大跨径桥梁挠度观测方法评述

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第８期　测绘通报　４１　文章编号：０４９４—０９１１（２００２）０８—００４１—０２　中图分类号：ＴＵ１９６　文献标识码：Ｂ　大跨径桥梁挠度观测方法评述　张文基　，刘喜元　，岳建平　（１．佛山科学技术学院土建系，广东佛山５２８０００；２．河海大学土木工程学院，江苏南京２１００９８）　Ａ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　Ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｌａｒｇｅ　Ｓｐａｎ　Ｂｒｉｄｇｅ　ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｎ—ｊｉ，ＬＩＵ　Ｘｉ—ｙｕａｎ，ＹＵＥ　Ｊｉａｎ—ｐｉｎｇ　摘要：论述大跨径桥梁挠度观测的主要原理和方法，对各种观测方法从测量精度、测量速度和测量范围等方面进行深入的分析与　比较，指出各种方法的应用范围和特点。　关键词：桥梁；挠度；观测　一、引　言　而计算桥梁检测部位的挠度值。精密水准是进行国　家高程控制网及高精度工程控制网的主要手段，因　此，其测量精度和成果的可靠性高。　随着我国改革开放的深入和社会主义市场经济　体制的建立，公路交通作为我国经济建设中重点投　资建设行业，正以前所未有的规模和速度向前发展。　目前，我国已在长江、黄河、珠江等河流上建成了一　目前，高精度的光学水准仪已十分普遍，其精度　已高于±１　ｍｍ，许多光学水准仪已采用了自动安平　技术，使测量的速度得到了进一步的提高。另外，近　年来，电子水准仪也已在许多工程中开始应用，其观　批大跨径、深水基础的桥梁，使我国的桥梁设计、施　工技术跨人了世界先进行列。对于这些新建的桥　梁，必须通过试验检测，鉴定其是否符合国家标准和　设计要求，同时为完善设计理论和施工工艺积累实　测、记录和数据处理将更方便简捷，大大提高了测量　的工作效率。由于大多数桥梁的跨径都在１　０００　Ｉｎ　以内，所以利用水准测量方法测量挠度，一般能达到　±１　ｍｍ以内的精度。　践资料。　桥梁检测试验分静载试验和动载试验两种。静　载试验需观测结构的反力、应变、位移、倾角、裂缝等　物理量，其中，对于大跨径桥梁，位移观测主要指观　测桥梁的挠度。目前，挠度观测的常用方法有精密　２．全站仪观测法　由于近年来全站仪的普及和精度的提高，使得　全站仪在许多工程中得到了广泛的应用。该方法的　实质是利用光电测距三角高程法进行观测，其基本　原理为　＝水准法、全站仪观测法、ＧＰＳ观测法、液体静力水准　观测法、专用挠度仪观测法等。不同的仪器和方法　其观测的精度和速度有一定的差异，荷载试验应根　据理论计算结果和规范的规定，选择适当的方法和　仪器。　Ｓｓｉｎ　ａ—Ｓ　ｓｉｎ　ａ　（１）　式中，．ｓ，．ｓ　为斜距；ａ，ａ　为竖直角。　根据式（１）和误差传播定律可得　ｍ；＝ｓｉｎ２　ａｍ　＋Ｓ２ｃｏｓ２　ａ（　）２＋ｓｉｎ２　ａ　ｍ｝＋　ｌＤ　二、常用方法及其精度　挠度测量的常用方法有多种，各种测量方法各　有其特点，下面就这些方法的原理及其测量精度分　别予以介绍和分析。　Ｓ　２Ｃ０ｓ２　ａ　（一ｌｌ／，￣ｔｔ）　ｌＤ　（２）　由于测量前后的仪器高和目标高相同，因此，其　误差可以忽略。另外，在三角高程测量中，大气折光　是一项非常重要的误差来源，但桥梁挠度观测一般　１．精密水准法　精密水准是桥梁挠度测量的一种传统方法，该　方法利用布置在稳固处的基准点和桥梁结构上的水　在夜里，这时的大气状态较稳定，且挠度观测不需要　绝对高程，只需要高程之差。因此，只有大气折光的　变化对挠度有影响，而在桥梁检测试验时气象条件　较好，该项误差相对较小。当仅考虑测距和测角误　准点，观测桥体在加载前和加载后的测点高程差，从　收稿日期：２００２—０２．２５　作者简介：张文基（１９６２一），男，广东伍华人，讲师，主要从事教学和精密工程测量研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com ４２　测绘通报　２００２年第８期　差时，利用ＴＣ２００３全站仪（０．５”，１＋１　Ｘ　１０Ｉ６　）在　不同情况下的挠度测量精度见表１。从表１可以看　出，在１　ｋｍ以内，全站仪观测法可以达到±３　ｍｍ　左右的精度。　表１全站仪挠度观测精度　ｍｍ　三、方法的比较　１．观测精度的比较　在上述几种方法中，以精密水准、静力水准和挠　度仪观测的精度较高，ＧＰＳ和全站仪观测的精度略　低。　当桥梁的跨径、坡度较大时，精密水准测量的难　度明显加大，桥上置仪点选择困难，较大的坡度使测　站数增多，从而使观测结果的精度受到一定的影响，　另外，桥梁检测过程中，由于受外界条件的影响（如：　温度、风荷载、荷载变形、照明等），使测量结果会带　有一定的误差，从而使其实际精度比理论精度低。　静力水准的精度虽然较高，但其布设受限制较　多。由于该仪器的量程较小，因此，在测点布设时，　应将测点布设在适当的高程面上，从而使观测前的　准备时间较长。另外，在检测过程中，由于液体渗　３．Ｇ】ＰＳ观测法　漏、温度、气压等的影响，其观测精度也会受到一定　目前，ＧＰＳ测量主要有３种模式：静态、准动态　的影响，因此，在仪器安装过程中，应仔细检查连通　和动态，各种测量模式的观测时间和测量精度有明　管的接头是否牢固，以防止液体渗漏。　显的差异。在通常情况下，静态测量的精度最高，一　２．观测速度的比较　般可达毫米级的精度，但其观测时间一般要１　ｈ以　由于静力水准、ＧＰＳ和挠度仪观测是自动化观　上。准动态和动态测量的精度一般较低，大量的实　测，因此，在观测时间上这几种方法有一定的优势，　测资料表明，在观测条件较好的情况下，其观测精度　另外，这些方法还可实现动态挠度观测。　为厘米级。因此，对于大挠度桥梁的检测，由于挠度　精密水准虽然精度较高，但劳动强度大。由于　值较大，应用ＧＰＳ观测还是可以考虑的。　精密水准测量需较长时间，在实际检测过程中，经常　是其他工种的技术人员等候水准测量人员，给检测　４．静力水准观测法　的进度带来一定的影响。全站仪观测由于需多测回　静力水准仅的主要原理为连通管，利用连通管　观测竖直角，从而使其整体的观测时间加长。如果　将各测点连结起来，以观测各测点间高程的相对变　检测是在夜间进行，则观测过程需人工照明，由于目　化。目前，静力水准仪的测程一般在２０　ｃｍ以内，其　标寻找困难，观测时间将更受影响，照准精度也会有　精度可达±０．１　ｍｍ以上，另外，该方法可实现自动　一定程度的降低。　化的数据采集和处理。这项技术在建筑物的安全监　３．量程的比较　测中应用已十分普遍，仪器的稳定性和数据的可靠　上述几种方法中，精密水准、ＧＰＳ和全站仪观　性也相当有保障。　测基本不受量程的影响。静力水准的量程相对较　５．专用挠度仪观测法　小，因此，在挠度较大的工程中，该仪器的使用就受　在专用挠度仪中，以激光挠度仪最为常见。该　到了限制。激光挠度仪虽有一定的量程，但其量程　仪器的主要原理为：在被检测点上设置一个光学标　可根据需要选择，目前其最大量程已达４　１１１，在桥梁　志点，在远离桥梁的适当位置安置检测仪器，当桥上　挠度检测中已足够使用。　有荷载通过时，靶标随梁体震动的信息通过红外线　传回检测头的成像面上，通过分析将其位移分量记　四、几点结论　录下来。该方法的主要优点是可以全天候工作，受　通过上面的分析比较，可以得到以下结论：　外界条件的影响较小。　１．桥梁挠度观测可采用不同的方法进行，但不　该方法的精度主要受测量距离的影响，在通常　同方法精度和作业时间有较大的差异，各种测量方　情况下，这种仪器的挠度测量精度可达±１ｍｍ左　法的也不尽相同，桥梁检测时应根据工程实际情况　右。　选择合适的方法。　（下转第４５页）　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第８期　测绘通报　４５　块），逐一将底图所有要素及要表示的专题要素转换　常是按比例尺的不同以“塔式”结构存在的，即对同　成所要求的图上坐标，并经有关模块实现符号化处　一区域的不同比例尺数字海图分别进行存储，对海　理、硬软拷贝输出后即可得到所需的变比例尺地图　图的显示是根据需要对指定的比例尺按图幅或地理　投影专题地图。　单元进行的，海图的投影按照习惯采用的是墨卡托　五、变比例尺投影技术在ＧＩＳ中的应用　投影，这是我们所熟悉的一种情况。然而，在航行时　展望　我们关心的主要是以船位为中心的一定半径圆形区　域内详细的与航行有关的信息，而对于远离船位的　１．ＧＩＳ中变比例尺投影地图量算问题的解决　其他信息只作一般的了解。这正好是变比例尺投影　尽管通过计算机地图制图技术可以比较容易制　技术能够实现的。最简单的处理方法就是动态地以　作出硬拷贝（纸质）变比例尺投影地图，但前面提到　实时船位为焦点（圆心），按前述单焦点变比例尺地　的地图量算困难依然存在，并影响其推广使用。问　图变换原理，对屏幕上的所有要素作变比例尺投影　题的解决只能是通过计算机软件的方法。事实上，　处理，得到连续变比例尺投影处理后的电子海图，实　在ＧＩＳ或电子地图系统中，解决其精确量算问题是　现类似视觉观察的效果，即近处看得清楚，远处看得　比较容易的。由于变比例尺投影的模型是已知的，　模糊。但必须注意到此时显示的等角航线除过船位　因而可以通过正解或反解的方法得到显示在屏幕上　的航线为直线外，其余的往往不再是直线，距离方位　的每一要素的定位点（点串）的经纬度坐标，或鼠标　也不能按墨卡托投影模型来求解而要用到前面介绍　所在点位的经纬度坐标。大地测量学的有关知识告　的大地问题反解模型来求解。　诉我们，对于选定的参考椭球体，当知道两点的经纬　度坐标后，即可通过大地问题反解模型精确地求出　其大地线长度和正反方位角。在此基础上，任何线　要素的长度就可以通过累计两两节点之间的大地线　长度的方法精确得出。对于面状地图要素，同样只　要解出围成其边界的节点的经纬度坐标，就可以按　照有关模型精确计算出其在地球椭球面上的面积。　图２　以船位为焦点作变比例尺处理后要素分布发生了变　其他地图量算功能同样可以参照长度和面积量算的　化（从船位出发的航线仍为直线）　方法进行设计。　参考文献：　由上面的分析可知，影响变比例尺地图投影应　用的所有问题可以在ＧＩＳ中得到彻底解决，而其优　［１］胡毓钜，龚剑文．地图投影［Ｍ］．北京：测绘出版社，　１９９２．２０３—２０７．　点可以得到充分的发挥，因此有理由对这一技术在　［２］吴忠性，杨启和．数学制图学原理［Ｍ］．北京：测绘出　ＧＩＳ中的应用表示乐观。下面仅对其在基于ＧＩＳ技　版社，１９８９．３１５—３１８．　术的电子海图系统中的应用加以说明，相信读者不　［３］尹贡白，王家耀，等．地图概论［Ｍ］．北京：测绘出版　难将这一思路和方法推广到其他ＧＩＳ应用系统中去。　社．１９９０．９３—９５．　２．变比例尺投影技术在ＧＩＳ中的应用举例　如图２，在普通的电子海图系统中，数字海图通　（上接第４２页）　５．随着ＧＰＳ观测精度及速度的提高，可尝试　２．在条件允许的情况下，专用挠度仪观测应该　用ＧＰＳ进行挠度观测。　是首选的方法。该方法不但测量精度高，而且速度　快，并且能实现动态观测。　参考文献：　３．在桥梁坡度和挠度较小的情况下，静力水准　［１］姚玲森．桥梁工程［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９８５．　测量可得到良好的观测结果，该方法的最大特点是　２０．８０．　精度高，可实现自动化观测。　［２］罗志才．ＧＰＳ用于鉴别震动变形的实验研究［Ｊ］．测绘　４．在大挠度桥梁检测中，全站仪观测精度能满　学报，２０００，２９（２）．１１８—１２３．　足要求，但测量速度略低。　［３］许娅娅．全站仪观测桥梁挠度的探讨［Ｊ］．西安公路交　通大学学报，１９９９，（３）．４２—４４．