大跨度橋梁橋面線形測(cè)量新方法

徐進(jìn)軍，廖　驊，韓達(dá)光，邢　誠(chéng)

(1. 武漢大學(xué)精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079；

2. 中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

New Methods for Deflection Measurement of Bridge with Large Span

XU Jinjun，LIAO Hua，HAN Daguang，XING Cheng

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大跨度橋梁橋面線形測(cè)量新方法

徐進(jìn)軍1，廖驊1，韓達(dá)光2，邢誠(chéng)1

(1. 武漢大學(xué)精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079；

2. 中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

New Methods for Deflection Measurement of Bridge with Large Span

XU Jinjun，LIAO Hua，HAN Daguang，XING Cheng

摘要：對(duì)于大跨徑橋梁而言，在荷載試驗(yàn)中獲得全橋線形狀況具有很重要的意義。本文首先介紹了現(xiàn)有4種全橋線形測(cè)量方法及其特點(diǎn)，然后以某大橋靜態(tài)荷載試驗(yàn)為例，重點(diǎn)討論了地面三維激光掃描技術(shù)和地基雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)的特點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與變形對(duì)比。結(jié)果驗(yàn)證了新方法的有效性。

關(guān)鍵詞：全橋線形；地面三維激光掃描；地基雷達(dá)干涉測(cè)量；靜態(tài)荷載試驗(yàn)

一、現(xiàn)有全橋線形測(cè)量方法

橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)是在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接加載后的一項(xiàng)測(cè)量橋梁結(jié)構(gòu)一系列幾何和物理參數(shù)的科學(xué)試驗(yàn)工作。通過(guò)荷載試驗(yàn)，可以了解試驗(yàn)荷載作用下的橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全承載能力，評(píng)價(jià)營(yíng)運(yùn)質(zhì)量。荷載下全橋線形狀態(tài)測(cè)量是其中的一項(xiàng)重要工作內(nèi)容，要獲取全橋線形，必須測(cè)量整個(gè)橋軸線上不同位置處的高程變化?，F(xiàn)階段全橋線形測(cè)量技術(shù)主要采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量、三角高程測(cè)量、連通管及傾斜儀測(cè)量等。這些技術(shù)方法的特點(diǎn)簡(jiǎn)述如下。

1) 幾何水準(zhǔn)測(cè)量[1-2]：在橋面的橋軸線方向上埋設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)，采用精密幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法，與岸上固定的水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)，獲得各水準(zhǔn)點(diǎn)的高程。不同狀態(tài)下各水準(zhǔn)點(diǎn)高程之差可得到沉降值，進(jìn)而得到橋體線形，如圖1所示。

圖1　水準(zhǔn)測(cè)量法的撓度測(cè)量

這種方法作業(yè)簡(jiǎn)單，測(cè)程大、精度高，但水準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)和外業(yè)測(cè)量等的工作量大，對(duì)較長(zhǎng)的橋梁，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng) 。

2) 三角高程測(cè)量[3-4]：也稱(chēng)全站儀測(cè)量法。在通視好、穩(wěn)定的地方架設(shè)全站儀，一般在橋體側(cè)面安置反射棱鏡，同時(shí)在岸坡或橋墩(臺(tái))等穩(wěn)定處安置反射棱鏡。測(cè)量同一狀態(tài)下各棱鏡點(diǎn)的三維坐標(biāo)，反算出橋體側(cè)面的棱鏡點(diǎn)間的水平距離與其相對(duì)于穩(wěn)定處棱鏡點(diǎn)的高程。對(duì)不同狀態(tài)下高程進(jìn)行比較得到高差，進(jìn)而得到橋體線形，如圖2所示。

圖2　全站儀法的撓度測(cè)量

這種方法測(cè)量簡(jiǎn)單靈活，測(cè)程長(zhǎng)，不受地形條件限制，測(cè)量工作量小。由于單向測(cè)量，為了最大限度消除球氣差影響，一般適合在晚上測(cè)量。同時(shí)，過(guò)大的垂直角容易產(chǎn)生較大的高程誤差。

3) 連通管測(cè)量[5-6]：在橋墩固定不變的位置上放置容量較大的母容器(基準(zhǔn)桶)，在橋梁不同部位安置子容器，將連接各子容器和母容器的連通管固定在橋體側(cè)壁上。在各容器的上部安置有位移傳感器，可自動(dòng)、連續(xù)地讀取液面高度的變化。通過(guò)計(jì)算兩個(gè)時(shí)刻各個(gè)容器高度變化來(lái)獲取出各子容器部位相對(duì)于母容器部位的高程變化，進(jìn)而確定橋體的線形狀態(tài)，如圖3所示。

圖3　連通管法的撓度測(cè)量

連通管式傳感器可以達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，且能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)沉降的同步監(jiān)測(cè)。安置完成以后，具有測(cè)量精度高、不受測(cè)量距離限制及橋梁現(xiàn)場(chǎng)雨霧的影響等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。不足之處是初期的安置和調(diào)試比較費(fèi)力，中途維護(hù)需要一定的成本，測(cè)量結(jié)果受溫度影響較大，量程有限。

4) 傾斜儀測(cè)量[7]：也稱(chēng)傾角法測(cè)量。沿橋軸線方向在橋梁不同部位埋設(shè)傾角儀。假定初始狀態(tài)下是水平的，傾角為0。發(fā)生沉降后該點(diǎn)測(cè)量切線與其截面傾角為α。根據(jù)不同部位的傾角值可擬合出撓度曲線，這樣就可以求得橋梁上線形狀態(tài)，如圖4所示。

圖4　傾角法的撓度測(cè)量

這種測(cè)量方法簡(jiǎn)單可靠，但需要預(yù)先進(jìn)行軸線放樣，確定儀器的埋設(shè)方向。與連通管一樣，先期準(zhǔn)備工作較大，測(cè)程受到一定限制；需要補(bǔ)點(diǎn)時(shí)相對(duì)比較麻煩。

上述的橋面線形測(cè)量方法可以歸納成單點(diǎn)、接觸式的測(cè)量模式，即要在橋體上預(yù)先埋設(shè)測(cè)點(diǎn)，而且埋設(shè)的測(cè)量是有限的。新的測(cè)量技術(shù)——地面三維激光掃描技術(shù)和地基雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)采用了無(wú)接觸、連續(xù)面式或連續(xù)線式及準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量，省去了大量設(shè)備埋設(shè)工作，同時(shí)可以從細(xì)部上了解橋梁整體結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形狀態(tài)，便于實(shí)現(xiàn)全橋的線形測(cè)量與分析，是對(duì)已有測(cè)量方法的有效補(bǔ)充。

二、橋面線形測(cè)量的新技術(shù)

1. 工程概況

位于長(zhǎng)江主河道的某特大型橋梁，橋型為三塔斜拉橋，兩個(gè)主跨約為616 m，雙向6車(chē)道，橋面寬度為29.5 m，通車(chē)前進(jìn)行了靜態(tài)荷載試驗(yàn)。

本文中的測(cè)量只在一個(gè)跨上進(jìn)行。該跨上的靜態(tài)荷載全程可以分成4種工況：

1) 工況1——空載：橋面上沒(méi)有荷載。

2) 工況2——半載：橋面跨中央加載設(shè)計(jì)荷載的一半。

3) 工況3——滿(mǎn)載：橋面跨中央加滿(mǎn)設(shè)計(jì)荷載。

4) 工況4——空載：荷載駛離后橋面上沒(méi)有荷載。

在整個(gè)過(guò)程中，采用了地基雷達(dá)干涉測(cè)量?jī)x對(duì)橋底在不同工況下的變形進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，同時(shí)在江堤上利用地面三維激光掃描儀對(duì)塔柱和橋體進(jìn)行了測(cè)量。

2. 基于地基雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)的橋線性測(cè)量

干涉測(cè)量成像(image by interfereometric survey，IBIS)系統(tǒng)能夠?qū)δ繕?biāo)物進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大范圍的全天候連續(xù)監(jiān)測(cè)，可測(cè)量目標(biāo)物在雷達(dá)視線向的精確變化量。IBIS系統(tǒng)包括IBIS-S、IBIS-L和IBIS-M 3種型號(hào)。

IBIS-S 系統(tǒng)主要應(yīng)用于高層建筑、橋梁、高塔等線狀目標(biāo)物的微小形變監(jiān)測(cè)。其最大監(jiān)測(cè)距離為1 km，視線上的距離分辨率為0.5 m，最大采樣頻率可達(dá) 200 Hz。由于采用了干涉法測(cè)量距離的變化，因此，視線上長(zhǎng)度變化的測(cè)量精度可達(dá)0.01~0.1 mm。由于地基雷達(dá)系統(tǒng)在時(shí)間和空間上具有較高分辨率，從其形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中可提取多個(gè)連續(xù)分辨單元的形變時(shí)間序列，分析其撓度、線形和震動(dòng)特征[8]。

對(duì)該大橋進(jìn)行線形監(jiān)測(cè)時(shí)，先將儀器置于橋底下面，調(diào)整儀器測(cè)量方向。對(duì)某一變形單元，儀器能測(cè)量出其中心到該單元的視線向長(zhǎng)度(斜距)R及該視線向上長(zhǎng)度的微小變化r(如圖5所示)。要得到該單元在垂直方向的微小變化d，還需要進(jìn)行必要的變換。為此，需要測(cè)量出儀器到橋底面的高度h，然后通過(guò)三角形相似關(guān)系，將視線向的變化量r轉(zhuǎn)換到垂直方向的變化量d，即

(1)

以近岸橋墩為起點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后發(fā)現(xiàn)：靜載試驗(yàn)中，跨中單元在時(shí)刻1600s左右第1批負(fù)載車(chē)輛駛?cè)霕蚩?半載)，2800s進(jìn)入第2批負(fù)載車(chē)輛(滿(mǎn)載)，3900s車(chē)輛駛離橋垮(空載)，車(chē)輛的進(jìn)入和駛出均有一個(gè)逐漸穩(wěn)定的過(guò)程(如圖6所示)?？缰?離橋臺(tái)近300m處)變量最大，向兩側(cè)逐漸減小，有很強(qiáng)的對(duì)稱(chēng)性[9](如圖7所示)。

圖5　GB-SAR監(jiān)測(cè)與沉降歸算

圖6　GB-SAR跨中點(diǎn)的變形曲線

圖7　不同工況下的GB-SAR測(cè)量的線形曲線

3. 基于地面三維激光掃描技術(shù)的橋線性測(cè)量

地面三維激光掃描儀的單點(diǎn)三維坐標(biāo)的測(cè)量方式與免棱鏡全站儀相同，即其距離測(cè)量時(shí)利用了物體表面的漫反射，也就是免棱鏡模式，通過(guò)掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面點(diǎn)三維坐標(biāo)的高精度、高速度和高密度測(cè)量。目前掃描儀的測(cè)量速度在百萬(wàn)次每秒，精度在百米左右能達(dá)到毫米級(jí)，更長(zhǎng)距離多在厘米級(jí)。基于此，可以利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并應(yīng)用到橋梁的線性測(cè)量中。

在合適的位置安置整平掃描儀，安置地點(diǎn)需穩(wěn)定、少干擾，且盡可能增加掃描測(cè)量面積大，以便于提高精度和增加測(cè)程。在不同荷載狀態(tài)下，對(duì)整個(gè)橋底面進(jìn)行掃描。整個(gè)荷載試驗(yàn)期間保持掃描儀不動(dòng)，保證變形值在同一基準(zhǔn)下。由于兩期掃描測(cè)量的點(diǎn)具有不可重復(fù)性，因此，不能夠按照常規(guī)單點(diǎn)分析方法進(jìn)行， 而須結(jié)合具體的測(cè)量對(duì)象和點(diǎn)云測(cè)量狀況，采用適合的數(shù)據(jù)處理方法[10-11]。

采用Riegl VZ400地面三維激光掃描儀，該大橋的橋底面照片及其掃描點(diǎn)云如圖8所示。由于測(cè)量時(shí)要顧及塔柱，因此此次所能測(cè)量的橋底部長(zhǎng)度100多米。其中儀器距橋底最近處約300 m，最遠(yuǎn)處約400 m。

圖8　橋底照片與掃描點(diǎn)云

為了便于變形分析與解釋?zhuān)紫雀鶕?jù)儀器全景掃描獲得的點(diǎn)云，選取特征點(diǎn)(如橋側(cè)面的等高點(diǎn))，實(shí)現(xiàn)掃描點(diǎn)云從儀器坐標(biāo)系到橋軸坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

橋底掃描獲取的點(diǎn)云都是線狀，這些掃描線具有一定的寬度和厚度。為了盡可能消除粗差點(diǎn)，采用RANSAC算法擬合空間直線。為提高計(jì)算效率，直接選取了點(diǎn)云線的兩端的一段點(diǎn)集作為RANSAC的初始值。利用RANSAC算法可得到各條掃描線的空間直線方程

(2)

圖9　不同工況下的掃描測(cè)量的線形曲線

圖10　不同工況下的撓度曲線

在超過(guò)300m的距離內(nèi)能達(dá)到這樣的結(jié)果，符合設(shè)備標(biāo)稱(chēng)精度，比較理想。如果將掃描儀置于橋底進(jìn)行測(cè)量，大大縮短測(cè)量距離，則既可提高精度，又可以顯著增加所測(cè)量的橋底長(zhǎng)度，將會(huì)得到更好的結(jié)果。

三、結(jié)束語(yǔ)

地面三維激光掃描技術(shù)和地基雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)，具有無(wú)接觸、大測(cè)程、準(zhǔn)實(shí)時(shí)、高幾何分辨率等特點(diǎn)，可對(duì)現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行有效補(bǔ)充。就目前而言，地基雷達(dá)干涉測(cè)量的設(shè)備精度最高，但費(fèi)用較高，容易受到外界水汽變化和變形體周?chē)矬w反射的影響；地面三維激光掃描在測(cè)量精度和測(cè)程上還有待進(jìn)一步改進(jìn)和提升。因此，結(jié)合工程的具體情況，選擇優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的測(cè)量技術(shù)相互融合，將是獲取目標(biāo)物高分辨率、高精度、多維度變形信息的有效手段。

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引文格式： 徐進(jìn)軍，廖驊，韓達(dá)光，等. 大跨度橋梁橋面線形測(cè)量新方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(1)：91-94.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0023.

作者簡(jiǎn)介：徐進(jìn)軍(1966—)，男，教授，主要從事精密工程測(cè)量及變形監(jiān)測(cè)與分析方面的教學(xué)與研究工作。E-mail: jjxu@sgg.whu.edu.cn

收稿日期：2014-09-25

中圖分類(lèi)號(hào)：P258

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)01-0091-04