橋梁墩柱豎直度檢測方法及其精度分析

崔后吉

(安徽省公路工程檢測中心；橋梁與隧道工程檢測安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230051)

橋梁墩柱的豎直度將直接影響到橋梁結構的受力狀態(tài)，因此高效而準確的豎直度檢測是非常必要的。一些學者對豎直度檢測方法進行了研究，寇光明[1]總結了坐標法、垂線法、弧長公式法、全站儀+直尺法的優(yōu)缺點，余加勇等[2]提出了柱狀構筑物垂直度非接觸檢測方法，還有一些學者提出了采用全站儀對圓柱進行偏心測量,等等。

文獻[3]對橋梁墩柱的豎直度允許偏差規(guī)定見表1。對比該文獻2004版本的相關規(guī)定：0.3%H且不大于20 mm(H為墩柱高度),可以發(fā)現(xiàn)新標準對于工程中常見的高度20m內墩柱豎直度要求更高。新的變化從一方面可以表明豎直度指標的重要性，另一方面也意味著我們在選用豎直度檢測方法時須更加注重精度。本文通過對垂線法、經(jīng)緯儀法以及全站儀平距法進行分析，得出一些有益結論。

表1 豎直度允許偏差

1 垂線法

圖1中的Δd代表的就是橋梁墩柱豎直度。

圖1 橋梁墩柱豎直度

沿墩柱測試部位吊下線錘，線錘應盡量靠近墩柱表面且留有空隙。待線錘穩(wěn)定后，用量尺量取墩柱上部表面到垂線的水平距離和下部表面到垂線的水平距離，兩者之差即為該測試部位的豎直度。

垂線法是豎直度檢測的傳統(tǒng)方法，不需要借助復雜的儀器設備，非常適合施工過程中模板的快速校正以及矮墩的豎直度檢測。但該方法對環(huán)境條件要求較高，表2[4]列出了10 m高度不同風力等級下垂線的擺動幅度。

表2 垂線受風力的影響

由表2可以看出，風力在2級時，垂線的擺動幅度就達到了2 mm。因此，檢測只能選在無風的條件下進行。同時還需要將人員送到墩柱頂部，對檢測人員的責任心要求較高，控制精度比其他方法略差。

2 經(jīng)緯儀法

筆者以為使用經(jīng)緯儀測豎直度有兩種方法。

第一種方法是用經(jīng)緯儀瞄準墩柱頂部邊緣，鎖定水平盤后旋轉豎盤至墩柱底部，解鎖水平盤，微調至瞄準墩柱底部邊緣，記錄此轉動角度α，如圖1所示。同時測量儀器到墩柱邊緣之間的距離s，利用弧長計算公式計算豎直度：

Δd=απs/180

(1)

圖2 經(jīng)緯儀法一

該方法的優(yōu)點是比垂線法的精度高。σα為測角中誤差，σs為測距中誤差，則根據(jù)公式(1)推導出豎直度的中誤差σd的計算公式如下：

(2)

不妨取測角中誤差2″，測距中誤差0.05 m，繪制等值線如圖3所示。

圖3 豎直度中誤差等值圖(單位：mm)

由圖3可知,在角度小于1°、距離小于40 m的范圍內，豎直度檢測精度優(yōu)于1 mm。

第二種方法是利用經(jīng)緯儀提供的“鉛垂線”，用鋼直尺量取墩柱上部表面到“鉛垂線”的水平距離和下部表面到“鉛垂線”的水平距離。水平距離通過儀器望遠鏡中的“鉛垂線”與鋼直尺交點讀取，兩者之差即為該測試部位的豎直度。為簡化測量，可使“鉛垂線”與墩柱上部表面重合。

圖4 經(jīng)緯儀法二

可以看出，第二種方法是第一種方法的簡化，使用時應注意直尺的擺放位置和角度。經(jīng)緯儀法的缺點是需要用鋼尺測量儀器與墩柱的距離且需要多次架設儀器，受地勢影響非常大。

3 全站儀平距法

在墩柱測試正面架設全站儀，利用全站儀免棱鏡的測距功能，測量墩柱上部表面到儀器的水平距離，鎖定水平盤后旋轉豎盤，測量下部表面到儀器的水平距離，兩者之差即為該測試部位的豎直度。同時可用全站儀測量測試范圍內墩柱的高度。

對于圓形截面墩柱，應采用全站儀對墩柱外表面進行角度測量，計算墩柱上下部位的中心點后進行平距測試，如圖5如示。

圖5 中心點確定示意圖

全站儀平距法的精度取決于儀器精度。以拓普康MS05全站儀為例，其免棱鏡模式測距標稱精度1 mm。根據(jù)大量的實驗反饋，實際的精度要優(yōu)于其標稱精度。全站儀平距法需要檢測人熟知儀器的用戶手冊和相關規(guī)范規(guī)定，全面了解所用儀器的性能、原理、各項參數(shù)的意義和設置，做到知其然并知其所以然，才能避免人為地降低檢測成果的精度。

該方法和經(jīng)緯儀法的精度相近，但受地勢影響小，可輕松獲得墩柱的高度，且無須用鋼卷尺量測距離。缺點是對于圓形截面墩柱仍需要多次架設儀器。筆者認為此情況下可以將其與經(jīng)緯儀法相結合，相當于一次建站完成兩個方向的豎直度檢測。

4 結 論

由上述分析得出如下結論：

(1)經(jīng)緯儀法和全站儀平距法的精度相近，垂線法次之。

(2)垂線法受環(huán)境影響大，經(jīng)緯儀法受地勢影響大，全站儀平距法對檢測人員能力要求高。三種方法各有優(yōu)缺點，現(xiàn)場檢測時應根據(jù)條件合理選擇檢測方法。

(3)對于圓形截面墩柱，可以將全站儀平距法和經(jīng)緯儀法結合使用，提高檢測效率。

(4)無論采用哪種方法，都需要測試部位的混凝土表面潔凈、平整。