陸治屹

(廣西交通工程檢測(cè)有限公司，廣西 南寧 530222)

0 引言

在橋梁施工以及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，都會(huì)涉及墩臺(tái)垂直度測(cè)量。墩臺(tái)垂直度可以解釋為墩臺(tái)頂?shù)乃轿灰破?，即墩臺(tái)的頂端水平位置與低端水平位置的差值；如果使用全站儀等角度測(cè)量體系，則可以解釋為墩臺(tái)的傾斜角度。目前規(guī)范要求的測(cè)量方法為垂線偏差測(cè)量和全站儀傾斜測(cè)量。垂線法至少需要兩名技術(shù)人員操作，橋上人員放置垂線，橋下人員測(cè)量，這種方法在風(fēng)力較大的情況下，測(cè)量誤差較大；全站儀比較笨重，且需要配備三腳架，而橋梁建設(shè)往往跨越山谷或河流，地理?xiàng)l件復(fù)雜，在測(cè)量過(guò)程中需要翻山越嶺，跨越河流、山谷等，并且需要尋找合適的儀器架設(shè)地點(diǎn)，給測(cè)量工作帶來(lái)較大困難[1-2]。

秉承減少人力、適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、降低工作難度的初衷，本文探究并設(shè)計(jì)一種以激光測(cè)距儀為核心的墩臺(tái)垂直度簡(jiǎn)易測(cè)量方法，該方法降低了現(xiàn)場(chǎng)工作難度，提高了工作效率，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性極強(qiáng)，可在橋梁建設(shè)中推廣應(yīng)用。

1 基本原理

該方法基本原理為：使用激光測(cè)距儀測(cè)量出工作點(diǎn)到橋梁墩臺(tái)頂端及底端距離，并配合角度尺測(cè)量出工作點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)的水平夾角，最終推算出橋梁墩臺(tái)的傾斜度。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為將水準(zhǔn)泡固定于角度尺上，使水準(zhǔn)泡與角度尺呈零刻度水平，并將激光測(cè)距儀與角度尺連接，使激光測(cè)距儀只能沿角度尺豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)。該簡(jiǎn)易測(cè)量方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

2 應(yīng)用及計(jì)算

現(xiàn)場(chǎng)工作中，為減少人為誤差，確保測(cè)量精度，可將測(cè)量系統(tǒng)垂直固定在標(biāo)桿上，或固定于現(xiàn)場(chǎng)任意固體上，調(diào)整系統(tǒng)使水準(zhǔn)泡水平居中，確保系統(tǒng)處于水平。用激光測(cè)距儀測(cè)量工作點(diǎn)A與墩臺(tái)底部B的距離AB，并讀取激光測(cè)距儀與角度尺夾角∠α1，再用激光測(cè)距儀測(cè)量工作點(diǎn)A與墩臺(tái)頂部C的距離AC，并讀取激光測(cè)距儀與角度尺夾角∠α2，如圖2所示[4]。

圖1 簡(jiǎn)易測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 測(cè)量過(guò)程示意圖

根據(jù)余弦定理：

BC2=AB2+AC2-2AB×AC×cos(∠α1+∠α2)

(1)

由此可得橋梁墩臺(tái)底部到頂部距離BC，再根據(jù)正弦定理：

(2)

由此可得：

(3)

其中AB、AC、∠α1、∠α2均為測(cè)量數(shù)據(jù)。橋梁墩臺(tái)的理論軸線與測(cè)量系統(tǒng)零角度線夾角為90°，由此，最終可計(jì)算得傾斜角∠h及橋梁墩臺(tái)偏差值H。

∠h=90°-∠ABC-∠α2

(4)

H=BC×sin∠h

(5)

3 誤差分析

在測(cè)量工作中不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差，其中包括系統(tǒng)誤差、人為操作誤差等，本方法系統(tǒng)的誤差主要包括激光測(cè)距儀的系統(tǒng)誤差和水準(zhǔn)泡對(duì)準(zhǔn)居中的誤差。

手持式激光測(cè)距儀重量輕、體積小、操作簡(jiǎn)單，其基本原理是測(cè)量光往返目標(biāo)所需要的時(shí)間，結(jié)合光速及大氣折射系數(shù)計(jì)算兩點(diǎn)距離。光速是固定的，所以其精度主要取決于儀器的測(cè)時(shí)精度。

現(xiàn)有的手持式激光測(cè)距儀中，例如深達(dá)威SW-M50以上系列手持式激光測(cè)距儀，其精度可以達(dá)到1.5 mm ±(D×0.05‰)，也就是每增加10 m的距離，誤差增加0.5 mm，每增加20 m距離，誤差增加1.0 mm。除了一些超高墩外，橋梁橋墩高度普遍在10 m左右，不考慮激光測(cè)距儀固有的1.5 mm系統(tǒng)誤差的情況下，測(cè)量誤差是0.5 mm；考慮激光測(cè)距儀固有的1.5 mm系統(tǒng)誤差情況下，誤差在2 mm內(nèi)，這與垂線法測(cè)量中使用鋼直尺的1 mm精度接近。

水準(zhǔn)泡的精度即為角值，是指氣泡由中心線向任意方向移動(dòng)2 mm的傾角。目前測(cè)量工作中常用的是長(zhǎng)水泡和圓水泡，其中長(zhǎng)水泡可以達(dá)到20″/2 mm。在日常工作中基本上能保持水準(zhǔn)泡在2 mm內(nèi)。

假定墩高為10 m，工作點(diǎn)到橋墩底及橋墩頂?shù)木嚯x都是10 m，工作點(diǎn)與橋墩頂及橋墩底的夾角都是30°，橋墩未有傾斜即傾斜角為0°，垂直度偏差值為0 mm；假設(shè)第一次測(cè)量水準(zhǔn)泡居中，第二次測(cè)量水準(zhǔn)泡偏移2 mm，即偏差20″，并且在不考慮水準(zhǔn)泡未居中對(duì)激光測(cè)距測(cè)量值的影響的情況下，由式(3)計(jì)算可得：

59°59′50″

若誤差角是∠α1，則由式(4)計(jì)算可得：

∠h=90°-59°59′50″-30°0′20″=-10″

若誤差角是∠α2，則由式(4)計(jì)算可得：

∠h=90°-59°59′50″-30°=10″

由式(5)計(jì)算可得：

H=10×sin10″=0.5 mm

由計(jì)算結(jié)果可知，不論誤差是產(chǎn)生在∠α1還是在∠α2，最終的誤差都是10″，垂直度偏差值為0.5 mm。

以上誤差計(jì)算值并未考慮傾斜帶來(lái)的測(cè)距影響。若考慮測(cè)距影響，傾斜對(duì)測(cè)距的影響大約是2 mm。4種不同情況下的單次傾斜誤差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，誤差最大的情況是測(cè)量C點(diǎn)時(shí)傾斜的情況，偏差角度Δ∠h為46″，偏差值ΔH為2.2 mm。

表1 單次傾斜誤差計(jì)算結(jié)果表

在兩次測(cè)量水準(zhǔn)泡均未居中，并向同一個(gè)方向傾斜的情況下，這可以認(rèn)為兩次的工作點(diǎn)在同一個(gè)位置上，所以并沒(méi)有產(chǎn)生誤差。

當(dāng)兩次測(cè)量水準(zhǔn)泡均未居中，并向不同的方向傾斜，這是誤差最大的情況。假設(shè)測(cè)量B點(diǎn)時(shí)后傾，那么∠α1增大20″，測(cè)量數(shù)據(jù)是30°0′20″，AB測(cè)距約減小2 mm，測(cè)量數(shù)據(jù)是9.998 m；C點(diǎn)時(shí)前傾，那么∠α2增大20″，測(cè)量數(shù)據(jù)是30°0′20″，AC測(cè)距約增大2 mm，測(cè)量數(shù)據(jù)是10.002 m，反之則測(cè)量數(shù)據(jù)相反。兩種雙向傾斜誤差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 雙向傾斜誤差計(jì)算結(jié)果表

由表2可知，在雙向傾斜的情況下，誤差值是最大的，偏差角度△∠h為71″，偏差值ΔH為3.5 mm，但是這種人為誤差情況可以通過(guò)多次測(cè)量來(lái)避免。因此，系統(tǒng)測(cè)量能夠產(chǎn)生的誤差通常是單次傾斜誤差，即最大誤差角度為46″、垂直度誤差為2.2 mm，而且同樣可以通過(guò)多次測(cè)量來(lái)降低這個(gè)誤差。按照規(guī)范要求5 m

4 優(yōu)勢(shì)對(duì)比

相對(duì)于垂線法，本方法減少了技術(shù)人員的投入，只需要一名操作人員即可完成測(cè)量工作，且受外界環(huán)境干擾小。在風(fēng)力較大的情況下，垂線法甚至可能無(wú)法滿足工作需求，所以本測(cè)量方法從環(huán)境適應(yīng)性上來(lái)說(shuō)優(yōu)于垂線法。

相對(duì)于全站儀測(cè)量法，本方法只需要一名技術(shù)人員攜帶手持式激光測(cè)距儀、角度尺、水準(zhǔn)泡及一根小型標(biāo)桿即可完成測(cè)量工作。在現(xiàn)場(chǎng)工作條件惡劣的墩臺(tái)垂直度測(cè)量工作中，減輕了技術(shù)人員的負(fù)擔(dān)，不需要為了尋找合適的儀器架設(shè)地點(diǎn)而浪費(fèi)時(shí)間和精力，極大地提高了工作效率。

5 結(jié)語(yǔ)

橋梁墩臺(tái)垂直度簡(jiǎn)易測(cè)量方法是一種以激光測(cè)距儀為核心的、方便快捷的垂直度測(cè)量方法，其能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，不僅節(jié)省了技術(shù)人員的投入，降低了現(xiàn)場(chǎng)工作難度，更重要的是對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性極強(qiáng)。運(yùn)用此方法對(duì)橋梁墩臺(tái)垂直度進(jìn)行測(cè)量，不僅降低了經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)極大地提高了工作效率，是一種高效可行的方法。