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大型桥梁的变形测量方法研究

作者:双核期刊发表网; 更新时间:2018-04-18
摘 要

大型桥梁结构的施工过程极其复杂,其各阶段变形受到众多因素的影响,需要进行精确的测量,以确保结构安全性能满足设计要求。本文针对大型桥梁的变形测量方法进行研究,首先从自然环境因素、桥梁自身因素、人为因素三个方面分析了大型桥梁变形产生的原因;归纳了大型桥梁变形测量的内容,包括:对桥梁墩台的静态变形和对桥梁结构的挠度进行周期性的重复观测;对大型桥梁变形测量的主要方法:大地测量方法、特殊的测量方法(倾斜测量和激光准直测量)、摄影测量方法等进行了对比;最后对自动电子全站仪在桥梁结构变形测量中的应用进行了深入探讨,给出了具体的操作流程,可供实际工程参考。
关键词:桥梁;变形;测量;全站仪
Abstract
The construction process of large-scale bridge structures is very complex. Its deformation in each stage is influenced by many factors. In order to ensure the structure safety performance meet design requirements, it is necessary to measure precisely. The measure methods of large-scale bridge’s deformation are studied in this paper. Firstly the causes of large-scale bridge’s deformation are analyzed from three aspects: natural environmental factors, bridge itself factors and human factors. Secondly, the measure contents of large-scale bridge’s deformation are induced, including periodic repeated observation to the static deformation of bridge pier and the displacement of bridge structure. Then the measure methods for large-scale bridge’s deformation are compared, including geodetic method, special methods (fall angle measurement and laser alignment measurement) and photography method. Finally, the application of auto-electron total station instrument in bridge structure deformation measure are further discussed and concrete operation process is given, which provides good references for practical engineering.
Keywords:bridge;deformation;  measure;  total station instrument
目   录
1 前 言 1
2 大型桥梁变形的原因 1
3 大型桥梁变形测量的内容 1
4 大型桥梁变形测量的主要方法 2
4.1 大地测量方法 2
4.2 特殊的测量方法 2
4.3 摄影测量方法 3
5 自动电子全站仪在桥梁结构变形测量中的应用 3
5.1 自动电子全站仪的测量特性分析 3
5.2 监测基准点系统的布置 4
5.3 监测三维空间坐标系统的选择 4
5.4 基础测绘 5
5.5 形变自动监测 5
6 结 论 6
参 考 文 献 6


1 前 言
由于科学技术的飞速发展,高强度建筑材料和预应力工艺的广泛应用,桥梁的设计建造日新月异。近年来涌现出许多大型斜拉桥、悬索桥、钢管混凝土拱桥、连续刚构桥,气势恢宏、造型完美。然而,这些桥梁的施工过程是极其复杂的,都必须受到监测与监控。技术人员必须详尽计算和反复量测结构物关键断面及主要控制点在每道工序产生的应力和位移,使之控制在设置的范围之内,以保证施工的安全与质量。对于大型桥梁而言,变形的测量显得尤其重要。为此,本文针对大型桥梁的变形测量方法进行探讨,以期为实际工程提供一些参考。
2 大型桥梁变形的原因
测量桥梁变形首先要了解产生变形的原因,这一点是非常重要的,只有明确产生变形的原因,才能确定解决的办法,产生变形的三个主要原因有:
(1) 自然条件及其变化的原因。是指桥墩台地基的工程地质、水文地质、土壤的物理性质、大气温度、水位变化以及地震等如桥墩台基础的地质条件不同,会引起桥墩台不均匀沉陷,使桥跨结构倾斜,像钢梁或钢筋混凝土梁就容易发生这种现象,再有土基的塑性变形也将引起均匀沉陷,还有温度与水位、季节性和周期性的变化以及水流方向的变化,桥梁将产生规律变形。
(2) 与桥梁本身相联系的原因。是指作用在桥梁上部结构的恒载与作用墩台的恒载、墩台与梁的结构、型式以及活载的作用如车辆通过时的震动、风力等。
(3) 人为设计、施工等不合理。是指山于勘测、设计时不合理。施工时不按规范施工,运营、管理工作不恰当等,都会使桥梁产生变形。
3 大型桥梁变形测量的内容
变形测量是大型桥梁施工测量的重要内容,是保证桥梁施工满足设计要求的重要手段。只有通过变形测量了解桥梁在施工过程中的运行状态,才能够及时地作出调整,做到桥梁的线形符合设计规定的误差允许范围。因此,桥梁变形测量的目的就是为了监控桥梁的安全施工,了解变形的规律,同时对为以后的设计提供参考数据。
桥梁变形观测的主要内容主要包括对桥梁墩台的静态变形和对桥梁结构的挠度进行周期性的重复观测,求得其在两个周期间的变化值和瞬时变化值。
对桥梁墩台的静态变形观测,即对各墩台在空间位置(各墩台上观测点的三维坐标)变化的观测,包括以下两方面:① 各墩台的垂直位移观测。又称沉降观测,其中包括各墩台沿水流方向(或垂直于桥轴线方向)和沿桥轴线方向的倾斜观测。② 各墩台的水平位移观测。其中,隔墩台在上、下游的水平位移观测称为横向位移观测,各墩台沿桥轴线方向的水平位移观测称为纵向位移观测,两者中,以横向位移观测更为重要。而挠度测量主要就是对桥梁结构主梁线形的测量,主要是对桥跨在恒载和活载情况下的挠度进行测量。
4 大型桥梁变形测量的主要方法
4.1 大地测量方法
大地测量方法也叫常规地面测量方法。它是变形观测的主要手段。垂直位移观测采用的是精密水准测量和精密跨河水准测量。在横向位移观测中。遇到直线桥梁按基准线法观测,如测小角法和活砚牌法,如果是曲线桥梁,则应利用导线测量方法。纵向位移观测通常采用最精密的光电测距仪,如桥跨距较短,可用特制的因瓦线尺或钢线尺来测定相邻桥墩之问的跨距变化。桥跨结构的恒载和活载的挠度观测采用四等水准测量。
该方法具有以下优点:(1) 可以提供桥墩台和桥跨结构的变形状态;(2) 把观测组成网的形式,便于进行测量结果的处理和精度评定;(3) 灵活性好,适用于各种结构形式的桥梁以及不同的外界条件和精度要求。其缺点是外业工作量大,作业时间长,很难解决连续监测及测量过程的自动化问题。pagebreak
4.2 特殊的测量方法
特殊的测量方法包括倾斜测量和激光准直测量。在垂直位移观测过程中,对于墩台本身的倾斜可使用短基线倾斜仪,如垂直摆锤式和水准气泡式倾斜仪来测定两点之间的高差变化;而对于相邻墩台的高差变化可使用长基线倾斜仪进行测定。长基线倾斜仪采用静力水准原理制成,其精度可达到10-6。
在横向位移观测中,采用激光准直,如激光经纬仪准直和波带板激光准直来测量各桥墩上观测点与激光束的偏离值在大气条件下,激光准直的精度为10-5~10-6。
特殊测量方法同大地测量方法相比,具有以下优点:(l) 使测量过程简单化;(2) 容易解决连续监测和自动化观测的问题;(3) 可以提供局部的变形信息。
4.3 摄影测量方法
主要是指近景摄影测量方法。这种方法日趋广泛地被用于大型桥梁结构或建筑结构的变形测量,原因是近十多年来摄影测量点位的测定精度显著提高,加之本身具有的特殊优点以及近年来硬件上的改进(包括高质量的摄影机和精密的量测仪器)、软件的发展和计算机的应用等等,使人们有可能利用严密的数学处理方法对摄影测量过程中的系统误差进行模拟操作,其中包括摄影机镜头的畸变和底片的变形等,并利用数理统计的方法评定观测值的质量和剔除误差,使成果的可靠性得以保证。
目前,摄影测量点位测定精度可达到2~4um(像片坐标的精度)。取决于摄影机的焦距,近景摄影测量的精度可达到摄影距离的10-5。近景摄影测量方法在桥梁变形观测的应用中,具有以下优点:(1) 能够同时测定桥墩台上任意点的变形;(2) 可以提供瞬时和完全的三维空间信息;(3) 大大减少了野外测量的工作量;(4) 可以不接触被摄物体;(5) 有了摄影底片可以观测到桥墩台以前的状态。对于跨越江河的大桥,应用近景摄影测量方法进行变形观测时,应注意选择适宜的摄影测站位置。
以上介绍了桥梁变形监测的成因及几种常用的方法。大地测量方法仍然是主要的应用手段,全站仪、水准仪在大多数项目仍然是不二的选择,但在科学技术飞速发展的今天,测量仪器越来越自动化,精密度也越来越高,GPS及测量机器人的出现让桥梁变形监测有了更多选择的余地,它们也极大地丰富了桥梁变形测量的内容,让测量工作自动化,简便化和更加精确。
5 自动电子全站仪在桥梁结构变形测量中的应用
5.1 自动电子全站仪的测量特性分析
自动电子全站仪(测量机器人)在桥梁结构变形测量中的应用越来越广泛,例如许多工程采用TCA2003来对主墩墩身垂直度进行测量。TCA2003是具有自动测量功能的全站仪,这种电子全站仪的基本特征是电子全站仪内配置有动力驱动系统和CCD相机以及相应的目标识别软件和电机驱动软件,当自动电子全站仪粗略照准目标后,通过按键输入测量命令,自动电子全站仪中的CCD相机可自动借助目标识别软件对返回的信号进行逻辑分析,准确判断出棱镜中心的位置,然后,自动启动伺服马达驱动软件及数据采集、处理、储存软件,伺服马达驱动电子全站仪自动照准棱镜中心自动完成系列测量动作(包括正倒镜零视差照准、测量、记录、计算、存储等工作)。它的另一个特点是,当反射棱镜采用全方位棱镜时,自动电子全站仪可以在专用机载软件的支持下,实现对移动目标的自动追踪定位,自动追踪测量的响应速度目前可达每秒钟几次的水平。
自动电子全站仪的上述优异性能为各种工程结构物的实时(确切地说是准实时)三维动态变形监测奠定了必备的基础和条件。通过填密的思考与试验,成功地实现了自动电子全站仪对各种工程结构三维变形的自动实时监测,下面以平寨特大桥三维动态变形自动实时监测系统为例谈一下自动电子全站仪的自动实时监测过程。
5.2 监测基准点系统的布置
监测基准点系统由2个基准点构成,用于强制归心安置自动电子全站仪的称为基站(基站与其它点的仰俯角应在-10o~10o之间),用于强制归心安置反射棱镜的称为后视基站。2个基准点均应设置钢筋混凝土强制归心高墩式标志,2个基准点间应通视。2个基准点处地质结构稳定,与基岩连结。
形变监测点系统由均匀分布在桥梁关键部位的若干个桥梁形变测点(称形变点)构成。应该设置形变点的桥梁关键部位的选择方法因桥型的不同而有所不同,桥台迎水面上方桥面、锚旋处、桥墩上方桥面、桥跨中点处桥面是必设形变点的地方,其它应设形变点的地方有拱桥拱圈的中点处、桥梁的接缝处桥面、悬索桥与斜拉桥桥塔双侧根部及顶部。形变点均应与基站通视。形变点应为强制归心反射棱镜连接点,在形变点位置钻孔通过膨胀螺栓将特制的反射棱镜强制归心,连接承台固定在桥面边缘处,并在嵌固处灌浆以确保承台与桥面的可靠、稳定联接。
5.3 监测三维空间坐标系统的选择
以过桥面平均高程位置的水准面为距离投影面以大致北方向作为零方位角方向,以适当的高程值为基站A的高程(高程系统采用光电测距三角高程大地高),以过桥梁中点的子午线作为中央子午线,立起桥梁监测的独立三维空间坐标系统。桥梁监测独立三维空间坐标系统的构建方法是,假定基站A的平面直角坐标为(XA,YA),基站A到后站B的方位角为。AB,基站A的高程为HA。当然,XA、YA也可以取A点的国家坐标(1954北京坐标系或1980国家大地坐标系)HA可以取A点的国家高程(1956黄海高程系或1985国家高程基准)。
5.4 基础测绘
基础测绘在所有监测标志设置完毕1个月后进行。在反射棱镜适当位置贴上标号签,在标号签上填上点号,以确保每个棱镜总放在自己所在的点上(即镜、点关系固定)。将各反射棱镜按其标签号强制归心安置在各棱镜点上,将自动电子全站仪强制归心安置在基站上。利用特制的强制归心电子全站仪连接承台及强制归心棱镜连接承台,自动电子全站仪及棱镜均不需要带基座。这样,在整个监测过程中只要采用的自动电子全站仪不变(即始终用同一台自动电子全站仪)。棱镜不变,就可以在整个监测过程中将仪器高及棱镜高设置为零,从而消除了仪器高及棱镜高的测量误差,也就是说A点的独立三维坐标(XA,YA,HA)即为A点自动电子全站仪横、竖轴交点处的坐标,AB的独立方位角αAB即为A点上自动电子全站仪横、竖轴交点到B点上反射棱镜中心的方位角。
棱镜及自动电子全站仪安置完毕后,人工操作自动电子全站仪测出各棱镜中心的独立三维基础坐标(Xi,Yi、,Hi)。利用自动电子全站仪的用户编程软件,依照各棱镜中心的三维基础坐标设定自动观测的观测顺序程序,并将程序上载到自动电子全站仪中。需要说明的是,人工操作自动电子全站仪观测各棱镜中心获取独立三维基础坐标时,只需要对每个棱镜进行人工粗瞄准,然后启动自动测量功能,让电子全站仪自动聚焦、自动精瞄、自动正倒镜观测完成测量工作,从而实现零视差、零偏心观测。pagebreak
5.5 形变自动监测
每次形变监测时,将仪器及棱镜与基础测绘时一样安置好,将基站(A)自动电子全站仪瞄准后视基站(B)后输入A点三维坐标及AB方位角OAB(让仪器自动瞄准),启动自动观测程序,自动电子全站仪即可以自动根据每个棱镜点的基础坐标,自动按顺序大概找到各棱镜(由于桥梁形变,电子全站仪根据基础坐标是无法精确瞄准棱镜中心的,只能大概瞄准),自动调焦、自动精瞄、自动正倒镜观测出各棱镜中心的独立三维新坐标,则各棱镜点的空间总三维变形(即桥梁变形点处的变形)值即可通过新旧三维坐标的差值求出来。整个监测过程只需很短的时间即可完成,自动电子全站仪的自监测速度为每秒3~4个点。
将自动电子全站仪用数据传输电缆与计算机相连接,可以在计算机上借助专用绘图软件(比如AutoCAD、 3DStudio、MAX、Photoshop)或专用桥梁结构分析软件对桥梁形变过程进行动态模拟或动态结构分析,从而探索与总结出桥梁变形的一些基本规律。若想对桥梁三维动态变形进行全程实时连续监测,则可以通过计算机自动控制自动电子全站仪的监测过程。
6 结 论
大型桥梁结构施工过程中,由于桥梁结构的空间位置随施工进展不断发生变化,要经历一个漫长和多次的体系转换过程,使得施工过程中桥梁结构各个施工阶段的变形不断发生变化,这些因素均将在不同程度上影响成桥目标的实现,并可能导致桥梁合拢困难、成桥线形与设计要求不符等问题。因此,为了使成桥后与桥梁的线形符合设计的目标线形,保证施工质量和桥梁精确合拢,必须对桥梁结构在施工过程中各阶段的变形进行准确地测量,以确保结构的安全性能达到设计要求。随着测量技术的飞速发展,测量机器人在大型桥梁结构中的应用越来越为广泛,而近景摄影测量方法则代表了未来大型桥梁结构变形测量的一种趋势。相信随着测量技术的不断进步,大型桥梁结构变形的测量精度会越来越高和自动化,从而确保大型桥梁建设的安全性能。
参 考 文 献
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