智能全站儀在大跨徑橋梁荷載試驗中的應(yīng)用

毛建平，周小冬，覃樂勤

(1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西壯族自治區(qū)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(yīng)用

毛建平1，周小冬2，覃樂勤1

(1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西壯族自治區(qū)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(dǎo)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(guān)系曲線，確定了不同角度及距離的測量精度范圍，并結(jié)合實際工程應(yīng)用，將該方法與精密水準(zhǔn)儀測試結(jié)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(jié)構(gòu)受力，是橋梁荷載試驗的重要控制指標(biāo)。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(guān)鍵。如何在保證測量精度的前提下，選擇更加快捷、穩(wěn)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(zhǔn)法、精密水準(zhǔn)法等。各類方法各有優(yōu)缺點，如儀表測量法，精度高、數(shù)據(jù)采集及保存便捷，但受橋梁環(huán)境條件限制大，橋下有水時適用性不強。靜力水準(zhǔn)法精度雖高，但量程較小(一般在20 cm以內(nèi))。精密水準(zhǔn)法配合固定標(biāo)尺，效率及精度均較高，但是此方法對視距有限制，當(dāng)儀器和標(biāo)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(wěn)定的測試設(shè)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(yīng)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(chǎn)品或同期其他公司的產(chǎn)品相比，TS30具有以下幾大優(yōu)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(zhuǎn)速快，基于壓電陶瓷的直接驅(qū)動技術(shù)，可提高轉(zhuǎn)速，儀器最大轉(zhuǎn)速為180°/s，盤左盤右切換≤3 s，大大節(jié)省測量時間。

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

(4)超級搜索(PowerSearch)功能(簡稱：PS技術(shù))，PS技術(shù)可實現(xiàn)在360°范圍內(nèi)對測量目標(biāo)進行快速自動地搜索，配合ATR智能照準(zhǔn)識別系統(tǒng)可實現(xiàn)全自動精確測量。

基于上述功能，配合專門開發(fā)的機載軟件，TS30全站儀可實現(xiàn)自動化測量，是一種精確、高效的測量設(shè)備。

2 測量原理

采用TS30全站儀測試橋梁荷載試驗撓度，準(zhǔn)備工作需將目標(biāo)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(wěn)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(yīng)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(wěn)定需設(shè)置后視點，后視點宜布置在橋跨外的穩(wěn)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(biāo)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(biāo)的斜距；

Da、Db——儀器距目標(biāo)的平距；

αa、αb——儀器距目標(biāo)的豎直角；

ia、ib——儀器高；

va、vb——棱鏡高；

Ka、Kb——大氣折光系數(shù)；

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(xù)時間一般在20 min以內(nèi)，故可認(rèn)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(jù)(4)式可計算的荷載試驗過程目標(biāo)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(wěn)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(jù)公式(5)計算不同距離和豎直角情況下?lián)隙扔^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(guān)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(guān)系曲線如圖2所示。測站點到目標(biāo)點距離增大時，中誤差增長明顯。當(dāng)豎直角在25°以內(nèi)，水平距離在250m以內(nèi)時，撓度測量值中誤差優(yōu)于±1mm。

圖2 水平距離與中誤差變化曲線圖

4 工程應(yīng)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(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)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(guān)鍵的邊、中跨跨中點采用精密水準(zhǔn)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(xù)6 h，完成全橋8個工況的靜載試驗。

(1)全站儀與水準(zhǔn)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(zhǔn)儀測量結(jié)果比較表

注：工況1驗證中跨跨中最大正彎矩效應(yīng)，分3級加載，工況2驗證邊跨最大正彎矩效應(yīng)，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(zhǔn)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(jié)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(jié)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(shù)在0.72～0.84間，對應(yīng)的應(yīng)變校驗系數(shù)在0.45～0.74間，可評定結(jié)構(gòu)強度及剛度均滿足規(guī)范[2]要求。

圖4 中跨最大正彎矩效應(yīng)滿載時撓曲線圖

圖5 邊跨最大正彎矩效應(yīng)滿載時撓曲線圖

5 結(jié)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(zhǔn)目標(biāo)，夜間無需照明可正常工作，避免了精密水準(zhǔn)儀夜間工作困難的問題。夜間氣溫穩(wěn)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(yīng)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(guī)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(jiān)控及加固；

周小冬(1978—)，工程師，從事公路橋梁建設(shè)、管養(yǎng)工作；

覃樂勤(1986—)，工程師，研究方向：橋梁檢測、監(jiān)控及加固。