智能全站仪在悬索桥桥梁荷载试验中的应用研究

王海华

(广西交通科学研究院有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

桥梁荷载试验是对桥梁结构状态、性能进行检验的重要方法，检验结果对桥梁运行管理及养护维修都有重要意义。然而，静载试验的挠度测试存在很大困难，尤其是大跨径桥梁，采用传统设备仪器，不仅效率低下，耗时长，而且精度较差。智能全站仪的出现和应用，能从根本上缩短试验测试周期，降低温差对结构的影响，并保证测试精度。因此，在实际工作中，有必要在掌握智能全站仪特点、优势、原理的基础上，进行科学应用，以充分发挥应用效果。

1 智能全站仪优势特点分析——以TM50精密监测机器人为例

TM50精密监测机器人是由徕卡测量公司研制推出的最新智能全站仪，与相同类型的全站仪产品相比，该智能全站仪具有以下优势特点：

(1)超高测量精度，实际测角精度可达±0.5”，实际测距精度为0.6 mm+1 PPM。

(2)转动速度快，采用以压电陶瓷为基础的直接驱动方法，能大幅加快转速，最快时可达180°/s，切换时间在3 s以内，能有效提高测量效率。

(3)智能识别，全站仪设有识别装置，有效识别距离可以达到1 000 m。

(4)具有超级搜索功能，可对目标实施高速搜索，同时在智能识别的支持下，还能进行精确测量[1]。

由于具有以上功能，加之专业机载控制软件，该全站仪能完成自动化测量任务，是一种值得大范围推广应用、高效且精准的现代化测量设备。

2 智能全站仪测量基本原理

在大跨径悬索桥桥梁荷载试验中合理应用智能全站仪，前期准备工作应在桥梁外相对稳固的测站点架设仪器，并在桥梁结构测点安装目标棱镜，测站位置应尽可能接近各测点，与各测点构成通视良好的三角网，并减小竖直角。为对仪器布置状态是否达到稳定进行检验，还应按要求设置多个稳固可靠的后视点。

准备工作完成，且确认合格后，开始进行试验。智能全站仪在观测加载以前的高差为ha，而在加载之后的高差为hb，则测点挠度可表示为：

ω=hb-ha

(1)

高差值的计算公式为：

(2)

(3)

上式中，L——目标和全站仪之间的斜距；

D——目标和全站仪之间的平距；

α——目标和全站仪之间的竖直角；

i——全站仪高度；

v——棱镜高度；

K——大气折光系数；

R——地球曲率半径[2]。

试验时，棱镜与全站仪必须固定，同时每个工况的持续时间都应控制在20 min之内，通过对上述三个公式的推导，可得：

ω=hb-ha=L·sinαb-sinαa

(4)

采用上式即可对测点实际挠度进行计算，该过程由全站仪自动完成。

3 智能全站仪测量精度

对式(4)施以全微分，根据误差传播定律求取挠度中误差，即：

(5)

上式中，mω——挠度中误差；

mL——测距；

mα——角度中误差。

当加载之前与加载之后的观测条件都能达到稳定时，棱镜和全站仪都保持不动，中误差实际测量结果都完全相等。根据上述分析可知，TM50精密监测机器人的测距、测角精度分别为0.6 mm+1 PPM和±0.5”。采用式(5)对各条件下的桥梁结构挠度观测精度进行估算，结果如表1所示。

挠度中误差和竖直角之间的关系见图1。

图1 挠度中误差和竖直角关系示意图

由图1可知，水平距离与竖直角越大，挠度中误差越大，而随着测量距离的不断减小，对竖直角造成的影响增大[3]。

挠度中误差和水平距离之间的关系见图2。

图2 挠度中误差和水平距离关系示意图

由图2可知，目标点和测站点间距越大，挠度中误差越大。如果竖直角<25°，且水平距离<250 m，则中误差将低于±1.0 mm。

实际测量过程中，为防止粗差，可将智能全站仪调整成多测回模式，以提高全站仪实测精度。对于大跨径桥梁而言，其结构挠度往往很大，通过对智能全站仪的合理应用，能确保实测结果满足预期精度要求。

4 智能全站仪工程应用

文章以贵港市同济大桥为工程背景，研究智能全站仪的工程应用。本桥主桥为全长1 807.5 m的双塔自锚式悬索桥，主桥跨径组成为50 m+140 m+280 m+140 m+50 m。为对桥梁结构承载力进行检验，需采用静载试验的方法。主桥结构中的挠度测试采用TM50精密监测机器人，与此同时，在该桥的边跨和中跨跨中采用数字水准仪进行辅助测试。

同济大桥主桥挠度、变位测点如图3所示。在控制截面(编号C、E、F、G)、主跨八分点(编号B9～B14)、边跨及次边跨四分点(编号B1～B7、B16～B19)、塔梁结合处(编号B8、B15)布置桥面挠度测点；在主跨及次边跨主缆上布置主缆位移测点(编号C1～C9)；在南北两个主塔塔顶布置塔顶纵向水平偏位测点(编号D1和D2)。

试验时在上下游各布置1台全站仪，每台全站仪需要测量的测点数为34个。同时在桥面上左、右侧各布置2台数字水准仪进行桥面挠度关键测点联测比对。

图3 同济大桥主桥挠度、变位测点布置图(单位：m)

测量过程中，将智能全站仪调整为多测回模式，每次加卸载测量读数耗时不超过12 min，而桥面多台水准仪联测一次加卸载读数花费约27 min，与传统水准仪测量相比，智能全站仪极大提高了测量工作效率，并有效地减少了每个工况加卸期间温差对试验数据的影响。

4.1 智能全站仪实测结果和数字水准仪的对比

对主桥边跨与中跨的重要工况测量结果和理论值进行对比，结果如表2所示。

从表2数据可以看出，同级工况相同测点选用智能全站仪所得挠度实测结果和水准仪的挠度实测结果相差在1.1 mm以内，且相对误差也低于1.04%，说明两者实测结果十分接近，可对测试结果进行准确判断。

4.2 测试结果和理论值之间的对比

对同济大桥主桥边跨和中跨主要工况桥面挠度测点所得挠度结果和理论值进行对比，结果如图4、5所示。同济大桥主梁结构挠度的校验系数为0.756～0.829，钢箱主梁应变校验系数为0.922～1.000，据此可对桥梁结构刚度与强度进行综合评定，判断是否满足现行技术规范的要求[4]。

图4 工况1作用下挠度沿桥跨方向的分布情况曲线图

图5 工况8作用下挠度沿桥跨方向的分布情况曲线图

5 结语

通过上述分析，可得出以下主要结论：

(1)针对跨径较大，以及存在较高落差的桥梁，在其静载试验过程中应用先进智能全站仪对结构挠度进行测试合理可行，实际测试精度符合相关要求。

(2)TM50精密监测智能全站仪支持自动搜索与多测回等全新功能，能大幅度提高测试效率，并始终保持较高的测试精度，适用于时间紧张且结构复杂的荷载试验工作，只要操作正确，就能取得良好成效。

(3)智能全站仪借助红外光束对准测试目标，即使在夜间没有良好照明条件的情况下，也能进行正常工作，克服了夜间无法使用水准仪进行工作的难题。除此之外应注意：夜间往往气温较低，且能避免受到强光的影响，在条件允许的情况下，尽量在夜间进行试验与测试。