橋梁高墩柱垂直度的快速檢測方法研究

劉亞杰，丁克良，*，關(guān)士新，林俊華，劉明亮

（1.北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京100044；2.河南省淮陽縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，河南 淮陽466700）

0 引言

近年來隨著我國高速公路的快速發(fā)展，橋梁中高墩柱的使用越來越普遍，在橋梁的施工過程中，橋梁墩柱的垂直度極易影響到橋梁的受力狀態(tài)，因此垂直度檢測顯得尤為重要。JTG F80／1—2012《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》對橋梁墩柱垂直度的允許偏差以及檢查方法和頻率做了如下要求：采用吊線錘的方法檢查橋梁4～8處，橋梁墩柱傾斜度 ＜0.3%H（H為墩身或柱高度）且 ＜20 mm［1］。高墩橋梁墩柱施工的初始傾斜、承臺或樁基下沉、外部荷載作用和表面凸凹現(xiàn)象都可能引起傾斜或傾斜假象［2］。近年來，許多學(xué)者通過工程實(shí)踐以及理論分析的方法對傳統(tǒng)的垂直度檢測方法進(jìn)行分析并提出改進(jìn)方法。余加勇等提出了采用全站儀非接觸投影法對無明顯特征點(diǎn)的柱狀構(gòu)筑物進(jìn)行傾斜度測量［2］。寇光明介紹了坐標(biāo)法、垂線法、孤長公式法、全站儀+直尺法，并對4種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比分析［3］。孫旭以薄壁空心墩為例，論述了高墩柱的施工特點(diǎn)和質(zhì)量控制措施［4］。研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的垂直度檢測方法通常只能檢測出具有特征點(diǎn)部位的水平偏移及傾斜率，不能檢測出構(gòu)筑物中心軸線的空間線形［5-9］。因此對于高墩柱垂直度的測量，既有傳統(tǒng)方法已逐漸不適用。隨著測繪技術(shù)的發(fā)展，全站儀逐漸走向自動化并搭載了越來越多的面向用戶的實(shí)用性程序，如自動點(diǎn)測量、懸高測量、面積測量等，尤其是機(jī)載程序和全站儀免棱鏡無接觸測量方法相結(jié)合的測量方法使得測量更為方面、在很多場合測量效率更高，應(yīng)用更為廣泛［10-12］。

全站儀圓柱偏心測量采用的是無棱鏡模式，可以在不接觸被測物體的情況下，測得物體坐標(biāo)進(jìn)而計算圓柱內(nèi)部圓心，檢測內(nèi)容多樣全面，在保證測量精度的同時，也提高了工作效率［13-14］。針對全站儀圓形立柱垂直度檢測，焦明連探討了全站儀的圓形建筑物傾斜觀測的方法和精度［15］，宋子超等利用穩(wěn)健估計方法探討了檢測的可靠性［16］。文章對河北省一在建高速公路橋梁墩柱采用圓柱偏心測量方法進(jìn)行檢測，并將此方法與傳統(tǒng)的吊線錘方法和弧長檢測法中進(jìn)行對比分析，為高速公路橋梁安全評估提供了科學(xué)的依據(jù)。

1 橋梁墩柱垂直度檢測的主要方法

對于高墩橋梁的墩柱，規(guī)范對其檢測的方法和頻率做出了嚴(yán)格規(guī)定［1］，目前規(guī)范規(guī)定檢測的方法為吊線錘法。

1.1 傳統(tǒng)測量方法

1.1.1 吊線錘法

吊線錘法的測量流程是在橋梁墩柱模板安裝完畢后，在模板上部邊緣四周分別直接懸掛或支出一點(diǎn)，用于吊一定重量的錘球，且與抗風(fēng)繩方向保持一致；在垂線下或者墩柱底部設(shè)置如毫米格網(wǎng)讀數(shù)板的讀數(shù)設(shè)備，直接讀取或量出墩柱頂部相對于底部的水平位移以及方向。若其誤差在規(guī)范允許范圍內(nèi)，則視為合格墩柱，否則為不合格墩柱。評定標(biāo)準(zhǔn)JTG F80／1—2012對墩柱實(shí)測項目的規(guī)定見表 1［1］。

表1 墩柱實(shí)測項目表

吊線錘法依照地心引力原理進(jìn)行測量，不需要使用復(fù)雜的儀器，可以用較為簡單的流程完成模板校正以及垂直度檢測，得到了廣泛的應(yīng)用。但是如果現(xiàn)場風(fēng)力較大，則會使垂球搖擺不定，很難甚至無法進(jìn)行垂直度的測量。因此，吊線錘法對施測環(huán)境有較高要求：測量時無風(fēng)或風(fēng)力較小，不影響錘球垂度，并且要求樁基施工定位準(zhǔn)確，無偏位［4］。同時此方法對精度的控制較差，對測量人員的責(zé)任心要求非常高，并且在測量時，需要用起高設(shè)備將測量人員送到墩柱上部進(jìn)行垂直度檢測，而隨著越來越多高橋墩的出現(xiàn)，這種方法既不能保證測量人員的人身安全，也不能保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

1.1.2 弧長檢測法

弧長檢測法又稱投點(diǎn)法，此方法的測量步驟是將儀器架設(shè)在能完整看到墩柱的位置，望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)墩柱模板頂端邊緣，鎖定水平度盤后將水平角置零；旋轉(zhuǎn)垂直螺旋旋鈕，調(diào)整望遠(yuǎn)鏡視角到墩柱最底部；解鎖水平度盤，微調(diào)視角直至瞄準(zhǔn)墩柱最底部外側(cè)，將測得的水平角度記為α，同時采用無棱鏡模式測量儀器與墩柱最底部邊緣之間的距離S，如圖1所示，最后根據(jù)弧長計算公式計算出此墩柱的垂直度。

弧長檢測法較吊線錘方法精度較高，但是需要多次測量角度多次計算垂直度偏差，較為繁瑣，并且至少需要架設(shè)2次儀器測量，即（1）測縱向偏差；（2）測橫向偏差［4］。若采用的儀器為經(jīng)緯儀或不具有無棱鏡模式的全站儀，則儀器與墩柱最底部邊緣之間的距離需要用鋼尺測量，會使誤差進(jìn)一步加大。另外，此方法對儀器架設(shè)位置也有很高的要求，架設(shè)儀器的位置必須能觀測到所測墩柱的最上部邊緣和最下部邊緣，而施工現(xiàn)場經(jīng)常存在陡坡、填土甚至湖泊等嚴(yán)重遮擋地段，對垂直度檢測產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

圖1 弧長檢測法示意圖

1.2 圓柱偏心測量法

圓柱偏心測量是對高大聳立的柱狀物體進(jìn)行測量的方法，文章將這種方法運(yùn)用于高墩橋梁墩柱檢測中。

全站儀圓柱偏心測量法是在實(shí)際工程中新提出的檢測方法，其流程是：在已知點(diǎn)A架設(shè)儀器，瞄準(zhǔn)已知點(diǎn)B進(jìn)行設(shè)站定向，進(jìn)入全站儀圓柱偏心測量程序，保證豎直角不變的情況下使用無棱鏡模式分別使十字絲的豎絲墩柱的左邊線、右邊線相切進(jìn)行左切和右切測量，再微調(diào)水平螺旋，將水平角度調(diào)成0°0′0″，進(jìn)行測量即可直接得到此平面圓心坐標(biāo)以及半徑，原理示意圖如圖2所示。

其中，AO為∠CAD的角平分線，則根據(jù)三角形相似可得數(shù)學(xué)關(guān)系及半徑R的表達(dá)式，由式（1）～（3）表示為

即

令可得圓心O的坐標(biāo)由式（4）～（5）表示為

圖2 圓柱偏心測量原理示意圖

分別對墩柱的上、下部進(jìn)行圓柱偏心測量，得到其圓心，分別記為（x1，y1，z1）和（x2，y2，z2），則墩柱的垂直度Δd由式（6）表示為

偏移角度i由式（7）表示為

全站儀圓柱偏心測量較吊線錘法和弧長檢測法具有較高的精度，在測量中也無需接觸被測物體，保證了測量人員的人身安全。由于在測量墩柱時無需觀測最頂端邊緣和最低端邊緣，所以受陡坡等起伏地形限制小。如圖3所示，將儀器架設(shè)在A點(diǎn)，在墩柱間無遮擋的情況下可以單測站進(jìn)行多根墩柱測量，檢測效率高。

圖4為測量現(xiàn)場環(huán)境照片，采用吊線錘法和弧長檢測法對此類高墩柱進(jìn)行測量費(fèi)時費(fèi)力，而圓柱偏心測量則可輕松完成測量任務(wù)。

圖3 單測站測量墩柱示意圖

圖4 墩柱測量現(xiàn)場示意圖

2 橋梁墩柱檢測工程應(yīng)用案例

河北一在建高速公路公路全長59 km，其中大橋46座，橋梁總長16.7 km，設(shè)計墩柱數(shù)量約為4600根，而且高墩橋梁較多，施工難度大，技術(shù)要求高。測量采用徠卡TS06全站儀對此高速公路的約1500根墩柱進(jìn)行檢測。通過現(xiàn)場測量對3種測量方法進(jìn)行了多方面比較。3種方法的比較結(jié)果見表2。表3為一段采用新方法檢測墩柱結(jié)果。

由表2的3種方法對比可以看出，全站儀圓柱偏心測量法在繁瑣程度、精度、受環(huán)境影響程度、人員最少投入、投入時間、自動化程度、測量人員危險系數(shù)、檢測內(nèi)容、所需設(shè)備方面都要優(yōu)于其他2種傳統(tǒng)檢測方法。圓柱偏心測量法人員投入僅為1／3，可縮短50%的測量工期，降低工程成本。

表2 橋梁墩柱檢測3種方法對比表

表3 某標(biāo)段橋梁立柱檢測結(jié)果表

從表3檢測結(jié)果可以看出，無接觸圓柱偏心測量法可以測出包括墩柱的半徑、與設(shè)計半徑之差、偏移量、傾斜度、傾斜方位等6種內(nèi)容。單標(biāo)段16根墩柱中只有一根墩柱偏移量超限，傾斜度達(dá)到了3.3‰，其余傾斜度都在1.7‰內(nèi)，而測量半徑與設(shè)計半徑之差在1.5 mm內(nèi)。其相較于傳統(tǒng)檢測方法，檢測數(shù)據(jù)詳細(xì)直觀，可對橋梁墩柱的傾斜屬性進(jìn)行多角度具體的表達(dá)。

為了檢驗(yàn)風(fēng)力對吊垂線測量方法的影響，實(shí)驗(yàn)測得在10 m的高度上不同等級風(fēng)力對垂球錘擺動幅度的大小。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 風(fēng)力對錘球影響表

由表4可以看出，風(fēng)力在3級時錘球的擺動幅度就已達(dá)到了5 mm，由于橋梁高墩柱的高度約為15m，因此綜合考慮墩柱頂部風(fēng)力的影響，使用吊線錘法測量時風(fēng)力不能大于2級，否則測量誤差過大，不但獲得的數(shù)據(jù)可靠性不高，還無法保證施測人員的人身安全。而全站儀不受2、3級風(fēng)力影響，可正常測量。

3 結(jié)論

通過上述研究可知：

（1）無接觸圓柱偏心測量法較傳統(tǒng)方法自動化和信息化程度高，人員投入僅為傳統(tǒng)方法的1／3，結(jié)合實(shí)際工程發(fā)現(xiàn)其至少可縮短50%的測量工期，大幅提高檢測效率，進(jìn)而降低施工成本。

（2）無接觸圓柱偏心測量法檢測內(nèi)容多達(dá)6種，其相較于傳統(tǒng)檢測方法，檢測數(shù)據(jù)詳細(xì)直觀，可對橋梁墩柱的傾斜屬性進(jìn)行多角度具體的表達(dá)。

（3）錘球在3級風(fēng)環(huán)境下擺動幅度達(dá)到5 mm，無法進(jìn)行測量，而無接觸圓柱偏心測量法在3級風(fēng)環(huán)境下儀器幾乎沒有振動，可正常測量。

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