伸臂式梁架墩塔高度量测工具制作研究

段佳佳， 段宗来

（1安徽省地质矿产勘查局324地质队， 安徽池州 247000 ；2 安徽省基础测绘信息中心， 安徽合肥 230031）

伸臂式梁架墩塔高度量测工具制作研究

段佳佳1， 段宗来2

（1安徽省地质矿产勘查局324地质队， 安徽池州 247000 ；2 安徽省基础测绘信息中心， 安徽合肥 230031）

本文从本量测工具的原理入手，说明了工具的构造、制作过程、精确性控制，分析了该工具量测所有可能的误差及其数值以及总误差公式，并实际设置观测台，用一等水准与工具进行量测对比分析以论证该工具的可靠性。最终得出“本量测工具结构原理及方法功能可靠性好，制作简单，使用方便、快捷，量测精度高”的结论。

伸臂式；量测工具；观测墩；制作；误差公式；量测对比分析

1　概述

在工程测量中，一些重要或者大型设施、高楼、墩塔、体育场馆等的空中关键部位，水准测量不能直接到达位置，需要测设比三角高程测量方法更加准确的高程数据。很多情况下量测位置在地面使用钢尺和手持测距仪不能够垂直测量到，使用量测工具延伸出来进行量测成为必要的选择。

在安徽省卫星定位综合服务系统（AHCORS）的参考站建设中，建立永久性连续运行的动态参考框架，进行国家地壳形变监测、地震监测、地面沉降监测、重要和大型设施变形监测等，都需要高精度的高程数据。因此观测墩顶部架设仪器位置就需要测设高精度的高程数据（二等水准精度以上），由于观测墩高度有3.8，使用水准测量不能直接到达观测墩顶部，钢尺和手持测距仪也不能够垂直测量到。将观测墩地面的水准标志的高程量测传递到观测墩顶部成为我们所要解决的技术难点。经过几个月的试验、研究，制作出如后图的量测工具。

基本原理就是：采用一个非常平直的量测平面，也就是高程传递面，利用具有纵向每格4.1s（0.02mm/m）和横向每格30s（0.145mm/m）两个管水准气泡的钳工水平仪对量测平面进行精细整平，可以将中心固定螺孔位置（此为我们目前使用的全部仪器的相位中心位置，如果其他有不同的情况，可以从仪器的说明中得到非常准确的底部到相位中心差值或者使用千分尺之类工具量测出来，其误差可小于0.1mm，相对于我们允许的测量误差——大约2mm——可以忽略不计） 的高程传递到观测墩边缘以外地面可以垂直量测到的位置上，下面，在观测墩底部方形水泥平台上有半球形水准标志，其顶点中心位置就是我们使用二等水准测量所能到达的位置。水准标志垂直往上可以看到我们的量测平面，使用精度较高的手持式测距仪就可以准确测量水准标志到观测墩顶部仪器相位中心的高差，二等水准也就传递上去了（图1）。

图1　参考站观测墩示意和实体图Fig. 1 Schematic diagram and physical diagram of the reference station

2　结构及制作（本文中所有涉及尺寸均以mm为标注单位）

本量测工具包括以下部件组成：主臂平面1块，侧向固定平面共2块，加固铁片上下各2共4片，两端加固铁片共2片，调节螺杆2根，调节螺杆套筒4只（图2）。

图2　量测工具结构示意图Fig. 2 Schematic diagram of measuring tool structure

2.1主臂平面

此为主要的量测平面，也就是高程传递平面。

长度900mm、宽度80mm、厚度10mm。为了保证量测的平直要求，材质上，我们采用厚度10mm的高强度的汽车弹簧钢，保证使用过程中不易变形。两侧边框进行二氧化碳精细焊接，焊接前进行平直校正，焊接过程注意控制变形。框架焊接后上磨床进行精细磨削，磨削次序是A面—B面—A面，磨削厚度分别为0.2、0.3、0.2。上下两个平面平直度控制在0.1mm以内、对向平面平行度控制在0.15mm以内，经过上述精细处理，能够很好地做到该量测平面的正反两个面都各自平直并且相互并行。

图3　中心固定螺孔示意图（两侧铣槽中间留下梁坝）Fig.3 Schematic diagram of central fixing screw （middle left beam milling groove on both sides of the dam）

在中心固定螺孔位置（图3），下面是一个用于安装仪器的强制对中杆，本量测平面担在对中杆肩部平面上，对中杆顶部中心螺丝穿过量测平面，上面用螺帽固定。对中杆肩部平面高度是观测墩所要安装仪器的相位中心高度，现在该肩部平面与量测平面下部贴合，因为整个量测工具重量达到8公斤，基本可以排除量测平面下部与对中杆肩部平面最高位置之间产生的缝隙。

由于制作精细保证上下平面平直且平行，量测时量测平面上部放置钳工水平仪，在量测平面上部整平，下部因与上部平行也保持水平，而且下部也是平直的，这样，中间位置对中杆肩部平面高度就延长传递到量测平面一端，以便其垂直位置地面水准标志上使用手持激光测距仪进行精确的高度量测。

观测墩顶部中心安放强制对中杆位置是一个预制构件，在观测墩制作安装过程中用水泥镶嵌上，很难保证该预制构件顶部平面的严格水平，由于仪器是强制对中，相位中心在中间，与地面某个水准标志高差在本法切面上，量测时对中杆往往侧面顶起了量测平面，该高点与上述法切面有一点差距，按照制作整平误差2分计，长度420mm，大约存在0.25mm的误差。现在，我们用铣床把中心位置的两个侧面铣凹下1.5mm，中间留3mm宽形成梁坝，这样既保证量测平面相应的强度，又能够使上述法切面的梁坝部分与强制对中杆贴合，减少一定的误差。

2.2侧向固定平面

共两块，长度900mm、宽度40mm、厚度8mm。

主要是保护主臂平面在使用过程中不致轻易发生变形，同时形成两个背向的无盖箱体，便于在主臂平面上进行操作，放置的物件也不易掉落下来，保证安全。

在将两块侧向固定平面往主臂平面上焊接时，为了减少主臂平面变形，没有在主臂平面的正面上进行焊接，而是在侧向固定平面上每隔60mm开一个60×16的孔，每侧7个孔，从侧面露出主臂平面，然后在侧面进行焊接，减少焊接高温对于主臂平面的变形影响。同时在不影响强度的前提下也能够减轻一些重量。

2.3上下及两端加固铁片

厚度都是4 m m，长度都是9 6 m m，上下加固铁片宽度为25mm，两端加固铁片宽度与上述侧向固定平面的宽度相等，为40mm。加固铁片主要起到侧向固定平面紧固作用，防止其因受到外力导致主臂平面变形。同时两端加固铁片形成的箱体也便于放置钳工水平仪等物件，不至于从高空坠落发生危险，上下加固铁片还可以当做拿取整套工具的握持把手。

2.4调节螺杆（图4）

图4　调节螺杆Fig. 4 Adjusting screw

总长168mm，从左至右分别是下直径1mm、上直径10mm、长9mm的圆锥，直径10mm、长46mm圆杆，外径12mm、长60mm、螺距0.75mm的外丝螺旋，再下来是对称相同的圆杆和圆锥，为了调节方便，在距离其中一端29mm位置焊接一个外径30mm、内径10mm、厚度6mm的调节手轮。

总长度的制作依据是：强制对中杆肩部到观测墩平台一般是79mm，加上主臂平面厚10mm为89mm，再考虑翻过来使用，又加上79mm，总长度就是168mm。

外丝螺旋设置在正中间，量测时调节螺杆插入调节螺杆套筒再旋转到中间位置后其两端尖部到主臂平面的高度基本上与强制对中杆露出的长度相等，这样方便整套工具主臂平面正反两个面都能够比较方便的进行量测。

因为侧向固定平面的厚度是40mm，留给手轮的调节空间只有64mm。考虑到手轮的厚度，所以焊接位置距离顶端就是29mm——这是一般情况下可以调节的长度上下范围，因而外丝螺旋的长度制作成60mm，如果需要更大一点的调节，有手轮的一端需要在主臂平面上部，翻过来量测时，调节螺杆要卸下再装，手轮仍然在上部。理论上说最大可调节长度只与调节螺杆长度相关，需要多长调节，就制作相应长度的外丝螺旋。

调节螺杆的两端，顶头车削成较尖的直径1mm的平台，在保证有一定强度不易折断的前提下，旋转接触面较小，对于工具的晃动不致显著，方便工具整平工作的快速、准确。

以强制对中杆作为一端支撑固定点，使用两个调节螺杆作为另两个可调节的支撑点，在钳工水平仪的控制下调节主臂平面使其上下两个面达到精细水平。

2.5调节螺杆套筒

内径12mm，外径22mm，长度40mm，螺距0.75mm的内丝圆筒，用于调节螺杆插入调节。

焊接到在侧向固定平面的外侧，依照观测墩平台半径250mm，焊接位置距离中心固定螺孔纵向220mm，到螺孔中心位置为227.8mm。

2.6制作步骤

材料选取与按尺寸剪裁，以及调节螺杆和套筒制作不予赘述，下面主要从保证主臂平面平直与平行角度说明制作技术要点：

第一、主臂平面校平：在钳工工作台上进行精细校正。

第二、侧向固定平面制作：主要是每隔60mm开一个60×16的孔，每侧7个孔。

第三、侧向固定平面与主臂平面焊接：在工作台上将两侧都使用总长900mm，宽度80mm与主臂平面大小相同的平整光滑铁块夹持主臂平面，两块侧向固定平面从侧面焊接到主臂平面。

第四、主臂平面精细磨削：磨削前再次校正主臂平面。然后上磨床进行精细磨削，磨削次序是A面—B面—A面，磨削厚度分别为0.2、0.3、0.2，保证正反两个面都平直并且并行。

第五、主臂平面精中心固定螺孔两侧铣槽中间留下梁坝：上铣床下面用长度长900mm宽度80mm，上面两端350mm宽度80mm平整光滑铁块夹持主臂平面，中间留出200mm空间以便操作，将中心位置的两个侧面铣凹下1.5mm，中间留3mm宽形成梁坝。

第六、加固铁片和调节螺杆套筒焊接到侧向固定平面上：在工作台上将使用铁块夹持主臂平面并且固定侧向固定平面，将上下四块及两端各一块共计6块加固铁片以及4只调节螺杆套筒焊接到侧向固定平面上。焊接时注意保护主臂平面不可使焊渣掉落到主臂平面引起变形。注意两端加固铁片与主臂平面相接的地方不可焊接，防止主臂平面发生变形。

第七、考虑到磨光的主臂平面反射太强造成的对于测距的不利影响，将主臂平面进行烤漆（至少是喷漆）处理，然后主臂平面的纵向轴线上标绘距离标尺便于手持激光测距仪垂直量测时确定位置。

3　工具使用及误差分析（图5）

3.1整平工具

图5　伸臂式仪器高度量测工具测量示意图Fig. 5 Schematic diagram of measurement instrument tools of overhangingcanopy height measurement

我们选用高精度的钳工水平仪作为置平工具，使用前在钳工工作台上进行校正，其横向整平误差为30"（每格0.145mm/m），纵向即主轴方向的整平误差为4.1"（每格0.02mm/m），相比一般测量仪器使用30"管水准气泡可以得到更高的整平精度。

3.2测距工具

我们使用较高精度的手持激光测距仪（Leica Disto-D5，10m内误差小于1mm）。

3.3量测方法

第一、首先使用垂球确定地面的水准标志相对于中心位置的方向（在观测墩上做上标记）以及水准标志在主臂平面的垂直投影位置（记录纸上填写）；

第二、调节两个调节螺杆（与中心位置的强制对中杆共同形成三个支点）使主臂平面即量测平面达到水平，强制对中杆肩部就与进行量测的主臂平面下部在同一高度上；

第三、在下面的水准标志上使用手持激光测距仪，进行垂直量测，得到的距离值就是所要的结果。

3.4重复量测

第一、为了减少主臂平面变形对于结果的影响，也为了提高量测精度，将工具翻身，主臂平面两个面颠倒再量测一次，两次各量取4个距离值，取全部8个观测值的平均数作为量测的结果，该正反面量测方法就好像仪器观测的盘左盘右方法一样，可以最大限度减少工具变形对于量测结果的影响。

第二、从更进一步地提高量测精度考虑，对于同一个水准标志可以考虑使用工具的另一端颠倒两个面再次量测各取4个距离值，取四个面的总平均值作为最后的量测结果，将更加准确可靠。

经过实践，一个观测墩四个水准标志每个点正反面量测两次，每次测量四个值，正反两个面的8个观测数作为一组观测值，四个水准标志总费时约25min，而且，该方法是直接得到量测结果，比对及平均值也是一目了然，没有类似三角高程的很多数据限差检校以及后续的计算。

3.5成果使用

制作工具的目的是获取观测墩顶部的水准高程，所以要将工具量测的结果依照观测值单位权中误差归化并纳入水准网络进行整体平差。我们将顶部位置作为水准网结点对待，观测墩四个水准标志作为两条水准线路经过的来和去的水准点，两条水准线路交汇到顶部位置成为水准网的结点，顶点与水准标志点高差纳入水准网整体平差。

3.6误差分析

通过对工具的结构和量测方法的分析，我们认为对于量测结果的影响因素有：

第一、手持激光测距仪测距精度σd，此为主要的误差源，使用高精度测距仪可以显著提高测量精度，本文中σd=0.1mm；

第二、量测平面平直误差造成的影响σs，本文中σs=0.1mm；

第三、量测平面上下两个面平行误差造成的影响σp，本文中σp=0.15mm；

第四、量测平面纵向置平误差σl，此项误差依据钳工水平仪纵向水准气泡偏移值计算，选用的钳工水平仪纵向每格偏差值γl=0.02mm/m ，设整平操作偏移格数为nl=4、水准标志到观测墩中心投影的水平距离dl=420mm，则倾斜值：

第五、量测平面横向置平误差σv，此项误差依据钳工水平仪横向水准气泡偏移值计算，选用的钳工水平仪横向每格偏差值γv=0.145mm/m ，设整平操作偏移格数为nv=3、照准点偏离纵向轴线距离dv=25mm，则倾斜值：

第六、量测光线在量测平面投影的纵向位移造成的误差σpl，设垂直距离为h=3800mm，纵向偏移为dl=25mm，则倾斜值：

第七、量测光线在量测平面投影的横向位移造成的误差σpv，设垂直距离为h=3800mm，横向偏移为dv=25mm，则倾斜值：

上述误差之间的相关性很弱，在忽略关联性影响的情况下，总误差公式：

此误差与二等水准要求的1.9mm相比是可以接受的。

3.7实际检验（对比量测试验）

由于实际观测墩比较高，使用电子水准仪不能够一站直接观测到，为了获取真实数据进行精度检验，我们设立了能够进行一等水准一站观测的包括顶部预制构件以及底部水准标志在内的实验观测墩，进行了8组工具量测（每组正反面各4个量测数据共计8个量测数据）及2站一等水准观测对比测量实验，以下是观测数值比较列表1：

从表1可以看出，无论是观测结果（观测值总平均数）误差，还是分组单位权中误差，都是很小的。

3.8有关工具的变形问题

表1　工具量测与一等水准观测的对比测量实验结果列表 （单位：mm）Table 1 Comparison of the experimental results of instruments measurement and first order observation （unit： mm）

本工具使用箱体结构，量测平面被保护在中间，两侧是厚钢板固定保护，后者上下和两端还焊接有固定铁片加以护卫，可以抵抗不是非常严重的摔、碰的影响。

根据工具的结构设计和功能特点，使用正反面的量测与平均方法可以有效地规避掉工具的变形影响，因为主臂平面的厚度和两个面之间的平行性是不会变化的，即使有变形，一面观测值变大，另一面观测值必定变小，并且变化数值相同。

如果只有一端变形严重（我们以3mm为限），可以只用变形符合要求的另一端进行量测，如果两端都发生正反面观测值差异过大或者发生扭曲变形等不可回避的变形，就需要进行校正，并人工对主臂平面的平直和平行进行磨削。

4　经济效益

4.1直接经济效益

本工具制作费用：材料约60元，螺杆及套筒制作约200元，切割、铣槽、开孔、焊接约240元，磨床磨削约200元，总计约700元。另外，配套的钳工水平仪约200元，手持激光测距仪约3000元。

按照前文所述，使用本工具耗费的人工时大约0.5×2=1（人工时），我们按照二等水准的要求使用1"级全站型经纬仪进行三角高程测量至少需要观测6个测回，加上1个小时计算，四个水准标志大约用时2×3+1=7（人工时），按照一台1"级全站型经纬仪1个人工时大约200元计算，大约相差1400-200=1200元。AHCORS的参考站大约70个站，其直接增益效益是1200×70=8.4万元。

本工具现正在国家测绘局系统进行推广，我们以全国2000个参考站计算，则直接增益效益就是1200×2000=240万元。

其他梁、架、墩、塔的直接增益效益未做统计，但其数额一定很大。

4.2间接经济效益

从二等水准的利用价值角度，仅从省级卫星定位服务系统建设和利用的角度考虑，只有建立高等级的高程数据，才能够实现省级卫星定位服务系统诸如“建立永久性连续运行的动态参考框架”、“高铁等大型高精度重要设施施工放样”、“国家地壳形变监测”、“地震监测”、“地面沉降监测”、“水利、交通等部门大坝、桥梁、重要建筑物的变形监测”等等工作，价值巨大。

例如“地面沉降监测”，如果没有二等精度的水准测量数据，是不能够进行地面沉降分析的，按照测量收费标准，以AHCORS70个参考站2000公里计，其产生的经济价值将达到1365.6×2000=273.12万元，而成本，仅是现成数据的利用，也就是计算机数据计算的费用，不会超过10万元。

上述省级卫星定位服务系统众多应用毋庸赘述，其他众多类型梁、架、墩、塔的高等级高程数据的使用价值更加不可估量。

5　总结

（1）使用延伸臂方式进行量测，直观、科学，易于接受；

（2）使用正反面量测并取平均值，可以有效地进行量测检核，更主要的是它可以有效地消除工具变形带来的误差；

（3）主臂平面使用厚达10mm的弹簧钢制作，保证了工具在后续使用中的稳定、抗变形；

（4）使用侧向固定平面和上下及两端加固铁片，可以有效地保护量测平面，抗摔、碰，减少变形，是本量测工具能够得到很好使用的保障；

（5）调节螺杆的设计尺寸方便了正反面量测，其头部设计成面积适中的尖的平台，在保证一定强度的前提下，方便工具整平工作的快速、准确；

（6）使用高精度的手持激光测距仪和钳工水平仪是保证量测精度不可或缺的必要前提；

（7）经过误差公式推演论证以及多次实验性比对量测研究，证明本工具的量测精度可以达到很高水平，完全符合二等水准的要求。

总之，本量测工具结构原理及方法功能可靠性好，制作简单，使用方便、快捷，量测精度高。

说明：本论文所述工具申请国家发明专利已获通过，专利号ZL201110157257.4。

［1］方子良，宋彪.机械制造技术基础［M］.上海：上海交通大学出版社，2004.

［2］GB/T12897-2006 国家一、二等水准水准测量规范［S］.北京：中国标准出版社，2006.

［3］CJJ8-85 城市测量规范［S］.北京： 中国建筑工业出版社，1985.

［4］徕卡测量仪器公司.Leica Disto-D5用户手册［S］.2008.

［5］余哲.GPS高程与精密水准高程的对比分析［J］.山西煤炭，2006，26（4）：35～37.

ON MAKING A TOOL FOR MEASUREMENT OF PIER TOWER HEIGHT OF BEAM FRAME

DUAN Jia-jia1，DUAN Zhong-lai2
（1. No.324 Unit， Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province， Chizhou， Anhui 247000， China； 2. Fundamental Mapping Information Center of Anhui Province， Hefei， Anhui 230031， China）

Starting from the principle of this measurement tool， this paper introduced the structure， making process and precise control of the tool， analyzed all possible measurement errors， their values and overall error formula， set up a real observation station to make a comparative analysis of this measurement with first-order leveling to test the reliability of this tool， and finally reached a conclusion that this measurement tool is well reliable in structure， principle， method and function， simple in making， convenient and quick for use and high in measurement precision.

boom； measurement tool； observation pier； making； error formula； comparative analysis of measurement

1005－6157（2016）03－0235－6

F204

B

2016-02-26

段佳佳（1987－ ），女，安徽安庆人，助理工程师，现主要从事地质测绘工作。