大跨度橋梁橋面線形測量新方法

徐進軍，廖　驊，韓達光，邢　誠

(1. 武漢大學精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北 武漢 430079；

2. 中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

New Methods for Deflection Measurement of Bridge with Large Span

XU Jinjun，LIAO Hua，HAN Daguang，XING Cheng

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大跨度橋梁橋面線形測量新方法

徐進軍1，廖驊1，韓達光2，邢誠1

(1. 武漢大學精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北 武漢 430079；

2. 中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

New Methods for Deflection Measurement of Bridge with Large Span

XU Jinjun，LIAO Hua，HAN Daguang，XING Cheng

摘要：對于大跨徑橋梁而言，在荷載試驗中獲得全橋線形狀況具有很重要的意義。本文首先介紹了現(xiàn)有4種全橋線形測量方法及其特點，然后以某大橋靜態(tài)荷載試驗為例，重點討論了地面三維激光掃描技術(shù)和地基雷達干涉測量技術(shù)的特點、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與變形對比。結(jié)果驗證了新方法的有效性。

關(guān)鍵詞：全橋線形；地面三維激光掃描；地基雷達干涉測量；靜態(tài)荷載試驗

一、現(xiàn)有全橋線形測量方法

橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗是在對橋梁結(jié)構(gòu)進行直接加載后的一項測量橋梁結(jié)構(gòu)一系列幾何和物理參數(shù)的科學試驗工作。通過荷載試驗，可以了解試驗荷載作用下的橋梁結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載能力，評價營運質(zhì)量。荷載下全橋線形狀態(tài)測量是其中的一項重要工作內(nèi)容，要獲取全橋線形，必須測量整個橋軸線上不同位置處的高程變化。現(xiàn)階段全橋線形測量技術(shù)主要采用幾何水準測量、三角高程測量、連通管及傾斜儀測量等。這些技術(shù)方法的特點簡述如下。

1) 幾何水準測量[1-2]：在橋面的橋軸線方向上埋設(shè)水準點，采用精密幾何水準測量方法，與岸上固定的水準點聯(lián)測，獲得各水準點的高程。不同狀態(tài)下各水準點高程之差可得到沉降值，進而得到橋體線形，如圖1所示。

圖1　水準測量法的撓度測量

這種方法作業(yè)簡單，測程大、精度高，但水準點埋設(shè)和外業(yè)測量等的工作量大，對較長的橋梁，測量時間較長 。

2) 三角高程測量[3-4]：也稱全站儀測量法。在通視好、穩(wěn)定的地方架設(shè)全站儀，一般在橋體側(cè)面安置反射棱鏡，同時在岸坡或橋墩(臺)等穩(wěn)定處安置反射棱鏡。測量同一狀態(tài)下各棱鏡點的三維坐標，反算出橋體側(cè)面的棱鏡點間的水平距離與其相對于穩(wěn)定處棱鏡點的高程。對不同狀態(tài)下高程進行比較得到高差，進而得到橋體線形，如圖2所示。

圖2　全站儀法的撓度測量

這種方法測量簡單靈活，測程長，不受地形條件限制，測量工作量小。由于單向測量，為了最大限度消除球氣差影響，一般適合在晚上測量。同時，過大的垂直角容易產(chǎn)生較大的高程誤差。

3) 連通管測量[5-6]：在橋墩固定不變的位置上放置容量較大的母容器(基準桶)，在橋梁不同部位安置子容器，將連接各子容器和母容器的連通管固定在橋體側(cè)壁上。在各容器的上部安置有位移傳感器，可自動、連續(xù)地讀取液面高度的變化。通過計算兩個時刻各個容器高度變化來獲取出各子容器部位相對于母容器部位的高程變化，進而確定橋體的線形狀態(tài)，如圖3所示。

圖3　連通管法的撓度測量

連通管式傳感器可以達到毫米級的測量精度，且能夠?qū)崿F(xiàn)多點沉降的同步監(jiān)測。安置完成以后，具有測量精度高、不受測量距離限制及橋梁現(xiàn)場雨霧的影響等優(yōu)點。通過通信技術(shù)與計算機相連，實現(xiàn)長期實時監(jiān)測。不足之處是初期的安置和調(diào)試比較費力，中途維護需要一定的成本，測量結(jié)果受溫度影響較大，量程有限。

4) 傾斜儀測量[7]：也稱傾角法測量。沿橋軸線方向在橋梁不同部位埋設(shè)傾角儀。假定初始狀態(tài)下是水平的，傾角為0。發(fā)生沉降后該點測量切線與其截面傾角為α。根據(jù)不同部位的傾角值可擬合出撓度曲線，這樣就可以求得橋梁上線形狀態(tài)，如圖4所示。

圖4　傾角法的撓度測量

這種測量方法簡單可靠，但需要預先進行軸線放樣，確定儀器的埋設(shè)方向。與連通管一樣，先期準備工作較大，測程受到一定限制；需要補點時相對比較麻煩。

上述的橋面線形測量方法可以歸納成單點、接觸式的測量模式，即要在橋體上預先埋設(shè)測點，而且埋設(shè)的測量是有限的。新的測量技術(shù)——地面三維激光掃描技術(shù)和地基雷達干涉測量技術(shù)采用了無接觸、連續(xù)面式或連續(xù)線式及準實時測量，省去了大量設(shè)備埋設(shè)工作，同時可以從細部上了解橋梁整體結(jié)構(gòu)的實際變形狀態(tài)，便于實現(xiàn)全橋的線形測量與分析，是對已有測量方法的有效補充。

二、橋面線形測量的新技術(shù)

1. 工程概況

位于長江主河道的某特大型橋梁，橋型為三塔斜拉橋，兩個主跨約為616 m，雙向6車道，橋面寬度為29.5 m，通車前進行了靜態(tài)荷載試驗。

本文中的測量只在一個跨上進行。該跨上的靜態(tài)荷載全程可以分成4種工況：

1) 工況1——空載：橋面上沒有荷載。

2) 工況2——半載：橋面跨中央加載設(shè)計荷載的一半。

3) 工況3——滿載：橋面跨中央加滿設(shè)計荷載。

4) 工況4——空載：荷載駛離后橋面上沒有荷載。

在整個過程中，采用了地基雷達干涉測量儀對橋底在不同工況下的變形進行連續(xù)測量，同時在江堤上利用地面三維激光掃描儀對塔柱和橋體進行了測量。

2. 基于地基雷達干涉測量技術(shù)的橋線性測量

干涉測量成像(image by interfereometric survey，IBIS)系統(tǒng)能夠?qū)δ繕宋镞M行遠距離、大范圍的全天候連續(xù)監(jiān)測，可測量目標物在雷達視線向的精確變化量。IBIS系統(tǒng)包括IBIS-S、IBIS-L和IBIS-M 3種型號。

IBIS-S 系統(tǒng)主要應用于高層建筑、橋梁、高塔等線狀目標物的微小形變監(jiān)測。其最大監(jiān)測距離為1 km，視線上的距離分辨率為0.5 m，最大采樣頻率可達 200 Hz。由于采用了干涉法測量距離的變化，因此，視線上長度變化的測量精度可達0.01~0.1 mm。由于地基雷達系統(tǒng)在時間和空間上具有較高分辨率，從其形變監(jiān)測數(shù)據(jù)中可提取多個連續(xù)分辨單元的形變時間序列，分析其撓度、線形和震動特征[8]。

對該大橋進行線形監(jiān)測時，先將儀器置于橋底下面，調(diào)整儀器測量方向。對某一變形單元，儀器能測量出其中心到該單元的視線向長度(斜距)R及該視線向上長度的微小變化r(如圖5所示)。要得到該單元在垂直方向的微小變化d，還需要進行必要的變換。為此，需要測量出儀器到橋底面的高度h，然后通過三角形相似關(guān)系，將視線向的變化量r轉(zhuǎn)換到垂直方向的變化量d，即

(1)

以近岸橋墩為起點，對數(shù)據(jù)進行相應處理后發(fā)現(xiàn)：靜載試驗中，跨中單元在時刻1600s左右第1批負載車輛駛?cè)霕蚩?半載)，2800s進入第2批負載車輛(滿載)，3900s車輛駛離橋垮(空載)，車輛的進入和駛出均有一個逐漸穩(wěn)定的過程(如圖6所示)。跨中(離橋臺近300m處)變量最大，向兩側(cè)逐漸減小，有很強的對稱性[9](如圖7所示)。

圖5　GB-SAR監(jiān)測與沉降歸算

圖6　GB-SAR跨中點的變形曲線

圖7　不同工況下的GB-SAR測量的線形曲線

3. 基于地面三維激光掃描技術(shù)的橋線性測量

地面三維激光掃描儀的單點三維坐標的測量方式與免棱鏡全站儀相同，即其距離測量時利用了物體表面的漫反射，也就是免棱鏡模式，通過掃描實現(xiàn)對物體表面點三維坐標的高精度、高速度和高密度測量。目前掃描儀的測量速度在百萬次每秒，精度在百米左右能達到毫米級，更長距離多在厘米級。基于此，可以利用該技術(shù)實現(xiàn)準實時的動態(tài)監(jiān)測，并應用到橋梁的線性測量中。

在合適的位置安置整平掃描儀，安置地點需穩(wěn)定、少干擾，且盡可能增加掃描測量面積大，以便于提高精度和增加測程。在不同荷載狀態(tài)下，對整個橋底面進行掃描。整個荷載試驗期間保持掃描儀不動，保證變形值在同一基準下。由于兩期掃描測量的點具有不可重復性，因此，不能夠按照常規(guī)單點分析方法進行， 而須結(jié)合具體的測量對象和點云測量狀況，采用適合的數(shù)據(jù)處理方法[10-11]。

采用Riegl VZ400地面三維激光掃描儀，該大橋的橋底面照片及其掃描點云如圖8所示。由于測量時要顧及塔柱，因此此次所能測量的橋底部長度100多米。其中儀器距橋底最近處約300 m，最遠處約400 m。

圖8　橋底照片與掃描點云

為了便于變形分析與解釋，首先根據(jù)儀器全景掃描獲得的點云，選取特征點(如橋側(cè)面的等高點)，實現(xiàn)掃描點云從儀器坐標系到橋軸坐標系的轉(zhuǎn)換。

橋底掃描獲取的點云都是線狀，這些掃描線具有一定的寬度和厚度。為了盡可能消除粗差點，采用RANSAC算法擬合空間直線。為提高計算效率，直接選取了點云線的兩端的一段點集作為RANSAC的初始值。利用RANSAC算法可得到各條掃描線的空間直線方程

(2)

圖9　不同工況下的掃描測量的線形曲線

圖10　不同工況下的撓度曲線

在超過300m的距離內(nèi)能達到這樣的結(jié)果，符合設(shè)備標稱精度，比較理想。如果將掃描儀置于橋底進行測量，大大縮短測量距離，則既可提高精度，又可以顯著增加所測量的橋底長度，將會得到更好的結(jié)果。

三、結(jié)束語

地面三維激光掃描技術(shù)和地基雷達干涉測量技術(shù)，具有無接觸、大測程、準實時、高幾何分辨率等特點，可對現(xiàn)有的測量技術(shù)進行有效補充。就目前而言，地基雷達干涉測量的設(shè)備精度最高，但費用較高，容易受到外界水汽變化和變形體周圍物體反射的影響；地面三維激光掃描在測量精度和測程上還有待進一步改進和提升。因此，結(jié)合工程的具體情況，選擇優(yōu)勢互補的測量技術(shù)相互融合，將是獲取目標物高分辨率、高精度、多維度變形信息的有效手段。

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引文格式： 徐進軍，廖驊，韓達光，等. 大跨度橋梁橋面線形測量新方法[J].測繪通報，2016(1)：91-94.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0023.

作者簡介：徐進軍(1966—)，男，教授，主要從事精密工程測量及變形監(jiān)測與分析方面的教學與研究工作。E-mail: jjxu@sgg.whu.edu.cn

收稿日期：2014-09-25

中圖分類號：P258

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)01-0091-04