基于無(wú)人機(jī)航測(cè)多源數(shù)據(jù)的橋梁隧道靜力特性分析

聶 丹，張海連

(1.閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城鄉(xiāng)建筑學(xué)院，福建 龍巖 364021；2.華僑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 362021)

城市的發(fā)展過(guò)程離不開(kāi)橋梁隧道的建設(shè)。隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)橋梁隧道的結(jié)構(gòu)安全性提出了更高的要求，因此研究橋梁隧道靜力特性具有重要意義[1-2]。當(dāng)前一般利用有限元模擬對(duì)橋梁隧道靜力特性進(jìn)行分析，但得到的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果不符，使得橋梁隧道結(jié)構(gòu)存在一定的安全隱患[3-4]。

無(wú)人機(jī)與數(shù)碼影像等技術(shù)為航空攝影提供了新的可能[5-6]。采用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)獲取多源數(shù)據(jù)并將其應(yīng)用于橋梁隧道靜力特性分析可降低數(shù)據(jù)誤差，保障橋梁隧道結(jié)構(gòu)的安全。為此，筆者采用此方法對(duì)復(fù)雜的水下隧道和纜索協(xié)作體系橋梁的靜力特性進(jìn)行分析。

1 基于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)采集多源數(shù)據(jù)

1.1 工作流程

依據(jù)圖1描述的工作流程對(duì)航測(cè)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

1.2 像控點(diǎn)布設(shè)和數(shù)碼相機(jī)校驗(yàn)

像片控制點(diǎn)平面位置和高程的測(cè)量需借助城市CORS系統(tǒng)完成，地方坐標(biāo)系的建立以其計(jì)算測(cè)量的參數(shù)作為坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其確定的電子刺點(diǎn)即為校驗(yàn)的像控點(diǎn)[7]。

針對(duì)數(shù)字相機(jī)的特性，利用共線(xiàn)數(shù)據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系，把坐標(biāo)以數(shù)值形式代入方程，然后運(yùn)用后方空間交會(huì)的計(jì)算方法，求出相機(jī)的方位數(shù)據(jù)、畸變系數(shù)等一系列參數(shù)[8-9]。共線(xiàn)方程可描述成

(1)

將像點(diǎn)坐標(biāo)當(dāng)成觀測(cè)值，獲取誤差方程式：

e=ax+bx+cx-l

(2)

式中：(x,y)表示像控點(diǎn)的坐標(biāo)；f表示影像內(nèi)的不同方位的各個(gè)元素；(X,Y,Z)表示不同物體的空間坐標(biāo)；a、b、c表示由同一影像3個(gè)不同外方位角元素組成的不同方向的余弦向量；ax表示航測(cè)影像外方位元素；bx表示航測(cè)影像內(nèi)方位元素；cx表示附加參數(shù)；l用于描述光學(xué)畸變修正項(xiàng)。

1.3 航攝設(shè)計(jì)

航攝設(shè)計(jì)主要包括攝影基線(xiàn)與旁向間隔、像片重疊度分析2個(gè)階段。

把相鄰的兩攝站連接起來(lái)，就可把這個(gè)連線(xiàn)作為攝影基線(xiàn)。攝影基線(xiàn)受很多因素影響，最重要的是旁向間隔長(zhǎng)度以及航線(xiàn)重疊度，但是也不能忽略像素?cái)?shù)地面和分辨率對(duì)其的影響[10]，對(duì)攝影基線(xiàn)造成影響的各元素之間的關(guān)系(像素?cái)?shù)、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表示影像中攝影基線(xiàn)的長(zhǎng)度；Sx表示實(shí)地測(cè)量的攝影基線(xiàn)長(zhǎng)度；dy表示影像中航線(xiàn)間隔寬度；Dy表示實(shí)地測(cè)量的航線(xiàn)間隔寬度；hx、hy表示影像的長(zhǎng)度與寬度；ux、uy表示影像中航向和旁向重疊程度；z用于描述焦距；G用于描述攝影航高。

像片重疊度大小通過(guò)像片重疊度進(jìn)行描述，重疊部分長(zhǎng)度和像幅長(zhǎng)度之間的百分比被稱(chēng)為重疊度。圖2為像片重疊度的示意圖，ux、uy為航向與旁向重疊部分的像片長(zhǎng)度(uy為旁向重疊度，相鄰航線(xiàn)的重疊度在該圖2中無(wú)法體現(xiàn))，h為像幅長(zhǎng)度。地面起伏造成重疊度改變情況用圖3進(jìn)行描述，圖中vx、vy代表航向與旁向重疊度，則有

(7)

(8)

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)中的航向重疊程度一般在60%～80%。

1.4 業(yè)內(nèi)加密

為達(dá)到無(wú)控制自由網(wǎng)平差的目的，應(yīng)在平差前，利用畸變糾正程序?qū)υ囼?yàn)的空中場(chǎng)地圖像進(jìn)行修正。同時(shí)在操作過(guò)程中進(jìn)行航線(xiàn)修訂以及降低數(shù)據(jù)粗差等工作，在保證全部點(diǎn)都是同名點(diǎn)的情況下，檢查測(cè)區(qū)中是否存在漏電情況，并以增加連接點(diǎn)的方式提高模型間的連接強(qiáng)度，通過(guò)加密軟件完成加密處理[11]。

1.5 準(zhǔn)確性分析

為驗(yàn)證無(wú)人機(jī)航測(cè)得到多源數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，先在像片上進(jìn)行測(cè)算，同時(shí)利用GPS對(duì)像片上的重要位置進(jìn)行定位，確定坐標(biāo)，然后將計(jì)算坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)相比較，計(jì)算平面點(diǎn)位中的坐標(biāo)誤差，誤差在20 cm以下則認(rèn)為符合測(cè)量要求。通過(guò)表1所示的地物點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表可看出，大部分測(cè)量結(jié)果符合測(cè)量要求，這進(jìn)一步表明無(wú)人機(jī)航測(cè)的多源數(shù)據(jù)可用于橋梁隧道靜力特性分析中。

表1 地物點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)

2 隧道靜力特性分析

2.1 工程概況

選取某一隧道作為研究對(duì)象，該隧道總長(zhǎng)為2.5 km，地質(zhì)條件較為惡劣。隧道沿線(xiàn)底層大部分是砂層與黏土層，其土層的主要工程地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2[12]。因具有極強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，泥水平衡式盾構(gòu)常被用于施工中。為確保工程有序進(jìn)行，管片環(huán)的承壓能力最高為55 MPa。盾構(gòu)隧道主要包括始發(fā)井、海底隧道和接收井。

表2 土層主要工程地質(zhì)參數(shù)

2.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)隧道的不同斷面形態(tài)進(jìn)行分析，了解管片環(huán)的性能，保障隧道結(jié)構(gòu)安全。采用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)選擇合理監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)應(yīng)變計(jì)與鋼筋計(jì)對(duì)應(yīng)力與環(huán)向鋼筋應(yīng)力進(jìn)行采集，外側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)記作R1、R3、R5與R7，內(nèi)側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)記作R2、R4、R6和R8，R1、R2代表拱頂外側(cè)與內(nèi)側(cè)，R3、R4代表左拱肩外側(cè)與內(nèi)側(cè)，R5、R6代表拱底外側(cè)與內(nèi)側(cè)，R7、R8代表右拱腰外側(cè)與內(nèi)側(cè)[13]。

管片環(huán)向鋼筋應(yīng)力隨時(shí)間的改變情況用圖4表示。管片環(huán)內(nèi)外側(cè)鋼筋應(yīng)力的改變情況可分成4個(gè)階段，當(dāng)初步完成隧道內(nèi)的盾構(gòu)施工和管片拼裝工作后，鋼筋應(yīng)力逐漸升高。第2個(gè)階段鋼筋應(yīng)力升高幅度較緩，管片受力穩(wěn)定，鋼筋應(yīng)力改變程度不大。第3個(gè)階段外側(cè)筋應(yīng)力繼續(xù)升高，內(nèi)側(cè)改變不大，其他位置鋼筋應(yīng)力均有較大提升。第4個(gè)階段鋼筋應(yīng)力都在一定程度上有所降低。

分析圖4可知，隧道內(nèi)外側(cè)的鋼筋都受到外界荷載共同作用，但是拱頂和拱底的外側(cè)鋼筋受到的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)拱頂和拱底所受的應(yīng)力。然而，拱腰右側(cè)的內(nèi)外鋼筋的受力情況與拱頂和拱底之間的關(guān)系恰好相反，但左拱肩所受的應(yīng)力情況卻與之相同。造成這種現(xiàn)象的原因主要在于高水頭易導(dǎo)致壓力過(guò)大，產(chǎn)生彎矩作用力，使拱頂與拱腰分別受正負(fù)彎矩作用力的影響，從而使拱腰內(nèi)外側(cè)的鋼筋對(duì)應(yīng)力的承受能力不同。

3 橋梁靜力特性分析

3.1 工程背景

某過(guò)江通道設(shè)計(jì)方案選用主跨1 400 m纜索協(xié)作體系，主纜跨度是(530+1 400+530) m，加勁梁作為主跨，其懸吊部分在1 100 m處。由于塔梁固結(jié)形成的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所以選擇其做為橋梁的主體結(jié)構(gòu)，而兩岸錨碇選擇分別承重且相對(duì)穩(wěn)定的獨(dú)立重力式結(jié)構(gòu)。

3.2 加勁梁受力分析

在無(wú)人機(jī)航測(cè)多源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)空間梁格法完成對(duì)連續(xù)箱梁的內(nèi)力分析，按照梁格法計(jì)算理論，把箱梁在水平方向上離散成6根縱向構(gòu)件，需保證離散處理前后截面總面積和總豎向抗彎慣性矩保持不變[14]。

為便于分析，將腹板和橫梁進(jìn)行編號(hào)，從鈍角側(cè)到銳角側(cè)腹板依次編為F1、F2、F3和F4，依據(jù)斜交到正交方向，將橫梁編為T(mén)1、T2、T3、T4。不同橫梁位置支承邊界條件如表3所示，橫梁左側(cè)和右側(cè)分別于箱梁鈍角側(cè)和箱梁銳角側(cè)且一一對(duì)應(yīng)。

表3 邊界條件情況

為研究斜交角度對(duì)橋梁的影響，分析橫梁T1處斜交角度是90°、70°和50°三種情況下，F(xiàn)1～F4腹板軸向彎矩沿橋向分布情況，詳細(xì)情況見(jiàn)圖5。

3.3 主纜和吊索受力分析

橋梁的關(guān)鍵受力部分主要由主纜和吊索組成的纜索協(xié)作體系構(gòu)成，吊索直接承擔(dān)鋼箱梁的重量，然后吊索連接主纜分擔(dān)，最后將重量分擔(dān)到整個(gè)橋梁。主纜和吊索的大小需符合結(jié)構(gòu)受力安全規(guī)定，與此同時(shí)，最大程度保證經(jīng)濟(jì)合理性。

最不利工況下的主纜安全系數(shù)如表4。

表4 主纜安全系數(shù)

由表4可知，主纜安全系數(shù)高于2.0，最高是2.7，主纜截面設(shè)計(jì)較為安全和合理，且經(jīng)濟(jì)性好。

最不利的狀態(tài)下吊索應(yīng)力包絡(luò)圖見(jiàn)圖6，活載作用下吊索應(yīng)力幅見(jiàn)圖7。

吊索抗拉強(qiáng)度的最大值不超過(guò)1 700 MPa，如果吊索安全系數(shù)為3.0，那么吊索可承受最大應(yīng)力在580 MPa之內(nèi)。

分析圖6可知，吊索應(yīng)力低于580 MPa，應(yīng)力和安全系數(shù)呈反比例關(guān)系，也就是安全系數(shù)高于3.0。分析圖7可知，吊索活載應(yīng)力幅都低于90 MPa。

通過(guò)以上分析可得，雖然橋梁隧道在主纜繩截面選擇的標(biāo)準(zhǔn)有所降低，但在安全和活載應(yīng)力等多方面的數(shù)據(jù)都達(dá)到實(shí)際施工的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

筆者采用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)采集多源數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁隧道靜力特性進(jìn)行分析。

采用無(wú)人機(jī)航測(cè)采集多源數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)證大部分測(cè)量結(jié)果符合測(cè)量要求，表明無(wú)人機(jī)航測(cè)多源數(shù)據(jù)可用于橋梁隧道靜力特性分析中。

在隧道靜力特性分析時(shí)，雖然橋梁隧道內(nèi)外側(cè)的鋼筋都受到外界荷載和拉力的共同作用，但是，拱頂和拱底的外側(cè)鋼筋受到的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)，并且內(nèi)側(cè)和拱底相差更大。拱腰右側(cè)的內(nèi)外鋼筋的受力情況與拱頂和拱底之間的關(guān)系恰好相反，但左拱肩所受的應(yīng)力情況卻與之相同。

在橋梁靜力特性分析時(shí)，通過(guò)改變腹板的長(zhǎng)度和所受內(nèi)力的大小得到腹板的不同狀態(tài)，然后選取極端狀態(tài)下的數(shù)據(jù)對(duì)鋼束的情況進(jìn)行不同的配置。與跨度相同的懸索橋相比，雖然橋梁隧道在主纜繩截面的選擇上標(biāo)準(zhǔn)有所降低，但是在安全和活載應(yīng)力等多方面的數(shù)據(jù)測(cè)量上都達(dá)到實(shí)際施工的標(biāo)準(zhǔn)。