智能全站儀在懸索橋橋梁荷載試驗中的應用研究

王海華

(廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

橋梁荷載試驗是對橋梁結構狀態、性能進行檢驗的重要方法，檢驗結果對橋梁運行管理及養護維修都有重要意義。然而，靜載試驗的撓度測試存在很大困難，尤其是大跨徑橋梁，采用傳統設備儀器，不僅效率低下，耗時長，而且精度較差。智能全站儀的出現和應用，能從根本上縮短試驗測試周期，降低溫差對結構的影響，并保證測試精度。因此，在實際工作中，有必要在掌握智能全站儀特點、優勢、原理的基礎上，進行科學應用，以充分發揮應用效果。

1 智能全站儀優勢特點分析——以TM50精密監測機器人為例

TM50精密監測機器人是由徠卡測量公司研制推出的最新智能全站儀，與相同類型的全站儀產品相比，該智能全站儀具有以下優勢特點：

(1)超高測量精度，實際測角精度可達±0.5”，實際測距精度為0.6 mm+1 PPM。

(2)轉動速度快，采用以壓電陶瓷為基礎的直接驅動方法，能大幅加快轉速，最快時可達180°/s，切換時間在3 s以內，能有效提高測量效率。

(3)智能識別，全站儀設有識別裝置，有效識別距離可以達到1 000 m。

(4)具有超級搜索功能，可對目標實施高速搜索，同時在智能識別的支持下，還能進行精確測量[1]。

由于具有以上功能，加之專業機載控制軟件，該全站儀能完成自動化測量任務，是一種值得大范圍推廣應用、高效且精準的現代化測量設備。

2 智能全站儀測量基本原理

在大跨徑懸索橋橋梁荷載試驗中合理應用智能全站儀，前期準備工作應在橋梁外相對穩固的測站點架設儀器，并在橋梁結構測點安裝目標棱鏡，測站位置應盡可能接近各測點，與各測點構成通視良好的三角網，并減小豎直角。為對儀器布置狀態是否達到穩定進行檢驗，還應按要求設置多個穩固可靠的后視點。

準備工作完成，且確認合格后，開始進行試驗。智能全站儀在觀測加載以前的高差為ha，而在加載之后的高差為hb，則測點撓度可表示為：

ω=hb-ha

(1)

高差值的計算公式為：

(2)

(3)

上式中，L——目標和全站儀之間的斜距；

D——目標和全站儀之間的平距；

α——目標和全站儀之間的豎直角；

i——全站儀高度；

v——棱鏡高度；

K——大氣折光系數；

R——地球曲率半徑[2]。

試驗時，棱鏡與全站儀必須固定，同時每個工況的持續時間都應控制在20 min之內，通過對上述三個公式的推導，可得：

ω=hb-ha=L·sinαb-sinαa

(4)

采用上式即可對測點實際撓度進行計算，該過程由全站儀自動完成。

3 智能全站儀測量精度

對式(4)施以全微分，根據誤差傳播定律求取撓度中誤差，即：

(5)

上式中，mω——撓度中誤差；

mL——測距；

mα——角度中誤差。

當加載之前與加載之后的觀測條件都能達到穩定時，棱鏡和全站儀都保持不動，中誤差實際測量結果都完全相等。根據上述分析可知，TM50精密監測機器人的測距、測角精度分別為0.6 mm+1 PPM和±0.5”。采用式(5)對各條件下的橋梁結構撓度觀測精度進行估算，結果如表1所示。

撓度中誤差和豎直角之間的關系見圖1。

圖1 撓度中誤差和豎直角關系示意圖

由圖1可知，水平距離與豎直角越大，撓度中誤差越大，而隨著測量距離的不斷減小，對豎直角造成的影響增大[3]。

撓度中誤差和水平距離之間的關系見圖2。

圖2 撓度中誤差和水平距離關系示意圖

由圖2可知，目標點和測站點間距越大，撓度中誤差越大。如果豎直角<25°，且水平距離<250 m，則中誤差將低于±1.0 mm。

實際測量過程中，為防止粗差，可將智能全站儀調整成多測回模式，以提高全站儀實測精度。對于大跨徑橋梁而言，其結構撓度往往很大，通過對智能全站儀的合理應用，能確保實測結果滿足預期精度要求。

4 智能全站儀工程應用

文章以貴港市同濟大橋為工程背景，研究智能全站儀的工程應用。本橋主橋為全長1 807.5 m的雙塔自錨式懸索橋，主橋跨徑組成為50 m+140 m+280 m+140 m+50 m。為對橋梁結構承載力進行檢驗，需采用靜載試驗的方法。主橋結構中的撓度測試采用TM50精密監測機器人，與此同時，在該橋的邊跨和中跨跨中采用數字水準儀進行輔助測試。

同濟大橋主橋撓度、變位測點如圖3所示。在控制截面(編號C、E、F、G)、主跨八分點(編號B9～B14)、邊跨及次邊跨四分點(編號B1～B7、B16～B19)、塔梁結合處(編號B8、B15)布置橋面撓度測點；在主跨及次邊跨主纜上布置主纜位移測點(編號C1～C9)；在南北兩個主塔塔頂布置塔頂縱向水平偏位測點(編號D1和D2)。

試驗時在上下游各布置1臺全站儀，每臺全站儀需要測量的測點數為34個。同時在橋面上左、右側各布置2臺數字水準儀進行橋面撓度關鍵測點聯測比對。

圖3 同濟大橋主橋撓度、變位測點布置圖(單位：m)

測量過程中，將智能全站儀調整為多測回模式，每次加卸載測量讀數耗時不超過12 min，而橋面多臺水準儀聯測一次加卸載讀數花費約27 min，與傳統水準儀測量相比，智能全站儀極大提高了測量工作效率，并有效地減少了每個工況加卸期間溫差對試驗數據的影響。

4.1 智能全站儀實測結果和數字水準儀的對比

對主橋邊跨與中跨的重要工況測量結果和理論值進行對比，結果如表2所示。

從表2數據可以看出，同級工況相同測點選用智能全站儀所得撓度實測結果和水準儀的撓度實測結果相差在1.1 mm以內，且相對誤差也低于1.04%，說明兩者實測結果十分接近，可對測試結果進行準確判斷。

4.2 測試結果和理論值之間的對比

對同濟大橋主橋邊跨和中跨主要工況橋面撓度測點所得撓度結果和理論值進行對比，結果如圖4、5所示。同濟大橋主梁結構撓度的校驗系數為0.756～0.829，鋼箱主梁應變校驗系數為0.922～1.000，據此可對橋梁結構剛度與強度進行綜合評定，判斷是否滿足現行技術規范的要求[4]。

圖4 工況1作用下撓度沿橋跨方向的分布情況曲線圖

圖5 工況8作用下撓度沿橋跨方向的分布情況曲線圖

5 結語

通過上述分析，可得出以下主要結論：

(1)針對跨徑較大，以及存在較高落差的橋梁，在其靜載試驗過程中應用先進智能全站儀對結構撓度進行測試合理可行，實際測試精度符合相關要求。

(2)TM50精密監測智能全站儀支持自動搜索與多測回等全新功能，能大幅度提高測試效率，并始終保持較高的測試精度，適用于時間緊張且結構復雜的荷載試驗工作，只要操作正確，就能取得良好成效。

(3)智能全站儀借助紅外光束對準測試目標，即使在夜間沒有良好照明條件的情況下，也能進行正常工作，克服了夜間無法使用水準儀進行工作的難題。除此之外應注意：夜間往往氣溫較低，且能避免受到強光的影響，在條件允許的情況下，盡量在夜間進行試驗與測試。