態(tài)的識別精度；②進(jìn)行基于剛度變化的損傷識別。主梁撓度觀測的主要方法有：水準(zhǔn)測量法、全站儀測量法、專用撓度儀測量法、動態(tài)GPS測量法、液體靜力水準(zhǔn)測量法、連通管測壓法等。,第3節(jié)　橋梁撓度觀測,22,§4　橋梁結(jié)構(gòu)的健康診斷,變形監(jiān)測與變形分析,第十一章　橋梁工程變形監(jiān)測,23,健康診斷理論的發(fā)展,目前，橋梁健康診斷理論的研究主要集中

14、于結(jié)構(gòu)整體性評估和損傷識別。 結(jié)構(gòu)狀態(tài)反演和損傷識別是健康診斷的核心。其目的是建立一個(gè)與橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)適配的結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別系統(tǒng)，能根據(jù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與信號，應(yīng)用結(jié)構(gòu)識別理論和損傷識別方法反演出橋梁的工作狀態(tài)、或識別出可能的結(jié)構(gòu)損傷及其程度。,第4節(jié)　結(jié)構(gòu)的健康診斷,24,研究內(nèi)容,（1） 建立橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)檢測模態(tài)參數(shù)識別方法；（2） 建立基于橋梁結(jié)構(gòu)的各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和結(jié)構(gòu)分析的損傷分級識別策略；（3） 研究各種結(jié)構(gòu)損傷

15、參數(shù)識別方法，優(yōu)選及改造合適的方法應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測和損傷識別；（4） 通過實(shí)體模型試驗(yàn)，對所選損傷識別方法及軟件進(jìn)行實(shí)測對比、驗(yàn)證、優(yōu)選；（5） 通過結(jié)構(gòu)損傷檢測分析方法研究，建立結(jié)構(gòu)損傷報(bào)警系統(tǒng)，以便給橋梁管理部門進(jìn)行人工探傷確認(rèn)及維護(hù)提供方向性的指引。,第4節(jié)　結(jié)構(gòu)的健康診斷,25,輔助決策系統(tǒng)的發(fā)展,橋梁輔助決策系統(tǒng)可以使橋梁管理維護(hù)由被動和盲目走向主動和目標(biāo)明確；在監(jiān)測系統(tǒng)和評估系統(tǒng)的幫助下，可以清楚的了解橋梁主要構(gòu)

16、件的狀態(tài)；在準(zhǔn)確的橋梁結(jié)構(gòu)模型及其結(jié)構(gòu)響應(yīng)模擬分析的基礎(chǔ)上，可以預(yù)測結(jié)構(gòu)在各種可能工況下的反應(yīng)、極限荷載和失效路徑；就可以有針對性的對相關(guān)橋梁構(gòu)件進(jìn)行預(yù)測性或保護(hù)性的維護(hù)以防患未然。,第4節(jié)　結(jié)構(gòu)的健康診斷,26,存在的主要問題（1）,（1） 系統(tǒng)在應(yīng)用程序模式上過于固定，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，程序的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流程是固定的，各模塊之間的調(diào)用順序也是一成不變的，由于當(dāng)代先進(jìn)開發(fā)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，對橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)的要求也不斷的提高，如果采

17、用這種應(yīng)用模式，不利于系統(tǒng)功能的添加和更新。系統(tǒng)缺乏良好的開放性和兼容性。（2） 監(jiān)測內(nèi)容不全面，不足以反映橋梁的整體特性，監(jiān)測系統(tǒng)并沒有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的監(jiān)測，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不足，無法系統(tǒng)的分析和處理數(shù)據(jù)為輔助決策系統(tǒng)服務(wù)。（3） 橋梁監(jiān)測模型理論尚不成熟，用于監(jiān)控橋梁的模型一般都借鑒于大壩或其他方面應(yīng)用比較成功的模型，顯然不能準(zhǔn)確的監(jiān)控橋梁的運(yùn)營狀態(tài)，必須根據(jù)建模理論和經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合工程實(shí)際來確定真正適合其系統(tǒng)本身的模型。,第4節(jié)　結(jié)構(gòu)

18、的健康診斷,27,（4） 對橋梁缺損狀態(tài)的評價(jià)缺乏統(tǒng)一有效的綜合性指標(biāo)，難以反映個(gè)別構(gòu)件的缺損及嚴(yán)重程度對整個(gè)橋梁的影響。（5） 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加了系統(tǒng)評估的難度。橋梁是由多種材料、不同結(jié)構(gòu)組合的大型綜合系統(tǒng)，系統(tǒng)中各個(gè)成分應(yīng)力狀態(tài)易損性不一，剛度、動力特性相差很大，很難用單一的標(biāo)準(zhǔn)評判得到預(yù)期的效果。（6） 已開發(fā)的系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到突發(fā)事件（如撞橋）時(shí)如何從監(jiān)測系統(tǒng)獲得實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)中迅速評估結(jié)構(gòu)的重大損傷情況和整體工作狀

19、態(tài)，從而無法作出快速合理的決策和響應(yīng)。,存在的主要問題（2）,第4節(jié)　結(jié)構(gòu)的健康診斷,28,系統(tǒng)主要功能,（1） 異常測值檢查。利用異常值分析準(zhǔn)則（時(shí)空評判準(zhǔn)則、模型評判準(zhǔn)則、監(jiān)控指標(biāo)評判準(zhǔn)則等）對實(shí)測值進(jìn)行檢查。（2） 結(jié)構(gòu)異常成因分析。排除由觀測因素引起的異常情況須進(jìn)行物理成因分析，其中包括外因分析、內(nèi)因分析，該分析過程需要調(diào)用結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算結(jié)果。（3） 綜合評判。經(jīng)上述分析還未得到結(jié)論時(shí)則進(jìn)入綜合評判處理，根據(jù)能正確反映橋梁安

20、全運(yùn)行基本要求的準(zhǔn)則，利用正確的評判方法得出可用的評判結(jié)果。（4） 結(jié)構(gòu)異常程度以及技術(shù)報(bào)警級別的確定。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，需確定異常程度并調(diào)用輔助決策系統(tǒng)做出相應(yīng)級別的報(bào)警。,第4節(jié)　結(jié)構(gòu)的健康診斷,29,結(jié)構(gòu)安全的綜合評判,橋梁工作性態(tài)的狀況是通過埋設(shè)在橋體內(nèi)的各類監(jiān)測儀器的監(jiān)測信息來反映的。單個(gè)測點(diǎn)的實(shí)測性態(tài)評價(jià)并不能完整地描述橋梁整體的實(shí)際安全狀況，因此，需要對橋梁不同部位、不同項(xiàng)目的實(shí)測性態(tài)進(jìn)行綜合評價(jià)。由于橋梁是有若干個(gè)