舜湖大桥静载试验自动化挠度测量的研究与分析

何长江，杨元伟，周兆环

（1.吴江市盛泽城区投资发展有限公司，江苏吴江 215228；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

桥梁荷载试验中主梁的挠度变形是评价桥梁承载能力的重要指标之一，它直接反映了桥梁结构的竖向整体刚度。目前常用的桥梁挠度测量方法主要有水准仪法、百分表法、静力水准仪等方法。

不管是光学水准仪还是电子水准仪，测量精度基本可以高于±1.0 mm，测量方便，但是总会受到视线遮挡、视距长度的限制，对于夜间进行静载试验的挠度测量存在照明上不便的缺陷，对于大跨径桥梁的挠度测量受制于测距长度有限，则费时、费力，效率低下。百分表法是一种传统的挠度测量方法，测量准确，精度高，但百分表的固定的位置往往需要搭设支架，在使用上对于大跨径桥梁受到限制。静力水准系统，是利用相连的容器，液体总是寻求具有相同势能的水平原理，测量和监测参考点彼此之间的垂直高度的差异和变化量。在人工读数的情况下精度可达1 mm，测程一般在20 cm以内，对于大跨度桥梁结构而言，其精度指标足以满足工程要求，但是由于大跨径桥梁纵向坡度高差较大，静力水准仪的量程较小且使用中同一断面的参考点和测量点的静力水准仪必须处于同一个水准面高度，从而使其使用受到限制。

大跨度桥梁的迅猛发展，对桥梁挠度测试工作提出了更高的要求，要求更快、更准确、更高效的测量桥梁挠度，促进了自动化挠度测试的研究。具有自动目标照准功能的全站仪的出现和发展，为实现变形监测自动化提供了机遇，基于自动化全站仪的自动化变形监测系统的研究和开发相继开展起来。

SOKKIA N ET05是索佳株式会社发布的自动化3D全站仪,广泛应用于船舶、大桥、交通工具、大型构件、隧道和滑坡变形监测等。SOKKIA NET05采用索佳独特的IACS(独立角度校正系统)技术和增强的绝对编码度盘RAB(随意双向编码)技术,测角精度为±0.5″,测距精度为±(0.8 mm+1 ppm×D),能自动搜索和照准棱镜或反射片,自动照准的范围为:棱镜1000 m;反射片50 m,即使多个棱镜和其他反射物体都在望远镜的视场内,独特的自动照准运算法则也能保证精确照准望远镜十字丝附近的棱镜目标[1]。

采用标称精度为±(1+1×10-6D)mm,±0.5″的测量机器人测量挠度,当Da＜50 m,Db＜50 m时,挠度测量精度优于0.6 mm,当Da＜150 m,Db＜200 m时,挠度测量精度优于±1 mm,完全能满足大跨径桥梁挠度测量精度要求.（其中Da表示仪器到后视点的平距，Db表示仪器到目标点的平距）[2]。在一定测程范围内,定位精度以ATR的精度为主,NET05仪器在精测方式下识别定位精度可达±1 mm,标准测距方式下识别定位精度可达±2 mm。但是仪器测量精度和仪器本身制造精度水平，外界的气象条件、观测目标的背景、棱镜方向和测量距离等都有较大影响。

因此，有必要根据桥梁工程的需求研究一套能够满足行业需求的、特色鲜明、基于自动全站仪的自动化挠度测试方法。

1 系统整体功能模块构成

1.1 通讯设置

通讯是自动化挠度测量的基础，是自动化全站仪和PC主机之间的指令和测量数据传输的桥梁。软件可以通过串口数据线按位进行传输数据，也可以通过无线通信电台模拟串口通信方式，实现远距离无线通信，一般通信范围可达2～3 km，真正实现无人值守自动化测量。

1.2 测站和定向设置

读取和设置全站仪测站和后视定向信息，并记录这些信息，方便后期人工检算所有测量数据。

1.3 测点人工学习

测点学习是自动化挠度测量最基本的一项任务，只有学习后的测点，自动全站仪才可以在自动测量模块里搜索到并进行测量。测点学习操作简单，只需进入测点学习界面，人工手动瞄准被测目标，软件即可自动精确照准目标，测量并记录目标的三维坐标和目标棱镜类型，棱镜常数等参数。

1.4 自动测量

自动测量时间设置，设置起始时间、结束时间，测量间隔时间；测量数据和测量结果实时显示。测量时，全站仪自动旋转到目标棱镜位置方向，同时，根据学习的目标棱镜参数设置目标棱镜类型、棱镜常数、目标高等信息；目标被遮挡时自动延时观测。

1.5 挠度变形数据自动记录、处理和分析

通过串口通信方式，实时记录测量数据，并计算测点在该工况的挠度变化情况，对于挠度变化值较大的测点，其记录会用黄色背景红色粗体字高亮显示。

1.6 测量点三维空间位置显示

三维方式显示监测点的相关空间位置图像，可以缩放、平移、旋转视图以方便查看监测点信息。

1.7 测量日志功能

实时记录整个测量过程的功能，如记录测站设置、测点学习过程、测点测量过程，记录包括时间、测量概况、数据校核情况及重测记录等日志内容。

1.8 数据库功能

包含数据的存储、查找，表格显示测量结果，图形显示测量变化趋势；

2 提高自动化挠度测量精度相关措施

2.1 自动全站仪本身仪器误差修正

测量数据的自我校核，采用盘左、盘右方式测量一个测回，自动计算斜距较差、2C差值、2C互差、2倍指标差、超限数据自动处理，不合格数据自动重测。测站不稳定检测和处理[3]。

2.2 减少气象环境变化对测量结果的影响

斜距差分改正模型，三角高程差分模型，方位角的差分改正[3]。

3 工程实际应用效果评价

3.1 工程概况和测点布置

舜湖大桥跨京杭运河，主桥为跨径91 m+123 m独塔双索面混凝土斜拉桥，一跨跨越京杭运河，塔、梁、墩固结体系，不设辅助墩，主塔采用“H”型主塔，平行直立塔柱；主梁采用分离式混凝土双主梁；斜拉索采用平行钢丝成品索，平行扇形双索面。

本次荷载试验在主梁布置了9个挠度测试断面，见图1，其中 1—1、3—3、4—4 分别为锚跨 1/4、1/2、3/4 断面，5—5、7—7、9—9 分别为主跨 1/4、1/2、3/4 断面，2—2、6—6、8—8 分别为锚跨最大弯矩加载工况、主梁最大负弯矩加载工况、主梁最大挠度加载工况的挠度控制断面，各断面测点布置见图2。

图1 主梁挠度测试断面布置示意图（单位：m）

图2 断面挠度测点布置图

3.2 现场测量结果

在该工程中，共计进行了初始值观测和边跨加载、边跨卸载、中跨加载、中跨卸载共计4个工况下的挠度测量。选取边跨加载和主跨加载工况自动化挠度测试结果和Sokkia SDL30 m数字水准仪测试结果进行比较，见表1、图3。

3.3 应用结果比较和分析

从表1、图3的比较可以看出，2个加载工况下垂直位移的水准仪和自动观测数据结果是基本一致的，误差均小于2 mm，最大误差为-1.7 mm，推测主要原因应该和与全站仪和目标点的距离长短有关。

4 结语

分析当前桥梁静载试验挠度测量的研究背景和挠度测量方法的发展现状，可见改进桥梁静载试验挠度测量的方法是很有必要的，通过研究自动化挠度测量系统的组成和系统的功能设计，以及利用相关措施改进自动化挠度测量精度，并将研究成果应用于舜湖大桥静载试验挠度测量中，通过自动化测量结果与水准仪测量结果的比较，认为自动化测量的方法是可行且结果是可靠的。

表1 加载工况测试结果表

图3 水准仪观测和自动化观测结果比较

[1]李翔,齐冬梅,蔡东健,等.SOKKIA NET05全站仪自动目标识别精度测试与分析[J].现代测绘,2010,33(5):30-32.

[2]余加勇,朱建军,邹峥嵘,等.大跨径桥梁挠度测量新方法研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2007,34(10):30-34.

[3]谷川,杨元伟.全站仪自动化变形监测系统研究与开发[J].铁道勘察,2011(5):1-5.