基于无人机航测多源数据的桥梁隧道静力特性分析

聂 丹，张海连

(1.闽西职业技术学院 城乡建筑学院，福建 龙岩 364021；2.华侨大学 材料科学与工程学院，福建 厦门 362021)

城市的发展过程离不开桥梁隧道的建设。随着时代的发展，人们对桥梁隧道的结构安全性提出了更高的要求，因此研究桥梁隧道静力特性具有重要意义[1-2]。当前一般利用有限元模拟对桥梁隧道静力特性进行分析，但得到的结果与实际结果不符，使得桥梁隧道结构存在一定的安全隐患[3-4]。

无人机与数码影像等技术为航空摄影提供了新的可能[5-6]。采用无人机航测技术获取多源数据并将其应用于桥梁隧道静力特性分析可降低数据误差，保障桥梁隧道结构的安全。为此，笔者采用此方法对复杂的水下隧道和缆索协作体系桥梁的静力特性进行分析。

1 基于无人机航测技术采集多源数据

1.1 工作流程

依据图1描述的工作流程对航测多源数据进行采集。

1.2 像控点布设和数码相机校验

像片控制点平面位置和高程的测量需借助城市CORS系统完成，地方坐标系的建立以其计算测量的参数作为坐标数据，其确定的电子刺点即为校验的像控点[7]。

针对数字相机的特性，利用共线数据之间的函数关系，把坐标以数值形式代入方程，然后运用后方空间交会的计算方法，求出相机的方位数据、畸变系数等一系列参数[8-9]。共线方程可描述成

(1)

将像点坐标当成观测值，获取误差方程式：

e=ax+bx+cx-l

(2)

式中：(x,y)表示像控点的坐标；f表示影像内的不同方位的各个元素；(X,Y,Z)表示不同物体的空间坐标；a、b、c表示由同一影像3个不同外方位角元素组成的不同方向的余弦向量；ax表示航测影像外方位元素；bx表示航测影像内方位元素；cx表示附加参数；l用于描述光学畸变修正项。

1.3 航摄设计

航摄设计主要包括摄影基线与旁向间隔、像片重叠度分析2个阶段。

把相邻的两摄站连接起来，就可把这个连线作为摄影基线。摄影基线受很多因素影响，最重要的是旁向间隔长度以及航线重叠度，但是也不能忽略像素数地面和分辨率对其的影响[10]，对摄影基线造成影响的各元素之间的关系(像素数、地面和分辨率)表示如下：

sx=hx(1-ux)

(3)

dy=hy(1-uy)

(4)

(5)

(6)

其中:sx表示影像中摄影基线的长度；Sx表示实地测量的摄影基线长度；dy表示影像中航线间隔宽度；Dy表示实地测量的航线间隔宽度；hx、hy表示影像的长度与宽度；ux、uy表示影像中航向和旁向重叠程度；z用于描述焦距；G用于描述摄影航高。

像片重叠度大小通过像片重叠度进行描述，重叠部分长度和像幅长度之间的百分比被称为重叠度。图2为像片重叠度的示意图，ux、uy为航向与旁向重叠部分的像片长度(uy为旁向重叠度，相邻航线的重叠度在该图2中无法体现)，h为像幅长度。地面起伏造成重叠度改变情况用图3进行描述，图中vx、vy代表航向与旁向重叠度，则有

(7)

(8)

无人机遥感系统中的航向重叠程度一般在60%～80%。

1.4 业内加密

为达到无控制自由网平差的目的，应在平差前，利用畸变纠正程序对试验的空中场地图像进行修正。同时在操作过程中进行航线修订以及降低数据粗差等工作，在保证全部点都是同名点的情况下，检查测区中是否存在漏电情况，并以增加连接点的方式提高模型间的连接强度，通过加密软件完成加密处理[11]。

1.5 准确性分析

为验证无人机航测得到多源数据的准确性，先在像片上进行测算，同时利用GPS对像片上的重要位置进行定位，确定坐标，然后将计算坐标与实际坐标相比较，计算平面点位中的坐标误差，误差在20 cm以下则认为符合测量要求。通过表1所示的地物点精度统计表可看出，大部分测量结果符合测量要求，这进一步表明无人机航测的多源数据可用于桥梁隧道静力特性分析中。

表1 地物点精度统计

2 隧道静力特性分析

2.1 工程概况

选取某一隧道作为研究对象，该隧道总长为2.5 km，地质条件较为恶劣。隧道沿线底层大部分是砂层与黏土层，其土层的主要工程地质参数见表2[12]。因具有极强的适应性和稳定性，泥水平衡式盾构常被用于施工中。为确保工程有序进行，管片环的承压能力最高为55 MPa。盾构隧道主要包括始发井、海底隧道和接收井。

表2 土层主要工程地质参数

2.2 实测结果分析

对隧道的不同断面形态进行分析，了解管片环的性能，保障隧道结构安全。采用无人机航测技术选择合理监测点，通过应变计与钢筋计对应力与环向钢筋应力进行采集，外侧监测点记作R1、R3、R5与R7，内侧监测点记作R2、R4、R6和R8，R1、R2代表拱顶外侧与内侧，R3、R4代表左拱肩外侧与内侧，R5、R6代表拱底外侧与内侧，R7、R8代表右拱腰外侧与内侧[13]。

管片环向钢筋应力随时间的改变情况用图4表示。管片环内外侧钢筋应力的改变情况可分成4个阶段，当初步完成隧道内的盾构施工和管片拼装工作后，钢筋应力逐渐升高。第2个阶段钢筋应力升高幅度较缓，管片受力稳定，钢筋应力改变程度不大。第3个阶段外侧筋应力继续升高，内侧改变不大，其他位置钢筋应力均有较大提升。第4个阶段钢筋应力都在一定程度上有所降低。

分析图4可知，隧道内外侧的钢筋都受到外界荷载共同作用，但是拱顶和拱底的外侧钢筋受到的应力远远大于内侧拱顶和拱底所受的应力。然而，拱腰右侧的内外钢筋的受力情况与拱顶和拱底之间的关系恰好相反，但左拱肩所受的应力情况却与之相同。造成这种现象的原因主要在于高水头易导致压力过大，产生弯矩作用力，使拱顶与拱腰分别受正负弯矩作用力的影响，从而使拱腰内外侧的钢筋对应力的承受能力不同。

3 桥梁静力特性分析

3.1 工程背景

某过江通道设计方案选用主跨1 400 m缆索协作体系，主缆跨度是(530+1 400+530) m，加劲梁作为主跨，其悬吊部分在1 100 m处。由于塔梁固结形成的结构稳定，所以选择其做为桥梁的主体结构，而两岸锚碇选择分别承重且相对稳定的独立重力式结构。

3.2 加劲梁受力分析

在无人机航测多源数据的基础上，通过空间梁格法完成对连续箱梁的内力分析，按照梁格法计算理论，把箱梁在水平方向上离散成6根纵向构件，需保证离散处理前后截面总面积和总竖向抗弯惯性矩保持不变[14]。

为便于分析，将腹板和横梁进行编号，从钝角侧到锐角侧腹板依次编为F1、F2、F3和F4，依据斜交到正交方向，将横梁编为T1、T2、T3、T4。不同横梁位置支承边界条件如表3所示，横梁左侧和右侧分别于箱梁钝角侧和箱梁锐角侧且一一对应。

表3 边界条件情况

为研究斜交角度对桥梁的影响，分析横梁T1处斜交角度是90°、70°和50°三种情况下，F1～F4腹板轴向弯矩沿桥向分布情况，详细情况见图5。

3.3 主缆和吊索受力分析

桥梁的关键受力部分主要由主缆和吊索组成的缆索协作体系构成，吊索直接承担钢箱梁的重量，然后吊索连接主缆分担，最后将重量分担到整个桥梁。主缆和吊索的大小需符合结构受力安全规定，与此同时，最大程度保证经济合理性。

最不利工况下的主缆安全系数如表4。

表4 主缆安全系数

由表4可知，主缆安全系数高于2.0，最高是2.7，主缆截面设计较为安全和合理，且经济性好。

最不利的状态下吊索应力包络图见图6，活载作用下吊索应力幅见图7。

吊索抗拉强度的最大值不超过1 700 MPa，如果吊索安全系数为3.0，那么吊索可承受最大应力在580 MPa之内。

分析图6可知，吊索应力低于580 MPa，应力和安全系数呈反比例关系，也就是安全系数高于3.0。分析图7可知，吊索活载应力幅都低于90 MPa。

通过以上分析可得，虽然桥梁隧道在主缆绳截面选择的标准有所降低，但在安全和活载应力等多方面的数据都达到实际施工的标准。

4 结论

笔者采用无人机航测技术采集多源数据，对桥梁隧道静力特性进行分析。

采用无人机航测采集多源数据，经验证大部分测量结果符合测量要求，表明无人机航测多源数据可用于桥梁隧道静力特性分析中。

在隧道静力特性分析时，虽然桥梁隧道内外侧的钢筋都受到外界荷载和拉力的共同作用，但是，拱顶和拱底的外侧钢筋受到的应力远远大于内侧，并且内侧和拱底相差更大。拱腰右侧的内外钢筋的受力情况与拱顶和拱底之间的关系恰好相反，但左拱肩所受的应力情况却与之相同。

在桥梁静力特性分析时，通过改变腹板的长度和所受内力的大小得到腹板的不同状态，然后选取极端状态下的数据对钢束的情况进行不同的配置。与跨度相同的悬索桥相比，虽然桥梁隧道在主缆绳截面的选择上标准有所降低，但是在安全和活载应力等多方面的数据测量上都达到实际施工的标准。