智能全站仪在大跨径桥梁荷载试验中的应用

毛建平，周小冬，覃乐勤

(1.广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029；2.广西壮族自治区沿海公路管理局，广西 钦州 535000)



智能全站仪在大跨径桥梁荷载试验中的应用

毛建平1，周小冬2，覃乐勤1

(1.广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029；2.广西壮族自治区沿海公路管理局，广西 钦州 535000)

文章基于智能全站仪的测量原理，采用误差传播定律推导了全站仪测量挠度的精度表达式，拟合出中误差与测量角度及测量距离的关系曲线，确定了不同角度及距离的测量精度范围，并结合实际工程应用，将该方法与精密水准仪测试结果进行比较分析，验证了该方法在大跨径桥梁荷载试验中完全满足测试要求。

智能全站仪；大跨径桥梁；荷载试验；精度

0 引言

桥梁的挠度反映桥梁结构受力，是桥梁荷载试验的重要控制指标。桥梁荷载试验时间有限，挠度测量工作往往费事费力，成为桥梁试验成败的关键。如何在保证测量精度的前提下，选择更加快捷、稳定的测量方法对于桥梁荷载试验意义重大。

目前桥梁荷载试验过程挠度测量的常用方法有：仪表测量法，静力水准法、精密水准法等。各类方法各有优缺点，如仪表测量法，精度高、数据采集及保存便捷，但受桥梁环境条件限制大，桥下有水时适用性不强。静力水准法精度虽高，但量程较小(一般在20 cm以内)。精密水准法配合固定标尺，效率及精度均较高，但是此方法对视距有限制，当仪器和标尺距离超过50 m时，效果不佳[1]。

对于大跨径、高落差的桥梁荷载试验的挠度测试，急需一种精度高且快捷、稳定的测试设备，智能全站仪不失为一种选择。以下以Leica公司的TS30智能全站仪为例，对其在大跨径桥梁荷载试验中的应用进行探讨。

1 TS30智能全站仪特点

2009年徕卡测量公司推出TS30全站仪，是一款替代TCA 2003的高精度智能型测量机器人。与以前同类产品或同期其他公司的产品相比，TS30具有以下几大优势：

(1)高精度，测角精度：±0.5″，有棱镜工作，测距精度：0.6 mm+1 PPM。

(2)转速快，基于压电陶瓷的直接驱动技术，可提高转速，仪器最大转速为180°/s，盘左盘右切换≤3 s，大大节省测量时间。

(3)高智能目标识别能力，仪器自带的ATR智能照准识别系统，其自动目标识别距离最大可达1 000 m。

(4)超级搜索(PowerSearch)功能(简称：PS技术)，PS技术可实现在360°范围内对测量目标进行快速自动地搜索，配合ATR智能照准识别系统可实现全自动精确测量。

基于上述功能，配合专门开发的机载软件，TS30全站仪可实现自动化测量，是一种精确、高效的测量设备。

2 测量原理

采用TS30全站仪测试桥梁荷载试验挠度，准备工作需将目标棱镜安装在事先计划好的测点位置处。再确定测站点，条件允许的情况下宜尽量将仪器置于桥梁外稳固处，如不满足条件可将仪器置于墩顶处桥面上。为保证精度要求，应确保测站与棱镜位置尽量接近，且竖直角尽量小。为检验仪器是否稳定需设置后视点，后视点宜布置在桥跨外的稳定位置处。

试验开始后，全站仪观测加载前高差ha，加载后高差hb，目标点的挠度值公式为：

ω=hb-ha

(1)

每次高差测试值公式为：

(2)

(3)

式中：

La、Lb——仪器距目标的斜距；

Da、Db——仪器距目标的平距；

αa、αb——仪器距目标的竖直角；

ia、ib——仪器高；

va、vb——棱镜高；

Ka、Kb——大气折光系数；

R——地球曲率半径。

荷载试验过程仪器和棱镜固定，且每工况持续时间一般在20 min以内，故可认为：ia=ib，va=vb，La=Lb=L，Da=Db=D，Ka=Kb=K，则有：

ω=hb-ha=L·(sinαb-sinαa)

(4)

根据(4)式可计算的荷载试验过程目标点的挠度值，上述计算可由仪器自带程序自行完成。

3 精度分析

对式(4)进行全微分，利用误差传播定律可得挠度中误差，见下式：

(5)

式中：

mω——挠度中误差；

mL、mα——测距及角度中误差，考虑加载前后观测条件稳定，仪器以及棱镜固定不动，故该两中误差每次测量均相等。TS30全站仪测距精度mL=0.6 mm+1 PPM，测角精度mα=±0.5″。根据公式(5)计算不同距离和竖直角情况下挠度观测的精度估算值，见表1。

表1 全站仪观测挠度精度估算值(mm)表

挠度中误差与竖直角的关系曲线如图1所示。由图可知中误差随水平距离及竖直角增大而增大，测量距离越短竖直角影响越大，随测量距离增大竖直角的影响越小。

图1 竖直角与中误差变化曲线图

挠度中误差与水平距离的关系曲线如图2所示。测站点到目标点距离增大时，中误差增长明显。当竖直角在25°以内，水平距离在250m以内时，挠度测量值中误差优于±1mm。

图2 水平距离与中误差变化曲线图

4 工程应用

广西南宁市葫芦顶大桥位于南宁市东南边，是跨越邕江的一座预应力连续刚构桥。该桥全长1 127.8 m，其中，主桥长480 m，跨径组合：(125+230+125)m。为检验桥梁实际承载能力，对该桥进行了静载试验。主桥挠度测试采用TS30智能全站仪测试，并在关键的边、中跨跨中点采用精密水准仪(DINI 03型)进行辅助测量，测点布置情况如图3所示。

图3 挠度测点布置示意图(单位：cm)

本次试验在夜间进行，利用TS30智能全站仪多测回自动测量功能，大大提高了试验效率，整个试验持续6 h，完成全桥8个工况的静载试验。

(1)全站仪与水准仪测量值比较

将主桥边、中跨主要工况满载时各测点弹性挠度值与理论值进行比较，见表2。

表2 全站仪与水准仪测量结果比较表

注：工况1验证中跨跨中最大正弯矩效应，分3级加载，工况2验证边跨最大正弯矩效应，分2级加载

由表2可知：同工况同测点采用全站仪测量挠度值与精密水准仪测量挠度的差值绝对值<0.21 mm，相对误差<2.91%，两者非常接近，可判断测试结果的有效性，同时也说明采用TS30智能全站仪测量桥梁试验挠度的可靠性。

(2)测试结果与理论值进行比较

将主桥边、中跨主要工况满载时各测点弹性挠度值与理论值进行比较，其挠曲线见图4～5。主桥挠度校验系数在0.72～0.84间，对应的应变校验系数在0.45～0.74间，可评定结构强度及刚度均满足规范[2]要求。

图4 中跨最大正弯矩效应满载时挠曲线图

图5 边跨最大正弯矩效应满载时挠曲线图

5 结语

(1)对于大跨径或高落差的桥梁采用智能全站仪测试挠度是可行的，其精度满足试验要求。

(2)TS30智能型全站仪具有的自动搜索及自动多测回测量功能，可大大提高测试精度及效率，对时间要求紧迫的桥梁荷载试验有较好的适用性。

(3)全站仪采用红外光束照准目标，夜间无需照明可正常工作，避免了精密水准仪夜间工作困难的问题。夜间气温稳定，亦可避开强光干扰，建议荷载试验均选择夜间进行。

[1]余加勇，彭旺虎，朱建军，等.测量机器人在大跨径桥梁检测中的应用研究[J].中南公路工程，2007(6)：33.

[2]JTG/T J21-2011，公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

Application of Intelligent Total Station in Large-span Bridge Load Test

MAO Jian-ping1，ZHOU Xiao-dong2，QIN Le-qin1

(1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029；2.Guangxi Coastal Highway Administration，Qinzhou，Guangxi，535000)

Based on the measuring principle of total station，this article derived the deflection measure-ment accuracy expressions of total station by using the error propagation method，fitted out the relation-ship curve among the errors and measurement angle and measurement distance，determined the measurement accuracy range of different angles and distances，and then combined with practical engi-neering application，it compared and analyzed this method with the test results by precise level，and verified that this method fully meets the test requirements in large-span bridge load tests.

Intelligent total station；Large-span bridges；Load test；Accuracy

U441+.2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.09.023

1673-4874(2016)09-0087-03

2016-04-20

毛建平(1985—)，工程师，研究方向：桥梁检测、监控及加固；

周小冬(1978—)，工程师，从事公路桥梁建设、管养工作；

覃乐勤(1986—)，工程师，研究方向：桥梁检测、监控及加固。