橋梁墩臺垂直度簡易測量方法

陸治屹

(廣西交通工程檢測有限公司，廣西 南寧 530222)

0 引言

在橋梁施工以及運營過程中，都會涉及墩臺垂直度測量。墩臺垂直度可以解釋為墩臺頂?shù)乃轿灰破睿炊张_的頂端水平位置與低端水平位置的差值；如果使用全站儀等角度測量體系，則可以解釋為墩臺的傾斜角度。目前規(guī)范要求的測量方法為垂線偏差測量和全站儀傾斜測量。垂線法至少需要兩名技術(shù)人員操作，橋上人員放置垂線，橋下人員測量，這種方法在風(fēng)力較大的情況下，測量誤差較大；全站儀比較笨重，且需要配備三腳架，而橋梁建設(shè)往往跨越山谷或河流，地理條件復(fù)雜，在測量過程中需要翻山越嶺，跨越河流、山谷等，并且需要尋找合適的儀器架設(shè)地點，給測量工作帶來較大困難[1-2]。

秉承減少人力、適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境、降低工作難度的初衷，本文探究并設(shè)計一種以激光測距儀為核心的墩臺垂直度簡易測量方法，該方法降低了現(xiàn)場工作難度，提高了工作效率，對環(huán)境適應(yīng)性極強，可在橋梁建設(shè)中推廣應(yīng)用。

1 基本原理

該方法基本原理為：使用激光測距儀測量出工作點到橋梁墩臺頂端及底端距離，并配合角度尺測量出工作點到測量點的水平夾角，最終推算出橋梁墩臺的傾斜度。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為將水準(zhǔn)泡固定于角度尺上，使水準(zhǔn)泡與角度尺呈零刻度水平，并將激光測距儀與角度尺連接，使激光測距儀只能沿角度尺豎直方向轉(zhuǎn)動。該簡易測量方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

2 應(yīng)用及計算

現(xiàn)場工作中，為減少人為誤差，確保測量精度，可將測量系統(tǒng)垂直固定在標(biāo)桿上，或固定于現(xiàn)場任意固體上，調(diào)整系統(tǒng)使水準(zhǔn)泡水平居中，確保系統(tǒng)處于水平。用激光測距儀測量工作點A與墩臺底部B的距離AB，并讀取激光測距儀與角度尺夾角∠α1，再用激光測距儀測量工作點A與墩臺頂部C的距離AC，并讀取激光測距儀與角度尺夾角∠α2，如圖2所示[4]。

圖1 簡易測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 測量過程示意圖

根據(jù)余弦定理：

BC2=AB2+AC2-2AB×AC×cos(∠α1+∠α2)

(1)

由此可得橋梁墩臺底部到頂部距離BC，再根據(jù)正弦定理：

(2)

由此可得：

(3)

其中AB、AC、∠α1、∠α2均為測量數(shù)據(jù)。橋梁墩臺的理論軸線與測量系統(tǒng)零角度線夾角為90°，由此，最終可計算得傾斜角∠h及橋梁墩臺偏差值H。

∠h=90°-∠ABC-∠α2

(4)

H=BC×sin∠h

(5)

3 誤差分析

在測量工作中不可避免地會產(chǎn)生誤差，其中包括系統(tǒng)誤差、人為操作誤差等，本方法系統(tǒng)的誤差主要包括激光測距儀的系統(tǒng)誤差和水準(zhǔn)泡對準(zhǔn)居中的誤差。

手持式激光測距儀重量輕、體積小、操作簡單，其基本原理是測量光往返目標(biāo)所需要的時間，結(jié)合光速及大氣折射系數(shù)計算兩點距離。光速是固定的，所以其精度主要取決于儀器的測時精度。

現(xiàn)有的手持式激光測距儀中，例如深達威SW-M50以上系列手持式激光測距儀，其精度可以達到1.5 mm ±(D×0.05‰)，也就是每增加10 m的距離，誤差增加0.5 mm，每增加20 m距離，誤差增加1.0 mm。除了一些超高墩外，橋梁橋墩高度普遍在10 m左右，不考慮激光測距儀固有的1.5 mm系統(tǒng)誤差的情況下，測量誤差是0.5 mm；考慮激光測距儀固有的1.5 mm系統(tǒng)誤差情況下，誤差在2 mm內(nèi)，這與垂線法測量中使用鋼直尺的1 mm精度接近。

水準(zhǔn)泡的精度即為角值，是指氣泡由中心線向任意方向移動2 mm的傾角。目前測量工作中常用的是長水泡和圓水泡，其中長水泡可以達到20″/2 mm。在日常工作中基本上能保持水準(zhǔn)泡在2 mm內(nèi)。

假定墩高為10 m，工作點到橋墩底及橋墩頂?shù)木嚯x都是10 m，工作點與橋墩頂及橋墩底的夾角都是30°，橋墩未有傾斜即傾斜角為0°，垂直度偏差值為0 mm；假設(shè)第一次測量水準(zhǔn)泡居中，第二次測量水準(zhǔn)泡偏移2 mm，即偏差20″，并且在不考慮水準(zhǔn)泡未居中對激光測距測量值的影響的情況下，由式(3)計算可得：

59°59′50″

若誤差角是∠α1，則由式(4)計算可得：

∠h=90°-59°59′50″-30°0′20″=-10″

若誤差角是∠α2，則由式(4)計算可得：

∠h=90°-59°59′50″-30°=10″

由式(5)計算可得：

H=10×sin10″=0.5 mm

由計算結(jié)果可知，不論誤差是產(chǎn)生在∠α1還是在∠α2，最終的誤差都是10″，垂直度偏差值為0.5 mm。

以上誤差計算值并未考慮傾斜帶來的測距影響。若考慮測距影響，傾斜對測距的影響大約是2 mm。4種不同情況下的單次傾斜誤差計算結(jié)果見表1。由表1可知，誤差最大的情況是測量C點時傾斜的情況，偏差角度Δ∠h為46″，偏差值ΔH為2.2 mm。

表1 單次傾斜誤差計算結(jié)果表

在兩次測量水準(zhǔn)泡均未居中，并向同一個方向傾斜的情況下，這可以認為兩次的工作點在同一個位置上，所以并沒有產(chǎn)生誤差。

當(dāng)兩次測量水準(zhǔn)泡均未居中，并向不同的方向傾斜，這是誤差最大的情況。假設(shè)測量B點時后傾，那么∠α1增大20″，測量數(shù)據(jù)是30°0′20″，AB測距約減小2 mm，測量數(shù)據(jù)是9.998 m；C點時前傾，那么∠α2增大20″，測量數(shù)據(jù)是30°0′20″，AC測距約增大2 mm，測量數(shù)據(jù)是10.002 m，反之則測量數(shù)據(jù)相反。兩種雙向傾斜誤差計算結(jié)果見表2。

表2 雙向傾斜誤差計算結(jié)果表

由表2可知，在雙向傾斜的情況下，誤差值是最大的，偏差角度△∠h為71″，偏差值ΔH為3.5 mm，但是這種人為誤差情況可以通過多次測量來避免。因此，系統(tǒng)測量能夠產(chǎn)生的誤差通常是單次傾斜誤差，即最大誤差角度為46″、垂直度誤差為2.2 mm，而且同樣可以通過多次測量來降低這個誤差。按照規(guī)范要求5 m

4 優(yōu)勢對比

相對于垂線法，本方法減少了技術(shù)人員的投入，只需要一名操作人員即可完成測量工作，且受外界環(huán)境干擾小。在風(fēng)力較大的情況下，垂線法甚至可能無法滿足工作需求，所以本測量方法從環(huán)境適應(yīng)性上來說優(yōu)于垂線法。

相對于全站儀測量法，本方法只需要一名技術(shù)人員攜帶手持式激光測距儀、角度尺、水準(zhǔn)泡及一根小型標(biāo)桿即可完成測量工作。在現(xiàn)場工作條件惡劣的墩臺垂直度測量工作中，減輕了技術(shù)人員的負擔(dān)，不需要為了尋找合適的儀器架設(shè)地點而浪費時間和精力，極大地提高了工作效率。

5 結(jié)語

橋梁墩臺垂直度簡易測量方法是一種以激光測距儀為核心的、方便快捷的垂直度測量方法，其能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，不僅節(jié)省了技術(shù)人員的投入，降低了現(xiàn)場工作難度，更重要的是對環(huán)境的適應(yīng)性極強。運用此方法對橋梁墩臺垂直度進行測量，不僅降低了經(jīng)濟成本，同時極大地提高了工作效率，是一種高效可行的方法。