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(jié)構(gòu)狀態(tài)、性能進行檢驗的重要方法，檢驗結(jié)果對橋梁運行管理及養(yǎng)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(tǒng)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(xiàn)和應用，能從根本上縮短試驗測試周期，降低溫差對結(jié)構(gòu)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(yōu)勢、原理的基礎(chǔ)上，進行科學應用，以充分發(fā)揮應用效果。

1 智能全站儀優(yōu)勢特點分析——以TM50精密監(jiān)測機器人為例

TM50精密監(jiān)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(chǎn)品相比，該智能全站儀具有以下優(yōu)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(zhuǎn)動速度快，采用以壓電陶瓷為基礎(chǔ)的直接驅(qū)動方法，能大幅加快轉(zhuǎn)速，最快時可達180°/s，切換時間在3 s以內(nèi)，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(yè)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(xiàn)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(wěn)固的測站點架設儀器，并在橋梁結(jié)構(gòu)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(gòu)成通視良好的三角網(wǎng)，并減小豎直角。為對儀器布置狀態(tài)是否達到穩(wěn)定進行檢驗，還應按要求設置多個穩(wěn)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(shù)；

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(xù)時間都應控制在20 min之內(nèi)，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(jù)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(wěn)定時，棱鏡和全站儀都保持不動，中誤差實際測量結(jié)果都完全相等。根據(jù)上述分析可知，TM50精密監(jiān)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(jié)構(gòu)撓度觀測精度進行估算，結(jié)果如表1所示。

撓度中誤差和豎直角之間的關(guān)系見圖1。

圖1 撓度中誤差和豎直角關(guān)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(guān)系見圖2。

圖2 撓度中誤差和水平距離關(guān)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(diào)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)承載力進行檢驗，需采用靜載試驗的方法。主橋結(jié)構(gòu)中的撓度測試采用TM50精密監(jiān)測機器人，與此同時，在該橋的邊跨和中跨跨中采用數(shù)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(jié)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(shù)為34個。同時在橋面上左、右側(cè)各布置2臺數(shù)字水準儀進行橋面撓度關(guān)鍵測點聯(lián)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(diào)整為多測回模式，每次加卸載測量讀數(shù)耗時不超過12 min，而橋面多臺水準儀聯(lián)測一次加卸載讀數(shù)花費約27 min，與傳統(tǒng)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(shù)據(jù)的影響。

4.1 智能全站儀實測結(jié)果和數(shù)字水準儀的對比

對主橋邊跨與中跨的重要工況測量結(jié)果和理論值進行對比，結(jié)果如表2所示。

從表2數(shù)據(jù)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(jié)果和水準儀的撓度實測結(jié)果相差在1.1 mm以內(nèi)，且相對誤差也低于1.04%，說明兩者實測結(jié)果十分接近，可對測試結(jié)果進行準確判斷。

4.2 測試結(jié)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(jié)果和理論值進行對比，結(jié)果如圖4、5所示。同濟大橋主梁結(jié)構(gòu)撓度的校驗系數(shù)為0.756～0.829，鋼箱主梁應變校驗系數(shù)為0.922～1.000，據(jù)此可對橋梁結(jié)構(gòu)剛度與強度進行綜合評定，判斷是否滿足現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范的要求[4]。

圖4 工況1作用下?lián)隙妊貥蚩绶较虻姆植记闆r曲線圖

圖5 工況8作用下?lián)隙妊貥蚩绶较虻姆植记闆r曲線圖

5 結(jié)語

通過上述分析，可得出以下主要結(jié)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(jié)構(gòu)撓度進行測試合理可行，實際測試精度符合相關(guān)要求。

(2)TM50精密監(jiān)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(jié)構(gòu)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。