大跨度桥梁桥面线形测量新方法

2016-02-26徐进军韩达光

测绘通报 2016年1期

关键词：桥体全桥线形

徐进军，廖　骅，韩达光，邢　诚

(1. 武汉大学精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室，湖北武汉 430079；

2. 中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088)

New Methods for Deflection Measurement of Bridge with Large Span

XU Jinjun，LIAO Hua，HAN Daguang，XING Cheng

大跨度桥梁桥面线形测量新方法

徐进军1，廖骅1，韩达光2，邢诚1

(1. 武汉大学精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室，湖北武汉 430079；

2. 中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088)

New Methods for Deflection Measurement of Bridge with Large Span

XU Jinjun，LIAO Hua，HAN Daguang，XING Cheng

摘要：对于大跨径桥梁而言，在荷载试验中获得全桥线形状况具有很重要的意义。本文首先介绍了现有4种全桥线形测量方法及其特点，然后以某大桥静态荷载试验为例，重点讨论了地面三维激光扫描技术和地基雷达干涉测量技术的特点、数据采集、数据处理与变形对比。结果验证了新方法的有效性。

关键词：全桥线形；地面三维激光扫描；地基雷达干涉测量；静态荷载试验

一、现有全桥线形测量方法

桥梁结构荷载试验是在对桥梁结构进行直接加载后的一项测量桥梁结构一系列几何和物理参数的科学试验工作。通过荷载试验，可以了解试验荷载作用下的桥梁结构的实际工作状态，判断桥梁结构的安全承载能力，评价营运质量。荷载下全桥线形状态测量是其中的一项重要工作内容，要获取全桥线形，必须测量整个桥轴线上不同位置处的高程变化。现阶段全桥线形测量技术主要采用几何水准测量、三角高程测量、连通管及倾斜仪测量等。这些技术方法的特点简述如下。

1) 几何水准测量[1-2]：在桥面的桥轴线方向上埋设水准点，采用精密几何水准测量方法，与岸上固定的水准点联测，获得各水准点的高程。不同状态下各水准点高程之差可得到沉降值，进而得到桥体线形，如图1所示。

图1　水准测量法的挠度测量

这种方法作业简单，测程大、精度高，但水准点埋设和外业测量等的工作量大，对较长的桥梁，测量时间较长。

2) 三角高程测量[3-4]：也称全站仪测量法。在通视好、稳定的地方架设全站仪，一般在桥体侧面安置反射棱镜，同时在岸坡或桥墩(台)等稳定处安置反射棱镜。测量同一状态下各棱镜点的三维坐标，反算出桥体侧面的棱镜点间的水平距离与其相对于稳定处棱镜点的高程。对不同状态下高程进行比较得到高差，进而得到桥体线形，如图2所示。

图2　全站仪法的挠度测量

这种方法测量简单灵活，测程长，不受地形条件限制，测量工作量小。由于单向测量，为了最大限度消除球气差影响，一般适合在晚上测量。同时，过大的垂直角容易产生较大的高程误差。

3) 连通管测量[5-6]：在桥墩固定不变的位置上放置容量较大的母容器(基准桶)，在桥梁不同部位安置子容器，将连接各子容器和母容器的连通管固定在桥体侧壁上。在各容器的上部安置有位移传感器，可自动、连续地读取液面高度的变化。通过计算两个时刻各个容器高度变化来获取出各子容器部位相对于母容器部位的高程变化，进而确定桥体的线形状态，如图3所示。

图3　连通管法的挠度测量

连通管式传感器可以达到毫米级的测量精度，且能够实现多点沉降的同步监测。安置完成以后，具有测量精度高、不受测量距离限制及桥梁现场雨雾的影响等优点。通过通信技术与计算机相连，实现长期实时监测。不足之处是初期的安置和调试比较费力，中途维护需要一定的成本，测量结果受温度影响较大，量程有限。

4) 倾斜仪测量[7]：也称倾角法测量。沿桥轴线方向在桥梁不同部位埋设倾角仪。假定初始状态下是水平的，倾角为0。发生沉降后该点测量切线与其截面倾角为α。根据不同部位的倾角值可拟合出挠度曲线，这样就可以求得桥梁上线形状态，如图4所示。

图4　倾角法的挠度测量

这种测量方法简单可靠，但需要预先进行轴线放样，确定仪器的埋设方向。与连通管一样，先期准备工作较大，测程受到一定限制；需要补点时相对比较麻烦。

上述的桥面线形测量方法可以归纳成单点、接触式的测量模式，即要在桥体上预先埋设测点，而且埋设的测量是有限的。新的测量技术——地面三维激光扫描技术和地基雷达干涉测量技术采用了无接触、连续面式或连续线式及准实时测量，省去了大量设备埋设工作，同时可以从细部上了解桥梁整体结构的实际变形状态，便于实现全桥的线形测量与分析，是对已有测量方法的有效补充。

二、桥面线形测量的新技术

1. 工程概况

位于长江主河道的某特大型桥梁，桥型为三塔斜拉桥，两个主跨约为616 m，双向6车道，桥面宽度为29.5 m，通车前进行了静态荷载试验。

本文中的测量只在一个跨上进行。该跨上的静态荷载全程可以分成4种工况：

1) 工况1——空载：桥面上没有荷载。

2) 工况2——半载：桥面跨中央加载设计荷载的一半。

3) 工况3——满载：桥面跨中央加满设计荷载。

4) 工况4——空载：荷载驶离后桥面上没有荷载。

在整个过程中，采用了地基雷达干涉测量仪对桥底在不同工况下的变形进行连续测量，同时在江堤上利用地面三维激光扫描仪对塔柱和桥体进行了测量。

2. 基于地基雷达干涉测量技术的桥线性测量

干涉测量成像(image by interfereometric survey，IBIS)系统能够对目标物进行远距离、大范围的全天候连续监测，可测量目标物在雷达视线向的精确变化量。IBIS系统包括IBIS-S、IBIS-L和IBIS-M 3种型号。

IBIS-S 系统主要应用于高层建筑、桥梁、高塔等线状目标物的微小形变监测。其最大监测距离为1 km，视线上的距离分辨率为0.5 m，最大采样频率可达 200 Hz。由于采用了干涉法测量距离的变化，因此，视线上长度变化的测量精度可达0.01~0.1 mm。由于地基雷达系统在时间和空间上具有较高分辨率，从其形变监测数据中可提取多个连续分辨单元的形变时间序列，分析其挠度、线形和震动特征[8]。

对该大桥进行线形监测时，先将仪器置于桥底下面，调整仪器测量方向。对某一变形单元，仪器能测量出其中心到该单元的视线向长度(斜距)R及该视线向上长度的微小变化r(如图5所示)。要得到该单元在垂直方向的微小变化d，还需要进行必要的变换。为此，需要测量出仪器到桥底面的高度h，然后通过三角形相似关系，将视线向的变化量r转换到垂直方向的变化量d，即

(1)

以近岸桥墩为起点，对数据进行相应处理后发现：静载试验中，跨中单元在时刻1600s左右第1批负载车辆驶入桥垮(半载)，2800s进入第2批负载车辆(满载)，3900s车辆驶离桥垮(空载)，车辆的进入和驶出均有一个逐渐稳定的过程(如图6所示)。跨中(离桥台近300m处)变量最大，向两侧逐渐减小，有很强的对称性[9](如图7所示)。

图5　GB-SAR监测与沉降归算

图6　GB-SAR跨中点的变形曲线

图7　不同工况下的GB-SAR测量的线形曲线

3. 基于地面三维激光扫描技术的桥线性测量

地面三维激光扫描仪的单点三维坐标的测量方式与免棱镜全站仪相同，即其距离测量时利用了物体表面的漫反射，也就是免棱镜模式，通过扫描实现对物体表面点三维坐标的高精度、高速度和高密度测量。目前扫描仪的测量速度在百万次每秒，精度在百米左右能达到毫米级，更长距离多在厘米级。基于此，可以利用该技术实现准实时的动态监测，并应用到桥梁的线性测量中。

在合适的位置安置整平扫描仪，安置地点需稳定、少干扰，且尽可能增加扫描测量面积大，以便于提高精度和增加测程。在不同荷载状态下，对整个桥底面进行扫描。整个荷载试验期间保持扫描仪不动，保证变形值在同一基准下。由于两期扫描测量的点具有不可重复性，因此，不能够按照常规单点分析方法进行，而须结合具体的测量对象和点云测量状况，采用适合的数据处理方法[10-11]。

采用Riegl VZ400地面三维激光扫描仪，该大桥的桥底面照片及其扫描点云如图8所示。由于测量时要顾及塔柱，因此此次所能测量的桥底部长度100多米。其中仪器距桥底最近处约300 m，最远处约400 m。

图8　桥底照片与扫描点云

为了便于变形分析与解释，首先根据仪器全景扫描获得的点云，选取特征点(如桥侧面的等高点)，实现扫描点云从仪器坐标系到桥轴坐标系的转换。

桥底扫描获取的点云都是线状，这些扫描线具有一定的宽度和厚度。为了尽可能消除粗差点，采用RANSAC算法拟合空间直线。为提高计算效率，直接选取了点云线的两端的一段点集作为RANSAC的初始值。利用RANSAC算法可得到各条扫描线的空间直线方程

(2)

图9　不同工况下的扫描测量的线形曲线

图10　不同工况下的挠度曲线

在超过300m的距离内能达到这样的结果，符合设备标称精度，比较理想。如果将扫描仪置于桥底进行测量，大大缩短测量距离，则既可提高精度，又可以显著增加所测量的桥底长度，将会得到更好的结果。

三、结束语

地面三维激光扫描技术和地基雷达干涉测量技术，具有无接触、大测程、准实时、高几何分辨率等特点，可对现有的测量技术进行有效补充。就目前而言，地基雷达干涉测量的设备精度最高，但费用较高，容易受到外界水汽变化和变形体周围物体反射的影响；地面三维激光扫描在测量精度和测程上还有待进一步改进和提升。因此，结合工程的具体情况，选择优势互补的测量技术相互融合，将是获取目标物高分辨率、高精度、多维度变形信息的有效手段。

参考文献：

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引文格式：徐进军，廖骅，韩达光，等. 大跨度桥梁桥面线形测量新方法[J].测绘通报，2016(1)：91-94.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0023.