经纬仪测量震后桥梁桥墩倾斜角的方法探索.doc

文章题目
经纬仪测量震后桥梁桥墩倾斜角的方法探索
创
新
点
自
述
本文所述内容的创新点自述如下：
桥墩的倾斜是桥梁破坏检测中的重点检测项目。从专业的立场出发，经纬仪、全站仪等是土木建设行业实践中的常规的精确测量仪器；而桥墩为矗立高耸式结构物，常规的测角技术不便测量，再者精度也达不到要求。为了精确的测出桥墩破坏后的倾斜角，该文便是讲述采用本专业常用的测量仪器使用原理来建立测量模型，根据创新的测量方法推导出测量公式，从而运用在实践中以便于测出桥墩破坏后的倾斜角。
这篇文章是我大学期间创新项目的一个成果之一。
经纬仪测量震后桥梁桥墩倾斜角的方法探索
照片尺寸为20mm*30mm；最好不用红色背景
摘 要：我国目前在役桥梁结构中,有很大一部分由于设计荷载标准低、交通量快速增长、受车祸事故、超负荷载、使用和维护不当，以及自然环境侵蚀、雨雪、地震等因素的影响, 大大加剧了桥梁结构的老化、损伤，缩短了其是使用寿命，日益成为交通安全隐患，急需进行相关结构安全性检测鉴定。在桥墩较高的桥梁结构中，桥墩的偏斜是直接导致桥梁上部结构破坏的直接原因，本文即是探索对高墩的偏斜角用经纬仪测量的方法。
关键词：经纬仪；桥墩；偏斜角
中图分类号：U443.22 文献标识码：A 文章编号：1004-5422 (2009) xx-xxxx-x

Exploring the new way of theodolite offset angle of the bridge pier after the earthquake

Abstract：China is currently in the existing bridge structure, a large part due to the design load standard is low, rapid growth of traffic by traffic accident, overload overload, improper use and maintenance, as well as the natural environment erosion, rain, snow, earthquakes and other factors, greatly exacerbated the aging bridge structure, damage and shorten the life which is increasingly becoming the traffic safety problems, the urgent need for detection and identification of safety related structures. In high bridge pier structure, pier skew bridge superstructure is a direct result of the direct cause of the damage, the paper that is exploring for high pier skew angle with the theodolite measurement.
Key words：theodolite、bridge pier、offset angle

2

0 导言
具体选择对成都市成华区青龙场桥最大跨度段进行破坏检测以及该跨度段破坏影响对桥墩造成的倾斜角的测量。该项目对于在校大学生来说是对本专业的一个深刻的理解和对学习内容的一次升华。所选的青龙场立交桥（图1）最大跨度检测段，该桥跨为目前成都的第一跨度，在5.12震后有较为明显的结构损伤。由于该桥所处位置十分特殊，桥下要通过铁路干线，还有经济贸易市场，是成都市政工程的一个大跨度桥梁特例，对于市政方面也需要一个具体的加固方案，所以此次项目对我们来说有较强的可行性，和极高的研究价值，其实践意义及高。其中的破坏检测是利用现有的规范条列进行，而桥墩偏斜角测量是来自于我们自己创新的方法
作者：赵发海．

图1 青龙场立交桥
1 测量理论探索
鉴于施工单位最常用的测量仪器是经纬仪，我们选择用经纬仪来测量，然后以简单的皮尺等辅助测量工具。桥墩偏斜角测量，知识基本来源于《建筑测量学》中讲述的的测量仪器的使用和基本测量方法。通过建立模型图，得出了测量桥段偏斜角测量的方法，得出桥墩偏斜角测量新方法。
2 测量方法
2.1沿桥墩横面方向的底部引出一条线PQ：用皮尺测量QP=d，为了方便测量和控制误差，应让d大于3m至Q达到相邻桥墩1m左右的范围内。（由于桥墩间的距离本来就较近，为了方便利用经纬仪向上仰望要尽量把经纬仪安置在靠近相邻的一个桥墩下。但是为了方便操作仪器和读数也不要太靠近桥墩，不然反而会影响测量。）然后用经纬仪的重锤把Q点投放到地面上，保护好该点不被扰动。
2.2以Q为标准点，架上经纬仪，对经纬仪进行对中调平，做好测量的准备工作,设经纬仪的视准轴和横轴的交点为O点。
2.3用皮尺量得经纬仪安放好后距地面的高度为i。然后将经纬仪调为水平状态（竖直角为零），把望眼镜中的十字丝对准桥墩面。另外一位操作人在看镜人的指挥下用铅笔将十字丝的交点瞄画在桥墩面上，然后转动望眼镜再用同样的方法瞄出三个点以上。用皮尺将这些点连接起来，再用铅笔画一条细线在桥墩上，该线作为测量的水平基准线。
2.4让经纬仪的竖丝对准桥墩的一条棱边，记为N1点，这个点应该位于上述的水平基准线的上方。（为了误差较小，而且第一个点就能有效求算，应该位于水平基准线1m以上。）
2.5然后竖直方向转动经纬仪的望远镜，让十字叉横丝落在桥墩所画的细线上，其落点为M1，从而测出此时的竖直角β1，则在几何关系上构成如图所示四面体O-P’M1N1。
2.6把经纬仪水平转动，让交点落在P’点上，从而测得水平转角为 γ1。于是得到测量模型简图如下：

图2 测量模型简图

2.7从而利用几何关系，如图示Rt△OM1P’中解得
M1P’=dtanγ1
OM1=d/cosγ1
又在Rt△N1M1O中得N1M1=OM1tanβ1=(d/cosγ1) tanβ1

那么在Rt△N1M1P’中：

从而得：

注析：从上式可看出，桥墩的偏角测量值之一α1，是该值与d无关，这就可以减少第1步中的“皮尺测得OP=d”这过程。于是该测量的过程只与测得水平角与竖直角有关，从理论上也是一个完美的自我论证。
2.8在7之前的操作及计算基础上，让经纬仪的十字丝交点对准N1点之上1-3m（该距离为目测估计即可）处，取点为N2。
2.9重复操作4、5、6，测得水平角γ2，竖直角β2，依照计算得：

2.10重复8、9两步可以测到α3、α4、α5...αn，其：

2.11用所得的α1、α2、α3...αn取平均值得：

该步可以利用《概率论与数理统计》求出方差看所得的数据偏差是否较大，以用来判断求得的数据的可靠性。
若Dα较小，说明该测量方案可行，其：

2.12之上的求n个值取平均及利用《概率论与数理统计》处理的目的都是为了减少误差。其误差不仅仅是使用经纬仪的操作上和画线取点等，更主要的这一切都是由于桥墩的棱角和面都不是绝对的平面和直线，这也是本测量克服的难点之一。所以在最后面α1、α2、α3......αn时有必要舍去偏离平均较大的值，用概率论与数理统计理论取舍。以至于求方差标准差灯等都是为了更好地验证结果的有效性。
3 测量数据处理
根据测量方法，得到的测量数据及处理过程如下表：
所测数据

竖盘位置
竖盘读数
半测回竖直角
竖直角β左1值
α左1

竖盘位置
竖盘读数
半测回竖直角
竖直角β右1值
α右1
β左1
左
85°26′15.1″
4°33′44.9″
4°33′44.9″
0.1298°
β右1
右
278°6′47.3″
8°6′47.3″
8°6′47.3″
0.0972°

水平盘读数
半测回水平角
水平角γ左1值

水平盘读数
半测回水平角
水平角γ右1值
γ左1
左
0°07′35.1″
0°0′37.3″
0°0′37.3″
γ右1
右
180°02′26.9″
0°0′49.9″
0°0′49.9″
0°06′57.8″
180°01′37.0″

竖盘位置
竖盘读数
半测回竖直角
竖直角β左2值
α左2

竖盘位置
竖盘读数
半测回竖直角
竖直角β右2值
α右2
β左2
左
81°19′15.9″
8°40′44.1″
8°40′44.1″
0.0821°
β右2
右
282°22′55.0″
12°22′55.0″
12°22′55.0″
0.1445°

水平盘读数
半测回水平角
水平角γ左2值

水平盘读数
半测回水平角
水平角γ右2值
γ左2
左
0°07′49.7″
0°0′45.1″
0°0′45.1″
γ右2
右
180°03′26.2″
0°01′54.2″
0°01′54.2″
0°07′4.6″
180°01′32.0″

竖盘位置
竖盘读数
半测回竖直角
竖直角β左3值
α左3

竖盘位置
竖盘读数
半测回竖直角
竖直角β右3值
α右3
β左3
左
77°38′54.1″
12°21′5.9″
12°21′5.9″
0.1422°
β右3
右
285°54′8.2″
15°54′8.2″
15°54′8.2″
0.0956°

水平盘读数
半测回水平角
水平角γ左3值

水平盘读数
半测回水平角
水平角γ右3值
γ左3
左
0°08′34.2″
0°1′52.1″
0°1′52.1″
γ右3
右
180°03′32.1″
0°01′38.1″
0°01′38.1″
0°06′42.1″
180°01′54.0″

竖盘位置
竖盘读数
半测回竖直角
竖直角β左4值
α左4

竖盘位置
竖盘读数
半测回竖直角
竖直角β右4值
α右4
β左4
左
69°25′20.0″
20°34′40.0″
20°34′40.0″
0.0804°
β右4
右
292°17′16.9″
22°17′16.9″
22°17′16.9″
0.1005°

水平盘读数
半测回水平角
水平角γ左4值

水平盘读数
半测回水平角
水平角γ右4值
γ左4
左
0°08′46.2″
0°1′48.6″
0°1′48.6″
γ右4
右
180°04′21.5″
0°02′28.3″
0°02′28.3″
0°06′57.6″
180°01′53.2″

竖盘位置
竖盘读数
半测回竖直角
竖直角β左5值
α左5

竖盘位置
竖盘读数
半测回竖直角
竖直角β右5值
α右5
β左5
左
65°42′13.1″
24°17′46.9″
24°17′46.9″
0.1115°
β右5
右
296°35′3.1″
26°35′3.1″
26°35′3.1″
0.1569°

水平盘读数
半测回水平角
水平角γ左5值

水平盘读数
半测回水平角
水平角γ右5值
γ左5
左
0°06′06.2″
0°3′1.2″
0°3′1.2″
γ右5
右
180°06′57.0″
0°04′42.7″
0°04′42.7″
0°03′05.0″
180°02′14.3″

竖盘位置
竖盘读数
半测回竖直角
竖直角β左6值
α左6

竖盘位置
竖盘读数
半测回竖直角
竖直角β右6值
α右6
β左6
左
49°36′1.9″
40°23′58.1″
40°23′58.1″
0.1459°
β右6
右
309°56′39.1″
39°56′39.1″
39°56′39.1″
0.1242°

水平盘读数
半测回水平角
水平角γ左6值

水平盘读数
半测回水平角
水平角γ右6值
γ左6
左
0°08′38.9″
0°7′26.9″
0°7′26.9″
γ右6
右
180°08′15.0″
0°06′14.4″
0°06′14.4″
0°01′12.0″
180°02′0.6″
α左=（α左1+α左2+α左3+α左4+α左5+α左6）/6=0.1153°
α右=（α右1+α右2+α右3+α右4+α右5+α右6）/6=0.1198°

最后得：α=（α左+α右）/2=0.1176°≈0°7′3.4″

利用该角度，可以对桥墩进行偏心受力计算，检测桥墩是否能够抗倾覆和抗弯。
4 结论
这个方法的运用中我们发现采集数据的时候没有想象的那么方便，在实践中也不能采集到较多的点，而且误差也就相对较大。现在全站仪在测量中的运用基本上取代了经纬仪，那么将全站仪运用于该方法的测量会有更好的效果，可以克服很多经纬仪测量时的缺点。
用全站仪来测量时可以测量很多个点，同时利用全站仪的储存功能将数据全部编号储存，在取N点时可以取的非常接近，然后利用MATLAB对数据进行分析处理，这样会使得结果变得比较的精确。还可以利用全站仪直接测出距离来，这样不仅可以直接求解角度还可以利用这些已知的距离来进行验算。不论用全站仪还是利用其他更智能的测量仪器，都可以用上述的方法来得出桥墩的偏斜角。
上面讲述的方法对测量矩形桥墩纵向的倾斜角是比较方便的，在运用于矩形桥墩横向的倾斜会有些麻烦。两者的区别是在引出PQ线时我利用皮尺来引线就不会准确，这时候就需要用经纬仪或者全站仪的视线（视准轴）来平行桥墩的纵向平面，这样会反复左右动仪器来满足条件，对操作来说会十分麻烦。但是我们可以利用测纵向倾斜时的PQ线作为辅助线来找出横向测量时的相关基准线。
当桥墩是圆形或者是其他形状时，利用利用桥墩与桥墩是平行的关系，用上述相同的方法找出相应对应的PQ线，然后也使用相同的方法测量。

参考文献:
[1] 邹积亭．建筑测量学[M]．中国建筑工业出版社，2009年6月．
[2] 聂俊兵．测量平差[M]．测绘出版社，2010年1月1日．
[3] 河南大学．测量学[M]．国防工业出版社，2006年11月．
[4] 伊廷华．测量学知识要点及实例解析[M]．中国建筑工业出版社，2012年8月1日．
[5] 辜小兵．电子测量技术[M]．高等教育出版社．2009年3月1日．

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