浅谈桥梁挠度精密水准测量方法

浅谈桥梁挠度精密水准测量方法

【摘要】本文详细阐述了使用精密水准方法进行桥梁挠度测量的基本原理，结合工程实例比较了三种精密水准挠度观测方法的精度，多角度论证了采用精密水准方法进行桥梁挠度测量的优点和实用价值。

[Abstract] This paper describes the use of standard methods of precision measuring bridge deflection of the basic principles of engineering examples compared three methods of observation precision level of deflection accuracy, precision multi-angle demonstrated using the standard method of measuring bridge deflection advantages and practical value.

【关键字】桥梁挠度；水准测量；原理；精密

1 前言

桥梁挠度检测是桥梁检测的重要部分，也是桥梁安全性评价的一项重要指标。为检验桥梁结构的工作性能和施工是否能够达到设计的要求，保证桥梁运营的可靠性，并为桥梁竣工验收提供可靠依据，桥梁的挠度与桥梁的承载能力和抵御地震等动荷载能力有密切的关系，因此需对桥梁进行静载试验。进行桥梁的静载试验时的一个重要内容是对结构的变形即桥梁挠度进行观测。桥梁挠度测量方法的研究对于桥梁承载能力的检测和桥梁的防震减灾有着重要的实际意义。目前常用的桥梁挠度水准测量方法存在数据精度不足等诸多问题。在许多的情况下变位与变形数据采集的精度，还不能够满足对结构物微小变位与变形的检测的要求。数据的可靠性较低。以人工观测和记录为主的观测方法，数据的出错的环节很多，错误率相对比较高，因而成果可靠性较低，难以实现理想的自动化检测。

针对以上问题和实际工程需要，本文阐述了使用精密水准方法进行桥梁桥面挠度测量的基本原理、方案选择和作业要求，比较了精密水准挠度检测三种观测方法的误差，以评价数字水准仪在桥梁挠度检测中的适用性和可靠性。切实推进桥梁检测技术成熟化。

2 桥梁挠度算法及原理

2．1 多仪器固定设站传递

假设桥梁在零荷载状态下某一观测点的高程为H0，第i级荷载状态下的高程为Hi ，则桥梁在第i级荷载状态下的相对挠度(即变形)为：（1）当观测路线较长，桥面可以使用一台(或多台)水准仪安置在固定测站位置。每个转点也固定，假定所设测站总数为s。在一定的工况下，在桥头处选一

个基准点，其读数为a。各水准仪分别读取传递转点及各观测点的数据，据此计算各点在该工况下相对于桥头基准点的高差。

则各站仪器的视线高程为：（2）

在该工况下，第k站仪器的第j观测点的相对于起始点的高程为：（3）由于工况之间的各仪器的高度一般会发生变化，所以不能直接用各工况

的读数直接相减获得工况之间的相对挠度。据式(2)、式(3)，可得任意点在1、2两个工况问的相对挠度为：

（4）

其中，（5）

多仪器固定设站传递加快了观测速度，可以使仪器在变形段设站，挠度观测结果并不受仪器移动的影响。但由于使用以前各站的传递转点观测值，这使得相对挠度的测量误差较大，为了保证精度，必须防止与基准点的距离过大。如图1。

图1光电液位挠度检测系统示意图

2．2 仪器基准法确定挠度

当观测路线较短时，在固定点上放置水准仪，分别观测各点的水准尺读数。设桥梁上某一测点在i及j两个工况下的读数分别为ci 及cj。则测点在i与j工况间的相对挠度为：（6）

仪器基准法是以仪器中心所在水平面为参考面，在整个试验过程中仪器始终位置不变。该方法可将每个点的挠度变化直接观测，速度快、精度高、计算方便，能够及时比较观测结果。由于无后视并且仪器固定，所以此方法测量挠度变化精度最高，可以达到水准仪的读数精度。这时的误差主要是观测误差，气泡居中误差、切准误差、读数误差、水准尺倾斜误差。它们与水准仪的读数误差与距离成正比，与望远镜放大倍率成反比。还与目标亮度、观测者熟练等因素有关，但与i角无关。

3精密水准测量的主要误差来源及其影响

在进行桥梁精密水准测量时，会受到各种误差的影响。其中有仪器误差，还有外界因素影响而产生的观测误差。下面对各种误差分别进行讨论。

3．1仪器误差

3．1．1视准轴与水准轴不平行的误差

水准仪的视准轴与水准轴相互不平行，在垂直面上投影的交角，称为j 角，它对水准测量将产生单向性的影响。虽经检验校正，但使两轴完全保持平行是困难的。当水准气泡居中时，视准轴仍不能保持水平，使水准标尺上的读数产生误差，并且与视距成正比。假设仪器距前后标尺的距离分别为S1和S2。由于i角的存在，并假设i角不变的情况下，对高差的误差影响为：（7）

由此可见，在i角保持不变的情况下，一个测站上的前后视距离相等，则在观测高差中由于i角的误差影响可以得到纠正。但在实际作业中，要求前后视距完全相等是很困难的。下面讨论前后视距不等差的允许值。设i=2″，如果要求对高差的影响小到可以忽略不计的程度，如为0.1mm，则前后视距之差可由上式算得，即：（8）

图2挠度测量误差值分析示例

3．1．2 水准标尺每米长度误差的影响和水准标尺零点差的影响

在水准测量作业中必须使用经过检验矫正的水准标尺。由于桥梁检测试验中，使用同一把水准标尺，并且所测挠度值为相对变形，故此两项影响可忽略不计。

3．2 由于外界因素影响而产生的误差

3．2．1温度变化对j角的影响

在精密水准仪中，水准管的框架是同望远镜相连的。为了使水准轴与视准轴的联接比较稳固，这些部件是采用铟瓦合金钢制造的，并把镜筒和框架整体装置在一个隔热性能良好的套筒中，防止由于温度的变化，使仪器有关部件产生不同程度的膨胀和收缩，导致i角的变化。但是当温度变化时，完全避免i角的变化是不可能的。并且温度的变化对i角的影响是极其复杂的。减弱这种误差影响最有效的办法是减少仪器受辐射热的影响，如观测时要打伞，避免日光直接照射仪器，选择阴天或夜间温度变化幅度较小的时段进行观测。

3．2．2大气垂直折光的影响

当视线通过近地面的大气层时，由于近地面大气层的密度分布一般是随着高度而变化，即近地面大气层的密度存在着梯度，因此，视线通过时就要在垂直方向上产生弯曲，并且弯向密度较大的一方，这种现象叫做大气垂直折光。观测时使前后视距离尽量相等，视线离地面应有足够的高度，并且选择在阴天或者晚上进行观测，以减弱垂直折光对观测高差的影响。