LEICA超高精度智能全站儀在橋梁靜動(dòng)荷載試驗(yàn)中的應(yīng)用

李科偉

摘 要：文章探討了使用徠卡0.5秒超高精度的TS60智能全站儀，結(jié)合開發(fā)的軟件系統(tǒng)在橋梁的靜、動(dòng)荷載試驗(yàn)中，對(duì)橋梁的撓度和位移變形進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量，其目的是完善橋梁檢測(cè)中橋梁靜、動(dòng)載試驗(yàn)的技術(shù)手段，為進(jìn)一步更多地、科學(xué)地評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的狀況及其承載能力提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：橋梁荷載 撓度測(cè)量 位移變形 GeoCOM開發(fā) 智能全站儀

中圖分類號(hào)：TU196 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（a）-0069-03

改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，公路建設(shè)中，橋梁擔(dān)當(dāng)著道路交通連接的紐帶。尤其是如今車輛超載現(xiàn)象日趨增多，對(duì)于公路橋梁的安全性造成較大威脅，也出現(xiàn)過多起重型車輛壓垮橋梁的事故。因此新建橋梁或者現(xiàn)役的橋梁都建議要進(jìn)行荷載試驗(yàn)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)指定位置的撓度、應(yīng)變分布、變形等進(jìn)行檢測(cè)。通過靜載和動(dòng)載試驗(yàn)，獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，從而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能做出科學(xué)、合理的評(píng)定，判斷橋梁的實(shí)際承載等級(jí)，為日后的養(yǎng)護(hù)、維修和加固提供科學(xué)的依據(jù)和技術(shù)支持。本文主要介紹使用高精度全站儀如何進(jìn)行自動(dòng)化撓度和位移變形測(cè)量。

1 TS60全站儀的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及原理

對(duì)于橋梁的撓度測(cè)量，傳統(tǒng)的測(cè)量方法有百分表、精密水準(zhǔn)儀、非自動(dòng)全站儀和位移計(jì)；新型測(cè)量方法有傾角儀法、加速度計(jì)、聯(lián)通管法、激光圖像、光電成像以及GPS測(cè)量等。這些方法中，傳統(tǒng)的測(cè)量作業(yè)效率不高，甚至需要搭設(shè)腳手架，尤其在困難環(huán)境很不方便，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，人工讀數(shù)，更是容易出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。新型測(cè)量方法中各有優(yōu)缺點(diǎn)，在此介紹另一種使用機(jī)器人全站儀進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量，直接測(cè)量橋梁各跨度點(diǎn)撓度，同時(shí)可以測(cè)量出支撐點(diǎn)的沉降和位移變形量。使用徠卡TS60智能全站儀進(jìn)行自動(dòng)化橋梁靜載試驗(yàn)時(shí)，其相對(duì)測(cè)量精度可以達(dá)到±0.1mm。

徠卡TS60全站儀是瑞士徠卡在2015年推出的最新的、超高精度的、智能的機(jī)器人全站儀，它稱得上是目前全球最好的全站儀，其測(cè)角精度為0.5s。它采用一種將電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的壓電陶瓷技術(shù)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速可達(dá)180°/s，是徠卡傳統(tǒng)伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)速的4倍，從而提高了測(cè)量工作效率，并且更環(huán)保節(jié)能省電。它還具有ATR自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別棱鏡功能、高速LOCK鎖定跟蹤棱鏡功能和可供二次開發(fā)的接口。

ART自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別功能（Automatic Target Recognition），是內(nèi)置于TCA全站儀望遠(yuǎn)鏡內(nèi)，其測(cè)量光束與望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸同軸，從物鏡端發(fā)射，按類似自準(zhǔn)直的原理經(jīng)過目標(biāo)棱鏡反射后返回信號(hào)由全站儀CCD相機(jī)接收并加以分析。返回光束所形成光點(diǎn)相對(duì)于CCD相機(jī)中心的位置由儀器精確測(cè)定，從而自動(dòng)識(shí)別和照準(zhǔn)棱鏡中心，減少人工瞄準(zhǔn)的繁瑣和視力引起的誤差。ATR精確定位可分為三個(gè)過程：目標(biāo)搜索、目標(biāo)照準(zhǔn)和測(cè)量。該技術(shù)用在橋梁靜載試驗(yàn)中，測(cè)量不同荷載重量工況下加載、卸載前后各跨度點(diǎn)的撓度、支撐點(diǎn)沉降和位移變形量。

LOCK鎖定跟蹤主要是在ATR功能的基礎(chǔ)上增加一個(gè)鎖定功能，能夠自動(dòng)鎖定移動(dòng)的目標(biāo)棱鏡，而不需要用戶的干預(yù)，在目標(biāo)棱鏡移動(dòng)過程中實(shí)時(shí)跟蹤，并且自動(dòng)精確對(duì)準(zhǔn)棱鏡中心。此時(shí)加上連續(xù)測(cè)距功能，就可以實(shí)時(shí)獲得目標(biāo)棱鏡的三維坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡。該功能技術(shù)用在橋梁動(dòng)載試驗(yàn)中測(cè)量跨度點(diǎn)的動(dòng)撓度和振動(dòng)變形量及變形趨勢(shì)。

2 GeoCOM接口二次開發(fā)

TS60全站儀提供了GeoCOM應(yīng)用程序二次開發(fā)接口，方便用戶使用PC計(jì)算機(jī)或者移動(dòng)手持設(shè)備與全站儀聯(lián)機(jī)通訊，組成系統(tǒng)集成，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，及時(shí)分析數(shù)據(jù)，在橋梁荷載時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。

（1）開發(fā)原理。

GeoCOM接口是徠卡公司為用戶提供的用于PC機(jī)和全站儀相互通訊的一個(gè)接口?？梢允褂脧瓶ㄒ呀?jīng)封裝好的dll函數(shù)來向全站儀發(fā)送指令，或者使用美國SUN公司RPC（Remote Procedure Call）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來傳輸指令。全站儀作為服務(wù)端接收到指令后，經(jīng)過其自身的子系統(tǒng)處理好數(shù)據(jù)然后將結(jié)果回傳給PC機(jī)客戶端，從而實(shí)現(xiàn)在徠卡全站儀現(xiàn)有的基礎(chǔ)功能上，開發(fā)出符合工作需求，完成更高級(jí)的測(cè)量任務(wù)。

對(duì)于計(jì)算機(jī)程序語言，沒有嚴(yán)格限制，根據(jù)開發(fā)人員自身愛好而定，可以是Visual Basic，或是C/C++語言，或者其他程序語言作為開發(fā)工具。本文將介紹使用VB.NET開發(fā)環(huán)境，通過RPC指令來與全站儀通訊。PRC指令主要是發(fā)送與接收ASCII字符串，對(duì)于徠卡全站儀發(fā)送字符串格式是：

[]%R1Q，[，]：[][，，...]

接收到全站儀回傳的字符串格式是：

%R1P，[，]：[，，， ...]

（2）實(shí)現(xiàn)步驟。

①GeoCOM端口初始化連接。

PC機(jī)與全站儀互相發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，一般是通過RS232串口來通訊。使用VB.NET環(huán)境開發(fā)時(shí)，可以使用SerialPort類來定義一個(gè)RS232端口，也可以使用開發(fā)環(huán)境中現(xiàn)成的SerialPort組件作為RS232串口直接利用，本文使用后者來通訊。在項(xiàng)目中添加SerialPort組件（名稱定義為SP_RS232），在窗體Load事件中初始化端口，將PC串口和全站儀RS232設(shè)備的通訊參數(shù)設(shè)置成一致，代碼如下：

With SP_RS232

.BaudRate = 19200

.DataBits = 8

.StopBits = StopBits.One

.Parity = Parity.None

End With

然后在窗口中添加一個(gè)按鈕，在其單擊事件中添加打開端口的代碼，如下：

If Not SP_RS232.IsOpen Then

SP_RS232.PortName = “COM1”

SP_RS232.Open（）

End If

其中端口號(hào)應(yīng)該是選擇聯(lián)機(jī)時(shí)實(shí)際的端口號(hào)，可以使用SerialPort類的GetPortNames方法來查詢，并列出所有可用端口，然后從中選擇實(shí)際對(duì)應(yīng)的端口號(hào)。

②聯(lián)機(jī)測(cè)量。

待全站儀和PC的端口連接成功以后，我們就可以發(fā)送全站儀能識(shí)別的RPC指令，根據(jù)需要，從返回字符串中提取觀測(cè)數(shù)據(jù)值，其中的“RC”是用來判斷返回?cái)?shù)據(jù)的狀態(tài)信息，比如精度是否可靠或者是否出錯(cuò)等信息。在發(fā)送一個(gè)指令字符串后（如測(cè)距），需要等候一會(huì)，直到收到返回字符串，然后根據(jù)“RC”標(biāo)志判斷測(cè)距是否成功，如果成功再發(fā)送獲取觀測(cè)值的指令字符串（如獲取角度斜距值），然后判斷獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果是否可以使用，如果可用，再從中提取觀測(cè)值。

聯(lián)機(jī)后執(zhí)行常規(guī)測(cè)量，具體操作的過程如下。

判斷ATR的狀態(tài)，如果已關(guān)閉需要將其打開；如果已經(jīng)有學(xué)習(xí)測(cè)量值，可以將望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)指定目標(biāo)方向；將全站儀望眼鏡精密照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡的中心；根據(jù)設(shè)定的測(cè)距模式執(zhí)行測(cè)距動(dòng)作；測(cè)距成功后獲取角度、距離、坐標(biāo)及各項(xiàng)改正值等測(cè)量數(shù)據(jù)；清除全站儀上觀測(cè)值信息。

然后根據(jù)需要重復(fù)執(zhí)行設(shè)計(jì)的測(cè)量動(dòng)作，以便完成更多的、復(fù)雜的測(cè)量任務(wù)。

（3）分析數(shù)據(jù)。

測(cè)距并獲取數(shù)據(jù)成功后，就可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算及分析處理，在橋梁檢測(cè)試驗(yàn)中主要是比較各種荷載下，各檢測(cè)點(diǎn)的撓度和位移變形量。靜載試驗(yàn)時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)距模式，測(cè)量不同荷載情況下橋梁產(chǎn)生的撓度和位移變形；動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)使用跟蹤測(cè)距模式，測(cè)量運(yùn)動(dòng)的車輛對(duì)橋梁產(chǎn)生的動(dòng)撓度，以及橋梁振動(dòng)的變形趨勢(shì)。

（4）關(guān)閉端口。

結(jié)束測(cè)量時(shí)，需要關(guān)閉GeoCOM接口，關(guān)閉串口的代碼如下：

If SP_RS232.IsOpen Then

SP_RS232.Close（）

End If

3 靜載試驗(yàn)

根據(jù)預(yù)定的荷載試驗(yàn)方案，將棱鏡布設(shè)在橋梁的各個(gè)跨徑點(diǎn)及位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如墩臺(tái)、塔頂、1/4跨徑、1/2跨徑和3/4跨徑以及其他等分跨徑截面。在橋梁附近尋找一個(gè)穩(wěn)定的地方架設(shè)全站儀，并且保證全站儀能夠與每個(gè)棱鏡都相互通視?，F(xiàn)場(chǎng)還需要準(zhǔn)備一臺(tái)PC電腦、工作電源、各小組間聯(lián)絡(luò)設(shè)備、必要的照明設(shè)備等。把全站儀和PC機(jī)聯(lián)機(jī)，啟動(dòng)自行研發(fā)的ZZBridge橋梁荷載試驗(yàn)軟件，將設(shè)站定向、學(xué)習(xí)值測(cè)量、循環(huán)測(cè)量時(shí)間、測(cè)量間隔、報(bào)警限差等設(shè)置完成，輸入工況信息，做好檢測(cè)準(zhǔn)備。

開始靜載試驗(yàn)時(shí)，在ZZBridge橋梁荷載試驗(yàn)軟件中點(diǎn)擊開始按鈕，全站儀ATR自動(dòng)依次照準(zhǔn)各個(gè)目標(biāo)棱鏡，并且精確照準(zhǔn)棱鏡中心，然后測(cè)量其三維坐標(biāo)值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)指揮，在每個(gè)工況進(jìn)行加載或卸載開始前，自動(dòng)循環(huán)進(jìn)行初始值數(shù)據(jù)采集，加載或卸載后，再自動(dòng)循環(huán)采集數(shù)據(jù)，并計(jì)算出各點(diǎn)的撓度變化量及位移變化量。測(cè)量過程中，如果出現(xiàn)個(gè)別檢測(cè)點(diǎn)目標(biāo)暫時(shí)無法測(cè)量或者測(cè)量超出限差，系統(tǒng)會(huì)以顏色、聲音甚至電子郵件或短信進(jìn)行報(bào)警提示，并且根據(jù)需求對(duì)其自動(dòng)重新進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。最后可以將觀測(cè)的成果值和預(yù)判的變形值比較，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，做出相應(yīng)的檢測(cè)評(píng)估、結(jié)論。

4 動(dòng)載試驗(yàn)

TS60全站儀跟蹤測(cè)量時(shí)連續(xù)測(cè)距間隔小于0.15s，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)切向最大速度在100m處45m/s，徑向最大速度是5m/s，動(dòng)態(tài)測(cè)量相對(duì)精度可達(dá)±2.5mm。在動(dòng)載試驗(yàn)前，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，判斷所檢測(cè)橋梁的振動(dòng)頻率和動(dòng)撓度變化量是否適合于用TS60全站儀來檢測(cè)。只有滿足橋梁荷載設(shè)計(jì)要求時(shí)，再使用該方法進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)。和靜載試驗(yàn)一樣做好各項(xiàng)準(zhǔn)備，因?yàn)楦櫆y(cè)量只能實(shí)現(xiàn)一臺(tái)全站儀實(shí)時(shí)跟蹤一個(gè)棱鏡，所以在動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)一般選擇最具有代表性的一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)來測(cè)量其最大撓度或者位移變化量或者分多次來測(cè)量不同檢測(cè)點(diǎn)棱鏡。條件允許的情況下可以采用多臺(tái)儀器和多個(gè)棱鏡來全方位同時(shí)監(jiān)測(cè)各檢測(cè)點(diǎn)。

動(dòng)載試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)，可以實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)點(diǎn)的變化量、軌跡、振動(dòng)趨勢(shì)和峰值，實(shí)時(shí)繪制出振動(dòng)曲線。測(cè)量結(jié)束后可以整體瀏覽圖形，也可以局部放大縮??；可以將成果數(shù)據(jù)導(dǎo)出成Txt、Excel、圖片等，為進(jìn)一步分析處理打好基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

橋梁的靜動(dòng)載檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)是判斷橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀況和承載能力的一個(gè)重要指標(biāo)，測(cè)量方式方法是多種多樣的。本文使用徠卡超高精度全站儀結(jié)合自行研發(fā)的ZZBridge橋梁荷載試驗(yàn)軟件，在橋梁荷載試驗(yàn)中進(jìn)行自動(dòng)撓度和位移測(cè)量，以及全站儀自動(dòng)化測(cè)量在橋梁荷載試驗(yàn)中的優(yōu)勢(shì)。目前該檢測(cè)系統(tǒng)及方法被上海同豐工程咨詢有限公司、上海同納建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司和上海巨一科技發(fā)展有限公司等用于全國各大橋梁荷載試驗(yàn)，得到一致認(rèn)可和好評(píng)。將軟件、硬件和無線通訊技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成，除了在荷載試驗(yàn)時(shí)，還可以在橋梁運(yùn)營期實(shí)現(xiàn)24小時(shí)遠(yuǎn)程無線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，為橋梁結(jié)構(gòu)安全提供科學(xué)依據(jù)。

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