舜湖大橋靜載試驗(yàn)自動(dòng)化撓度測(cè)量的研究與分析

何長(zhǎng)江，楊元偉，周兆環(huán)

（1.吳江市盛澤城區(qū)投資發(fā)展有限公司，江蘇吳江 215228；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

橋梁荷載試驗(yàn)中主梁的撓度變形是評(píng)價(jià)橋梁承載能力的重要指標(biāo)之一，它直接反映了橋梁結(jié)構(gòu)的豎向整體剛度。目前常用的橋梁撓度測(cè)量方法主要有水準(zhǔn)儀法、百分表法、靜力水準(zhǔn)儀等方法。

不管是光學(xué)水準(zhǔn)儀還是電子水準(zhǔn)儀，測(cè)量精度基本可以高于±1.0 mm，測(cè)量方便，但是總會(huì)受到視線遮擋、視距長(zhǎng)度的限制，對(duì)于夜間進(jìn)行靜載試驗(yàn)的撓度測(cè)量存在照明上不便的缺陷，對(duì)于大跨徑橋梁的撓度測(cè)量受制于測(cè)距長(zhǎng)度有限，則費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，效率低下。百分表法是一種傳統(tǒng)的撓度測(cè)量方法，測(cè)量準(zhǔn)確，精度高，但百分表的固定的位置往往需要搭設(shè)支架，在使用上對(duì)于大跨徑橋梁受到限制。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，是利用相連的容器，液體總是尋求具有相同勢(shì)能的水平原理，測(cè)量和監(jiān)測(cè)參考點(diǎn)彼此之間的垂直高度的差異和變化量。在人工讀數(shù)的情況下精度可達(dá)1 mm，測(cè)程一般在20 cm以內(nèi)，對(duì)于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)而言，其精度指標(biāo)足以滿足工程要求，但是由于大跨徑橋梁縱向坡度高差較大，靜力水準(zhǔn)儀的量程較小且使用中同一斷面的參考點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)儀必須處于同一個(gè)水準(zhǔn)面高度，從而使其使用受到限制。

大跨度橋梁的迅猛發(fā)展，對(duì)橋梁撓度測(cè)試工作提出了更高的要求，要求更快、更準(zhǔn)確、更高效的測(cè)量橋梁撓度，促進(jìn)了自動(dòng)化撓度測(cè)試的研究。具有自動(dòng)目標(biāo)照準(zhǔn)功能的全站儀的出現(xiàn)和發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化提供了機(jī)遇，基于自動(dòng)化全站儀的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)相繼開(kāi)展起來(lái)。

SOKKIA N ET05是索佳株式會(huì)社發(fā)布的自動(dòng)化3D全站儀,廣泛應(yīng)用于船舶、大橋、交通工具、大型構(gòu)件、隧道和滑坡變形監(jiān)測(cè)等。SOKKIA NET05采用索佳獨(dú)特的IACS(獨(dú)立角度校正系統(tǒng))技術(shù)和增強(qiáng)的絕對(duì)編碼度盤(pán)RAB(隨意雙向編碼)技術(shù),測(cè)角精度為±0.5″,測(cè)距精度為±(0.8 mm+1 ppm×D),能自動(dòng)搜索和照準(zhǔn)棱鏡或反射片,自動(dòng)照準(zhǔn)的范圍為:棱鏡1000 m;反射片50 m,即使多個(gè)棱鏡和其他反射物體都在望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)內(nèi),獨(dú)特的自動(dòng)照準(zhǔn)運(yùn)算法則也能保證精確照準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡十字絲附近的棱鏡目標(biāo)[1]。

采用標(biāo)稱精度為±(1+1×10-6D)mm,±0.5″的測(cè)量機(jī)器人測(cè)量撓度,當(dāng)Da＜50 m,Db＜50 m時(shí),撓度測(cè)量精度優(yōu)于0.6 mm,當(dāng)Da＜150 m,Db＜200 m時(shí),撓度測(cè)量精度優(yōu)于±1 mm,完全能滿足大跨徑橋梁撓度測(cè)量精度要求.（其中Da表示儀器到后視點(diǎn)的平距，Db表示儀器到目標(biāo)點(diǎn)的平距）[2]。在一定測(cè)程范圍內(nèi),定位精度以ATR的精度為主,NET05儀器在精測(cè)方式下識(shí)別定位精度可達(dá)±1 mm,標(biāo)準(zhǔn)測(cè)距方式下識(shí)別定位精度可達(dá)±2 mm。但是儀器測(cè)量精度和儀器本身制造精度水平，外界的氣象條件、觀測(cè)目標(biāo)的背景、棱鏡方向和測(cè)量距離等都有較大影響。

因此，有必要根據(jù)橋梁工程的需求研究一套能夠滿足行業(yè)需求的、特色鮮明、基于自動(dòng)全站儀的自動(dòng)化撓度測(cè)試方法。

1 系統(tǒng)整體功能模塊構(gòu)成

1.1 通訊設(shè)置

通訊是自動(dòng)化撓度測(cè)量的基礎(chǔ)，是自動(dòng)化全站儀和PC主機(jī)之間的指令和測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄骸＼浖梢酝ㄟ^(guò)串口數(shù)據(jù)線按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)無(wú)線通信電臺(tái)模擬串口通信方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線通信，一般通信范圍可達(dá)2～3 km，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)化測(cè)量。

1.2 測(cè)站和定向設(shè)置

讀取和設(shè)置全站儀測(cè)站和后視定向信息，并記錄這些信息，方便后期人工檢算所有測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.3 測(cè)點(diǎn)人工學(xué)習(xí)

測(cè)點(diǎn)學(xué)習(xí)是自動(dòng)化撓度測(cè)量最基本的一項(xiàng)任務(wù)，只有學(xué)習(xí)后的測(cè)點(diǎn)，自動(dòng)全站儀才可以在自動(dòng)測(cè)量模塊里搜索到并進(jìn)行測(cè)量。測(cè)點(diǎn)學(xué)習(xí)操作簡(jiǎn)單，只需進(jìn)入測(cè)點(diǎn)學(xué)習(xí)界面，人工手動(dòng)瞄準(zhǔn)被測(cè)目標(biāo)，軟件即可自動(dòng)精確照準(zhǔn)目標(biāo)，測(cè)量并記錄目標(biāo)的三維坐標(biāo)和目標(biāo)棱鏡類型，棱鏡常數(shù)等參數(shù)。

1.4 自動(dòng)測(cè)量

自動(dòng)測(cè)量時(shí)間設(shè)置，設(shè)置起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間，測(cè)量間隔時(shí)間；測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示。測(cè)量時(shí)，全站儀自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)棱鏡位置方向，同時(shí)，根據(jù)學(xué)習(xí)的目標(biāo)棱鏡參數(shù)設(shè)置目標(biāo)棱鏡類型、棱鏡常數(shù)、目標(biāo)高等信息；目標(biāo)被遮擋時(shí)自動(dòng)延時(shí)觀測(cè)。

1.5 撓度變形數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄、處理和分析

通過(guò)串口通信方式，實(shí)時(shí)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，并計(jì)算測(cè)點(diǎn)在該工況的撓度變化情況，對(duì)于撓度變化值較大的測(cè)點(diǎn)，其記錄會(huì)用黃色背景紅色粗體字高亮顯示。

1.6 測(cè)量點(diǎn)三維空間位置顯示

三維方式顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相關(guān)空間位置圖像，可以縮放、平移、旋轉(zhuǎn)視圖以方便查看監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息。

1.7 測(cè)量日志功能

實(shí)時(shí)記錄整個(gè)測(cè)量過(guò)程的功能，如記錄測(cè)站設(shè)置、測(cè)點(diǎn)學(xué)習(xí)過(guò)程、測(cè)點(diǎn)測(cè)量過(guò)程，記錄包括時(shí)間、測(cè)量概況、數(shù)據(jù)校核情況及重測(cè)記錄等日志內(nèi)容。

1.8 數(shù)據(jù)庫(kù)功能

包含數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查找，表格顯示測(cè)量結(jié)果，圖形顯示測(cè)量變化趨勢(shì)；

2 提高自動(dòng)化撓度測(cè)量精度相關(guān)措施

2.1 自動(dòng)全站儀本身儀器誤差修正

測(cè)量數(shù)據(jù)的自我校核，采用盤(pán)左、盤(pán)右方式測(cè)量一個(gè)測(cè)回，自動(dòng)計(jì)算斜距較差、2C差值、2C互差、2倍指標(biāo)差、超限數(shù)據(jù)自動(dòng)處理，不合格數(shù)據(jù)自動(dòng)重測(cè)。測(cè)站不穩(wěn)定檢測(cè)和處理[3]。

2.2 減少氣象環(huán)境變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

斜距差分改正模型，三角高程差分模型，方位角的差分改正[3]。

3 工程實(shí)際應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

3.1 工程概況和測(cè)點(diǎn)布置

舜湖大橋跨京杭運(yùn)河，主橋?yàn)榭鐝?1 m+123 m獨(dú)塔雙索面混凝土斜拉橋，一跨跨越京杭運(yùn)河，塔、梁、墩固結(jié)體系，不設(shè)輔助墩，主塔采用“H”型主塔，平行直立塔柱；主梁采用分離式混凝土雙主梁；斜拉索采用平行鋼絲成品索，平行扇形雙索面。

本次荷載試驗(yàn)在主梁布置了9個(gè)撓度測(cè)試斷面，見(jiàn)圖1，其中 1—1、3—3、4—4 分別為錨跨 1/4、1/2、3/4 斷面，5—5、7—7、9—9 分別為主跨 1/4、1/2、3/4 斷面，2—2、6—6、8—8 分別為錨跨最大彎矩加載工況、主梁最大負(fù)彎矩加載工況、主梁最大撓度加載工況的撓度控制斷面，各斷面測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

圖1 主梁撓度測(cè)試斷面布置示意圖（單位：m）

圖2 斷面撓度測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

在該工程中，共計(jì)進(jìn)行了初始值觀測(cè)和邊跨加載、邊跨卸載、中跨加載、中跨卸載共計(jì)4個(gè)工況下的撓度測(cè)量。選取邊跨加載和主跨加載工況自動(dòng)化撓度測(cè)試結(jié)果和Sokkia SDL30 m數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，見(jiàn)表1、圖3。

3.3 應(yīng)用結(jié)果比較和分析

從表1、圖3的比較可以看出，2個(gè)加載工況下垂直位移的水準(zhǔn)儀和自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果是基本一致的，誤差均小于2 mm，最大誤差為-1.7 mm，推測(cè)主要原因應(yīng)該和與全站儀和目標(biāo)點(diǎn)的距離長(zhǎng)短有關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

分析當(dāng)前橋梁靜載試驗(yàn)撓度測(cè)量的研究背景和撓度測(cè)量方法的發(fā)展現(xiàn)狀，可見(jiàn)改進(jìn)橋梁靜載試驗(yàn)撓度測(cè)量的方法是很有必要的，通過(guò)研究自動(dòng)化撓度測(cè)量系統(tǒng)的組成和系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，以及利用相關(guān)措施改進(jìn)自動(dòng)化撓度測(cè)量精度，并將研究成果應(yīng)用于舜湖大橋靜載試驗(yàn)撓度測(cè)量中，通過(guò)自動(dòng)化測(cè)量結(jié)果與水準(zhǔn)儀測(cè)量結(jié)果的比較，認(rèn)為自動(dòng)化測(cè)量的方法是可行且結(jié)果是可靠的。

表1 加載工況測(cè)試結(jié)果表

圖3 水準(zhǔn)儀觀測(cè)和自動(dòng)化觀測(cè)結(jié)果比較

[1]李翔,齊冬梅,蔡?hào)|健,等.SOKKIA NET05全站儀自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別精度測(cè)試與分析[J].現(xiàn)代測(cè)繪,2010,33(5):30-32.

[2]余加勇,朱建軍,鄒崢嶸,等.大跨徑橋梁撓度測(cè)量新方法研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,34(10):30-34.

[3]谷川,楊元偉.全站儀自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[J].鐵道勘察,2011(5):1-5.