智能全站儀在大跨徑橋梁荷載試驗中的應用

毛建平，周小冬，覃樂勤

(1.廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西壯族自治區沿海公路管理局，廣西 欽州 535000)

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智能全站儀在大跨徑橋梁荷載試驗中的應用

毛建平1，周小冬2，覃樂勤1

(1.廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西壯族自治區沿海公路管理局，廣西 欽州 535000)

文章基于智能全站儀的測量原理，采用誤差傳播定律推導了全站儀測量撓度的精度表達式，擬合出中誤差與測量角度及測量距離的關系曲線，確定了不同角度及距離的測量精度范圍，并結合實際工程應用，將該方法與精密水準儀測試結果進行比較分析，驗證了該方法在大跨徑橋梁荷載試驗中完全滿足測試要求。

智能全站儀；大跨徑橋梁；荷載試驗；精度

0 引言

橋梁的撓度反映橋梁結構受力，是橋梁荷載試驗的重要控制指標。橋梁荷載試驗時間有限，撓度測量工作往往費事費力，成為橋梁試驗成敗的關鍵。如何在保證測量精度的前提下，選擇更加快捷、穩定的測量方法對于橋梁荷載試驗意義重大。

目前橋梁荷載試驗過程撓度測量的常用方法有：儀表測量法，靜力水準法、精密水準法等。各類方法各有優缺點，如儀表測量法，精度高、數據采集及保存便捷，但受橋梁環境條件限制大，橋下有水時適用性不強。靜力水準法精度雖高，但量程較小(一般在20 cm以內)。精密水準法配合固定標尺，效率及精度均較高，但是此方法對視距有限制，當儀器和標尺距離超過50 m時，效果不佳[1]。

對于大跨徑、高落差的橋梁荷載試驗的撓度測試，急需一種精度高且快捷、穩定的測試設備，智能全站儀不失為一種選擇。以下以Leica公司的TS30智能全站儀為例，對其在大跨徑橋梁荷載試驗中的應用進行探討。

1 TS30智能全站儀特點

2009年徠卡測量公司推出TS30全站儀，是一款替代TCA 2003的高精度智能型測量機器人。與以前同類產品或同期其他公司的產品相比，TS30具有以下幾大優勢：

(1)高精度，測角精度：±0.5″，有棱鏡工作，測距精度：0.6 mm+1 PPM。

(2)轉速快，基于壓電陶瓷的直接驅動技術，可提高轉速，儀器最大轉速為180°/s，盤左盤右切換≤3 s，大大節省測量時間。

(3)高智能目標識別能力，儀器自帶的ATR智能照準識別系統，其自動目標識別距離最大可達1 000 m。

(4)超級搜索(PowerSearch)功能(簡稱：PS技術)，PS技術可實現在360°范圍內對測量目標進行快速自動地搜索，配合ATR智能照準識別系統可實現全自動精確測量。

基于上述功能，配合專門開發的機載軟件，TS30全站儀可實現自動化測量，是一種精確、高效的測量設備。

2 測量原理

采用TS30全站儀測試橋梁荷載試驗撓度，準備工作需將目標棱鏡安裝在事先計劃好的測點位置處。再確定測站點，條件允許的情況下宜盡量將儀器置于橋梁外穩固處，如不滿足條件可將儀器置于墩頂處橋面上。為保證精度要求，應確保測站與棱鏡位置盡量接近，且豎直角盡量小。為檢驗儀器是否穩定需設置后視點，后視點宜布置在橋跨外的穩定位置處。

試驗開始后，全站儀觀測加載前高差ha，加載后高差hb，目標點的撓度值公式為：

ω=hb-ha

(1)

每次高差測試值公式為：

(2)

(3)

式中：

La、Lb——儀器距目標的斜距；

Da、Db——儀器距目標的平距；

αa、αb——儀器距目標的豎直角；

ia、ib——儀器高；

va、vb——棱鏡高；

Ka、Kb——大氣折光系數；

R——地球曲率半徑。

荷載試驗過程儀器和棱鏡固定，且每工況持續時間一般在20 min以內，故可認為：ia=ib，va=vb，La=Lb=L，Da=Db=D，Ka=Kb=K，則有：

ω=hb-ha=L·(sinαb-sinαa)

(4)

根據(4)式可計算的荷載試驗過程目標點的撓度值，上述計算可由儀器自帶程序自行完成。

3 精度分析

對式(4)進行全微分，利用誤差傳播定律可得撓度中誤差，見下式：

(5)

式中：

mω——撓度中誤差；

mL、mα——測距及角度中誤差，考慮加載前后觀測條件穩定，儀器以及棱鏡固定不動，故該兩中誤差每次測量均相等。TS30全站儀測距精度mL=0.6 mm+1 PPM，測角精度mα=±0.5″。根據公式(5)計算不同距離和豎直角情況下撓度觀測的精度估算值，見表1。

表1 全站儀觀測撓度精度估算值(mm)表

撓度中誤差與豎直角的關系曲線如圖1所示。由圖可知中誤差隨水平距離及豎直角增大而增大，測量距離越短豎直角影響越大，隨測量距離增大豎直角的影響越小。

圖1 豎直角與中誤差變化曲線圖

撓度中誤差與水平距離的關系曲線如圖2所示。測站點到目標點距離增大時，中誤差增長明顯。當豎直角在25°以內，水平距離在250m以內時，撓度測量值中誤差優于±1mm。

圖2 水平距離與中誤差變化曲線圖

4 工程應用

廣西南寧市葫蘆頂大橋位于南寧市東南邊，是跨越邕江的一座預應力連續剛構橋。該橋全長1 127.8 m，其中，主橋長480 m，跨徑組合：(125+230+125)m。為檢驗橋梁實際承載能力，對該橋進行了靜載試驗。主橋撓度測試采用TS30智能全站儀測試，并在關鍵的邊、中跨跨中點采用精密水準儀(DINI 03型)進行輔助測量，測點布置情況如圖3所示。

圖3 撓度測點布置示意圖(單位：cm)

本次試驗在夜間進行，利用TS30智能全站儀多測回自動測量功能，大大提高了試驗效率，整個試驗持續6 h，完成全橋8個工況的靜載試驗。

(1)全站儀與水準儀測量值比較

將主橋邊、中跨主要工況滿載時各測點彈性撓度值與理論值進行比較，見表2。

表2 全站儀與水準儀測量結果比較表

注：工況1驗證中跨跨中最大正彎矩效應，分3級加載，工況2驗證邊跨最大正彎矩效應，分2級加載

由表2可知：同工況同測點采用全站儀測量撓度值與精密水準儀測量撓度的差值絕對值<0.21 mm，相對誤差<2.91%，兩者非常接近，可判斷測試結果的有效性，同時也說明采用TS30智能全站儀測量橋梁試驗撓度的可靠性。

(2)測試結果與理論值進行比較

將主橋邊、中跨主要工況滿載時各測點彈性撓度值與理論值進行比較，其撓曲線見圖4～5。主橋撓度校驗系數在0.72～0.84間，對應的應變校驗系數在0.45～0.74間，可評定結構強度及剛度均滿足規范[2]要求。

圖4 中跨最大正彎矩效應滿載時撓曲線圖

圖5 邊跨最大正彎矩效應滿載時撓曲線圖

5 結語

(1)對于大跨徑或高落差的橋梁采用智能全站儀測試撓度是可行的，其精度滿足試驗要求。

(2)TS30智能型全站儀具有的自動搜索及自動多測回測量功能，可大大提高測試精度及效率，對時間要求緊迫的橋梁荷載試驗有較好的適用性。

(3)全站儀采用紅外光束照準目標，夜間無需照明可正常工作，避免了精密水準儀夜間工作困難的問題。夜間氣溫穩定，亦可避開強光干擾，建議荷載試驗均選擇夜間進行。

[1]余加勇，彭旺虎，朱建軍，等.測量機器人在大跨徑橋梁檢測中的應用研究[J].中南公路工程，2007(6)：33.

[2]JTG/T J21-2011，公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].

Application of Intelligent Total Station in Large-span Bridge Load Test

MAO Jian-ping1，ZHOU Xiao-dong2，QIN Le-qin1

(1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029；2.Guangxi Coastal Highway Administration，Qinzhou，Guangxi，535000)

Based on the measuring principle of total station，this article derived the deflection measure-ment accuracy expressions of total station by using the error propagation method，fitted out the relation-ship curve among the errors and measurement angle and measurement distance，determined the measurement accuracy range of different angles and distances，and then combined with practical engi-neering application，it compared and analyzed this method with the test results by precise level，and verified that this method fully meets the test requirements in large-span bridge load tests.

Intelligent total station；Large-span bridges；Load test；Accuracy

U441+.2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.09.023

1673-4874(2016)09-0087-03

2016-04-20

毛建平(1985—)，工程師，研究方向：橋梁檢測、監控及加固；

周小冬(1978—)，工程師，從事公路橋梁建設、管養工作；

覃樂勤(1986—)，工程師，研究方向：橋梁檢測、監控及加固。