通信鐵塔主體結(jié)構(gòu)垂直度的檢測技術(shù)研究

郭凱寧

（江西省檢驗檢測認(rèn)證總院鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架檢驗檢測院，江西 撫州 344000）

一、前言

通信鐵塔的設(shè)計、加工、安裝及風(fēng)荷載是評價質(zhì)量的重要指標(biāo)。如何準(zhǔn)確、實效的測量和校核鐵塔儲備使用年限是當(dāng)前鐵塔安裝質(zhì)量檢驗研究的重要課題。通信鐵塔作為一種具有使用功能及有限壽命的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)產(chǎn)品，再投入使用前需要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測，在使用過程中也需要進(jìn)行定期檢測與維護(hù)。現(xiàn)如今廣播通信鐵塔的檢測在客觀上也存在一些問題：（1）鐵塔數(shù)量巨大，分布范圍廣而零散。廣播通信鐵塔通常健在荒郊野外和農(nóng)村地區(qū)，處于無人看管、常年承受風(fēng)吹日曬雨淋的環(huán)境，造成傳統(tǒng)方式的鐵塔檢測面臨人少不足的問題；（2）隨著近年來通信部門基站建設(shè)數(shù)量的激增，部分建設(shè)部門和維護(hù)部門在思想上“重建設(shè)速度、輕質(zhì)量檢測”；（3）傳統(tǒng)的鐵塔檢測方式費(fèi)時費(fèi)工效率低下，建設(shè)部門缺乏系統(tǒng)化檢測所必須的技術(shù)與儀器[1]。

目前對通信鐵塔質(zhì)量檢測普片仍然依靠人工爬塔對其主要質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行測量，存在一定的危險性和測量結(jié)果的不確定性，同時也存在著現(xiàn)場檢測效率低，檢測速度慢等不足之處，當(dāng)前國內(nèi)對鐵塔主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗僅限于經(jīng)緯儀測量，然而受鐵塔安裝地形地貌的空間限制，必然帶來高程傳遞誤差。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和測繪儀器的開發(fā)，研究采用全站儀、三維激光掃描儀對鐵塔安裝質(zhì)量進(jìn)行全面檢驗與安全評估，對鐵塔主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測的先進(jìn)性和科學(xué)性具有重要意義。

二、項目實施方案

1.研究內(nèi)容：采用三種儀器對不同類型的鐵塔進(jìn)行安裝質(zhì)量檢測，分析比較檢驗結(jié)果的精度及可靠性；研究什么情況下用什么儀器用具體檢測方法測量精度更高等內(nèi)容。

2.研究目標(biāo)：采用經(jīng)緯儀、全站儀三角高程測量、三維激光掃描儀的精度及可靠性；全面對廣播通信鐵塔的安裝質(zhì)量進(jìn)行分析比較，為今后鐵塔使用儲備年限提供具體數(shù)據(jù)及依據(jù)。

3.實施方案與擬采用的技術(shù)路線：分別采用三種儀器對不同類型的鐵塔檢測其安裝質(zhì)量，依據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，分析三種儀器的測量精度；同時針對各種類型鐵塔確定檢測方案，提高檢測效率。

根據(jù)通信鐵塔主材類型通常分為以下幾類：

a.角鋼塔：主材及腹桿主要采用角鋼制作的鐵塔。根據(jù)截面變數(shù)不同有三角塔、四角塔、五角塔、六角塔、八角塔。常用的為三角塔和四角塔。

b.鋼管塔：主材采用鋼管，腹桿等采用角鋼或者鋼管制作的鐵塔。根據(jù)截面變數(shù)不同有三角塔、四角塔、五角塔、六角塔、八角塔。常用的為三角塔和四角塔。

c.單管塔：整塔身采用單根大直徑鋼管制作的懸臂式構(gòu)筑物。根據(jù)連接形式分為法蘭單管塔、插接式單管塔。

d.桅桿（增高架）或拉線塔：由中央立柱和纖繩（或拉索）構(gòu)成的高聳鋼結(jié)構(gòu)。根據(jù)落地形式分為屋面桅桿（增高架）或拉線塔和落地式桅桿（增高架）或拉線塔。

三、檢測技術(shù)方法

經(jīng)通過對各種塔型的研究，對每種塔型分別使用經(jīng)緯儀、全站儀、三維激光掃描儀三種儀器測量鐵塔的垂直度，經(jīng)反復(fù)研究論證，分類整理了三種測量方法，整理如下：

1、經(jīng)緯儀測量單管塔垂直度

此法要求有足夠大的測量場地，使用經(jīng)過計量檢定（校準(zhǔn)）合格經(jīng)緯儀應(yīng)安置在離鋼塔桅 1.5 倍左右塔高的對向垂直方向安置固定觀測點(diǎn)處，觀測方向設(shè)在塔柱中心點(diǎn)延長線上，其偏差大小將會影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

設(shè)置測站點(diǎn)O1，測量點(diǎn)號布置圖見圖1，盤左分別測量A1、B1、A2、B2 水平角度數(shù)，然后再盤右分別測量A1、B1、A2、B2 水平角度數(shù)，分別計算∠A2O1B1、∠A2O1A1、∠A2O1B2半測回角度值和一測回角度平均值，將“角度值垂直度偏差”換算為“長度值垂直度偏差”，單管塔頂部直徑為一定值。我們將其定值進(jìn)行中間環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換，計算出一單位“角度值垂直度偏差”所對應(yīng)的單位“長度值垂直度偏差”（1mm），即，垂直度=。在觀測點(diǎn)O1 的垂直方向再次設(shè)置觀測點(diǎn)O2，重復(fù)上述步驟，整塔垂直度為兩次測量的矢量和。

2、全站儀測量角鋼塔（鋼管塔）垂直度

此法同樣要求有足夠大的測量場地，使用經(jīng)過計量檢定（校準(zhǔn)）合格經(jīng)緯儀應(yīng)安置在離鋼塔桅 1.5 倍左右塔高的對向垂直方向安置固定觀測點(diǎn)處，觀測方向設(shè)在塔柱中心點(diǎn)延長線上，其偏差大小將會影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

a.鐵塔高度

設(shè)地6 點(diǎn)坐標(biāo)為（X6,Y6,Z6），第7 點(diǎn)坐標(biāo)為（X7,Y7,Z7）。

b.鐵塔垂直度

設(shè)在鐵塔上任意兩個位置選取中心線上的兩點(diǎn)，其第1點(diǎn)坐標(biāo)為（X1,Y1,Z1）,第2 點(diǎn)坐標(biāo)為（X2,Y2,Z2），可計算鐵塔偏離豎直線的角度為：

鐵塔垂直度為：L=H*tanβ

3、三維激光掃描儀測量角鋼塔（鋼管塔）垂直度

a.通信塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

激光掃描系統(tǒng)使用的是儀器自定義的坐標(biāo)系統(tǒng)：X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。每站掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)由于儀器架設(shè)位置不同導(dǎo)致坐標(biāo)系統(tǒng)不相同，為將各站數(shù)據(jù)在相同坐標(biāo)系下拼接成完整通信塔，選擇第一站儀器坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)進(jìn)行拼接，結(jié)果如圖3 所示。

b.通信塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

通信塔屬于點(diǎn)式高聳建筑物，塔腳基礎(chǔ)規(guī)模相對不大、單塔占地面積較少，塔身同一高度處截面為矩形，對傾斜變形非常敏感。

通信塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)量在七百萬以上，數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜、時間長，且多數(shù)點(diǎn)云對研究結(jié)果無影響。采取分層的方式減少數(shù)據(jù)量，且點(diǎn)云切片從上到下能夠反映鐵塔的整體情況。

從距鐵塔底部1.5-26.5m 處點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，選取塔身部分按照步長1m,切片厚度1cm 進(jìn)行分層處理，共獲得38 個點(diǎn)云切片。計算每層點(diǎn)云切片的平均高程，將點(diǎn)云投影到平均高程所在的平面，分層結(jié)果如圖4 所示。

再通過邊界提取、邊界分割、直線擬合及切片角點(diǎn)計算，最終獲得26 個切片邊界分割結(jié)果，采用穩(wěn)健整體最小二乘方法對分割后的邊界進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5（a）所示。根據(jù)擬合的直線參數(shù)，相交直線計算切片角點(diǎn)坐標(biāo)和切片中心坐標(biāo)，鐵塔線框圖如圖5（b）所示。

c.數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

底層切片中心為基礎(chǔ)，認(rèn)為未發(fā)生偏移，計算底層中心坐標(biāo)求x,y 差值，按照鐵塔垂直度計算各層垂直度，計算結(jié)果如表1 所示。

表1 鐵塔各層中心坐標(biāo)及垂直度計算結(jié)果

G=E/H×100%

式中：G 為垂直度，E 為傾斜后偏移距離，H 為對應(yīng)的高度。

四、結(jié)論

本文介紹了三種不同的測量方法，可操作性強(qiáng)。通過使用三種不同測量儀器對不同塔型的通信鐵塔進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量檢測后，得出如下結(jié)論：

a.檢測單管塔、拉線塔及桅桿的安裝質(zhì)量可采用測量角度方法進(jìn)行檢測，檢測設(shè)備可采用經(jīng)緯儀或者全站儀；

b.檢測角鋼塔或者鋼管塔的安裝質(zhì)量可采用測量坐標(biāo)方法進(jìn)行檢測，檢測設(shè)備可采用全站儀或者三維激光掃描儀；

現(xiàn)場檢測通信鐵塔時，需根據(jù)鐵塔所處的實際地理位置，通視條件、委托方的要求等情況，合理選擇檢測方法。