桥梁墩柱竖直度检测方法及其精度分析

崔后吉

(安徽省公路工程检测中心；桥梁与隧道工程检测安徽省重点实验室,安徽 合肥 230051)

桥梁墩柱的竖直度将直接影响到桥梁结构的受力状态，因此高效而准确的竖直度检测是非常必要的。一些学者对竖直度检测方法进行了研究，寇光明[1]总结了坐标法、垂线法、弧长公式法、全站仪+直尺法的优缺点，余加勇等[2]提出了柱状构筑物垂直度非接触检测方法，还有一些学者提出了采用全站仪对圆柱进行偏心测量,等等。

文献[3]对桥梁墩柱的竖直度允许偏差规定见表1。对比该文献2004版本的相关规定：0.3%H且不大于20 mm(H为墩柱高度),可以发现新标准对于工程中常见的高度20m内墩柱竖直度要求更高。新的变化从一方面可以表明竖直度指标的重要性，另一方面也意味着我们在选用竖直度检测方法时须更加注重精度。本文通过对垂线法、经纬仪法以及全站仪平距法进行分析，得出一些有益结论。

表1 竖直度允许偏差

1 垂线法

图1中的Δd代表的就是桥梁墩柱竖直度。

图1 桥梁墩柱竖直度

沿墩柱测试部位吊下线锤，线锤应尽量靠近墩柱表面且留有空隙。待线锤稳定后，用量尺量取墩柱上部表面到垂线的水平距离和下部表面到垂线的水平距离，两者之差即为该测试部位的竖直度。

垂线法是竖直度检测的传统方法，不需要借助复杂的仪器设备，非常适合施工过程中模板的快速校正以及矮墩的竖直度检测。但该方法对环境条件要求较高，表2[4]列出了10 m高度不同风力等级下垂线的摆动幅度。

表2 垂线受风力的影响

由表2可以看出，风力在2级时，垂线的摆动幅度就达到了2 mm。因此，检测只能选在无风的条件下进行。同时还需要将人员送到墩柱顶部，对检测人员的责任心要求较高，控制精度比其他方法略差。

2 经纬仪法

笔者以为使用经纬仪测竖直度有两种方法。

第一种方法是用经纬仪瞄准墩柱顶部边缘，锁定水平盘后旋转竖盘至墩柱底部，解锁水平盘，微调至瞄准墩柱底部边缘，记录此转动角度α，如图1所示。同时测量仪器到墩柱边缘之间的距离s，利用弧长计算公式计算竖直度：

Δd=απs/180

(1)

图2 经纬仪法一

该方法的优点是比垂线法的精度高。σα为测角中误差，σs为测距中误差，则根据公式(1)推导出竖直度的中误差σd的计算公式如下：

(2)

不妨取测角中误差2″，测距中误差0.05 m，绘制等值线如图3所示。

图3 竖直度中误差等值图(单位：mm)

由图3可知,在角度小于1°、距离小于40 m的范围内，竖直度检测精度优于1 mm。

第二种方法是利用经纬仪提供的“铅垂线”，用钢直尺量取墩柱上部表面到“铅垂线”的水平距离和下部表面到“铅垂线”的水平距离。水平距离通过仪器望远镜中的“铅垂线”与钢直尺交点读取，两者之差即为该测试部位的竖直度。为简化测量，可使“铅垂线”与墩柱上部表面重合。

图4 经纬仪法二

可以看出，第二种方法是第一种方法的简化，使用时应注意直尺的摆放位置和角度。经纬仪法的缺点是需要用钢尺测量仪器与墩柱的距离且需要多次架设仪器，受地势影响非常大。

3 全站仪平距法

在墩柱测试正面架设全站仪，利用全站仪免棱镜的测距功能，测量墩柱上部表面到仪器的水平距离，锁定水平盘后旋转竖盘，测量下部表面到仪器的水平距离，两者之差即为该测试部位的竖直度。同时可用全站仪测量测试范围内墩柱的高度。

对于圆形截面墩柱，应采用全站仪对墩柱外表面进行角度测量，计算墩柱上下部位的中心点后进行平距测试，如图5如示。

图5 中心点确定示意图

全站仪平距法的精度取决于仪器精度。以拓普康MS05全站仪为例，其免棱镜模式测距标称精度1 mm。根据大量的实验反馈，实际的精度要优于其标称精度。全站仪平距法需要检测人熟知仪器的用户手册和相关规范规定，全面了解所用仪器的性能、原理、各项参数的意义和设置，做到知其然并知其所以然，才能避免人为地降低检测成果的精度。

该方法和经纬仪法的精度相近，但受地势影响小，可轻松获得墩柱的高度，且无须用钢卷尺量测距离。缺点是对于圆形截面墩柱仍需要多次架设仪器。笔者认为此情况下可以将其与经纬仪法相结合，相当于一次建站完成两个方向的竖直度检测。

4 结 论

由上述分析得出如下结论：

(1)经纬仪法和全站仪平距法的精度相近，垂线法次之。

(2)垂线法受环境影响大，经纬仪法受地势影响大，全站仪平距法对检测人员能力要求高。三种方法各有优缺点，现场检测时应根据条件合理选择检测方法。

(3)对于圆形截面墩柱，可以将全站仪平距法和经纬仪法结合使用，提高检测效率。

(4)无论采用哪种方法，都需要测试部位的混凝土表面洁净、平整。