桥梁高墩柱垂直度的快速检测方法研究

2018-05-22刘亚杰丁克良关士新林俊华刘明亮

山东建筑大学学报 2018年2期

刘亚杰，丁克良，*，关士新，林俊华，刘明亮

（1.北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京100044；2.河南省淮阳县住房和城乡建设局，河南淮阳466700）

0 引言

近年来随着我国高速公路的快速发展，桥梁中高墩柱的使用越来越普遍，在桥梁的施工过程中，桥梁墩柱的垂直度极易影响到桥梁的受力状态，因此垂直度检测显得尤为重要。JTG F80／1—2012《公路工程质量检验评定标准》对桥梁墩柱垂直度的允许偏差以及检查方法和频率做了如下要求：采用吊线锤的方法检查桥梁4～8处，桥梁墩柱倾斜度＜0.3%H（H为墩身或柱高度）且＜20 mm［1］。高墩桥梁墩柱施工的初始倾斜、承台或桩基下沉、外部荷载作用和表面凸凹现象都可能引起倾斜或倾斜假象［2］。近年来，许多学者通过工程实践以及理论分析的方法对传统的垂直度检测方法进行分析并提出改进方法。余加勇等提出了采用全站仪非接触投影法对无明显特征点的柱状构筑物进行倾斜度测量［2］。寇光明介绍了坐标法、垂线法、孤长公式法、全站仪+直尺法，并对4种方法的优缺点进行了对比分析［3］。孙旭以薄壁空心墩为例，论述了高墩柱的施工特点和质量控制措施［4］。研究发现，常规的垂直度检测方法通常只能检测出具有特征点部位的水平偏移及倾斜率，不能检测出构筑物中心轴线的空间线形［5-9］。因此对于高墩柱垂直度的测量，既有传统方法已逐渐不适用。随着测绘技术的发展，全站仪逐渐走向自动化并搭载了越来越多的面向用户的实用性程序，如自动点测量、悬高测量、面积测量等，尤其是机载程序和全站仪免棱镜无接触测量方法相结合的测量方法使得测量更为方面、在很多场合测量效率更高，应用更为广泛［10-12］。

全站仪圆柱偏心测量采用的是无棱镜模式，可以在不接触被测物体的情况下，测得物体坐标进而计算圆柱内部圆心，检测内容多样全面，在保证测量精度的同时，也提高了工作效率［13-14］。针对全站仪圆形立柱垂直度检测，焦明连探讨了全站仪的圆形建筑物倾斜观测的方法和精度［15］，宋子超等利用稳健估计方法探讨了检测的可靠性［16］。文章对河北省一在建高速公路桥梁墩柱采用圆柱偏心测量方法进行检测，并将此方法与传统的吊线锤方法和弧长检测法中进行对比分析，为高速公路桥梁安全评估提供了科学的依据。

1 桥梁墩柱垂直度检测的主要方法

对于高墩桥梁的墩柱，规范对其检测的方法和频率做出了严格规定［1］，目前规范规定检测的方法为吊线锤法。

1.1 传统测量方法

1.1.1 吊线锤法

吊线锤法的测量流程是在桥梁墩柱模板安装完毕后，在模板上部边缘四周分别直接悬挂或支出一点，用于吊一定重量的锤球，且与抗风绳方向保持一致；在垂线下或者墩柱底部设置如毫米格网读数板的读数设备，直接读取或量出墩柱顶部相对于底部的水平位移以及方向。若其误差在规范允许范围内，则视为合格墩柱，否则为不合格墩柱。评定标准JTG F80／1—2012对墩柱实测项目的规定见表 1［1］。

表1 墩柱实测项目表

吊线锤法依照地心引力原理进行测量，不需要使用复杂的仪器，可以用较为简单的流程完成模板校正以及垂直度检测，得到了广泛的应用。但是如果现场风力较大，则会使垂球摇摆不定，很难甚至无法进行垂直度的测量。因此，吊线锤法对施测环境有较高要求：测量时无风或风力较小，不影响锤球垂度，并且要求桩基施工定位准确，无偏位［4］。同时此方法对精度的控制较差，对测量人员的责任心要求非常高，并且在测量时，需要用起高设备将测量人员送到墩柱上部进行垂直度检测，而随着越来越多高桥墩的出现，这种方法既不能保证测量人员的人身安全，也不能保证测量数据的准确度。

1.1.2 弧长检测法

弧长检测法又称投点法，此方法的测量步骤是将仪器架设在能完整看到墩柱的位置，望远镜瞄准墩柱模板顶端边缘，锁定水平度盘后将水平角置零；旋转垂直螺旋旋钮，调整望远镜视角到墩柱最底部；解锁水平度盘，微调视角直至瞄准墩柱最底部外侧，将测得的水平角度记为α，同时采用无棱镜模式测量仪器与墩柱最底部边缘之间的距离S，如图1所示，最后根据弧长计算公式计算出此墩柱的垂直度。

弧长检测法较吊线锤方法精度较高，但是需要多次测量角度多次计算垂直度偏差，较为繁琐，并且至少需要架设2次仪器测量，即（1）测纵向偏差；（2）测横向偏差［4］。若采用的仪器为经纬仪或不具有无棱镜模式的全站仪，则仪器与墩柱最底部边缘之间的距离需要用钢尺测量，会使误差进一步加大。另外，此方法对仪器架设位置也有很高的要求，架设仪器的位置必须能观测到所测墩柱的最上部边缘和最下部边缘，而施工现场经常存在陡坡、填土甚至湖泊等严重遮挡地段，对垂直度检测产生严重干扰。

图1 弧长检测法示意图

1.2 圆柱偏心测量法

圆柱偏心测量是对高大耸立的柱状物体进行测量的方法，文章将这种方法运用于高墩桥梁墩柱检测中。

全站仪圆柱偏心测量法是在实际工程中新提出的检测方法，其流程是：在已知点A架设仪器，瞄准已知点B进行设站定向，进入全站仪圆柱偏心测量程序，保证竖直角不变的情况下使用无棱镜模式分别使十字丝的竖丝墩柱的左边线、右边线相切进行左切和右切测量，再微调水平螺旋，将水平角度调成0°0′0″，进行测量即可直接得到此平面圆心坐标以及半径，原理示意图如图2所示。

其中，AO为∠CAD的角平分线，则根据三角形相似可得数学关系及半径R的表达式，由式（1）～（3）表示为

即

令可得圆心O的坐标由式（4）～（5）表示为

图2 圆柱偏心测量原理示意图

分别对墩柱的上、下部进行圆柱偏心测量，得到其圆心，分别记为（x1，y1，z1）和（x2，y2，z2），则墩柱的垂直度Δd由式（6）表示为

偏移角度i由式（7）表示为

全站仪圆柱偏心测量较吊线锤法和弧长检测法具有较高的精度，在测量中也无需接触被测物体，保证了测量人员的人身安全。由于在测量墩柱时无需观测最顶端边缘和最低端边缘，所以受陡坡等起伏地形限制小。如图3所示，将仪器架设在A点，在墩柱间无遮挡的情况下可以单测站进行多根墩柱测量，检测效率高。

图4为测量现场环境照片，采用吊线锤法和弧长检测法对此类高墩柱进行测量费时费力，而圆柱偏心测量则可轻松完成测量任务。

图3 单测站测量墩柱示意图

图4 墩柱测量现场示意图

2 桥梁墩柱检测工程应用案例

河北一在建高速公路公路全长59 km，其中大桥46座，桥梁总长16.7 km，设计墩柱数量约为4600根，而且高墩桥梁较多，施工难度大，技术要求高。测量采用徕卡TS06全站仪对此高速公路的约1500根墩柱进行检测。通过现场测量对3种测量方法进行了多方面比较。3种方法的比较结果见表2。表3为一段采用新方法检测墩柱结果。

由表2的3种方法对比可以看出，全站仪圆柱偏心测量法在繁琐程度、精度、受环境影响程度、人员最少投入、投入时间、自动化程度、测量人员危险系数、检测内容、所需设备方面都要优于其他2种传统检测方法。圆柱偏心测量法人员投入仅为1／3，可缩短50%的测量工期，降低工程成本。

表2 桥梁墩柱检测3种方法对比表

表3 某标段桥梁立柱检测结果表

从表3检测结果可以看出，无接触圆柱偏心测量法可以测出包括墩柱的半径、与设计半径之差、偏移量、倾斜度、倾斜方位等6种内容。单标段16根墩柱中只有一根墩柱偏移量超限，倾斜度达到了3.3‰，其余倾斜度都在1.7‰内，而测量半径与设计半径之差在1.5 mm内。其相较于传统检测方法，检测数据详细直观，可对桥梁墩柱的倾斜属性进行多角度具体的表达。

为了检验风力对吊垂线测量方法的影响，实验测得在10 m的高度上不同等级风力对垂球锤摆动幅度的大小。试验结果见表4。