高墩、大縱坡橋梁橋墩糾偏過(guò)程中的兩種垂直度測(cè)量方法

侯 杰, 謝 鴻, 謝文文

(湖南聯(lián)智監(jiān)測(cè)科技有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410200)

近年來(lái)，中國(guó)在橋梁建設(shè)領(lǐng)域取得了矚目成就，各種大型、特大型的世界級(jí)橋梁不斷拔地而起。受地形、地貌等因素影響，梁橋設(shè)計(jì)時(shí)，常出現(xiàn)高墩、大縱坡結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中常因車輛荷載、溫度、施工以及設(shè)計(jì)不完善等情況造成其過(guò)渡墩存在偏位。為確保橋梁結(jié)構(gòu)安全，需要對(duì)橋墩垂直不符合規(guī)范要求的橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行糾偏，糾偏前需對(duì)橋墩的垂直度進(jìn)行測(cè)量。

橋墩垂直度測(cè)量方法通常有懸垂線法、經(jīng)緯儀法、光學(xué)垂準(zhǔn)儀法等，橋梁工程建設(shè)者及學(xué)者對(duì)橋墩垂直度測(cè)量進(jìn)行了大量研究：許婭婭[1]對(duì)大跨度高橋墩垂直度觀測(cè)方法和精度分析進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出一系列公式，能簡(jiǎn)單精準(zhǔn)地判斷出橋墩傾斜量；耿波等[2]對(duì)基于應(yīng)變的橋墩垂直度監(jiān)控方法進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)測(cè)墩底應(yīng)變來(lái)監(jiān)控橋墩垂直度；邱冬煒等[3]利用改進(jìn)最小二乘擬合的方式監(jiān)測(cè)橋墩墩柱垂直度，并與其它方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該方法可以提高檢測(cè)精度；楊輝等[4-9]對(duì)橋墩垂直度的測(cè)量方法、影響因素等進(jìn)行了研究。

本文以某高速公路高墩、大縱坡梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)兩種不同方法測(cè)量橋墩垂直度，確保在糾偏過(guò)程中以及糾偏完成后橋梁結(jié)構(gòu)安全。

1 工程概況

該橋?yàn)?013年建成的高速公路橋梁，總長(zhǎng)366 m，跨徑組合為(4×30+3×30+5×30)m。大橋共兩幅，單幅橋面寬為12 m，橋面凈寬為2×11 m。橋面總體布置為0.5 m(防撞護(hù)欄)+11 m(行車道)+0.5 m(防撞護(hù)欄) +0.5 m(防撞護(hù)欄)+11 m(行車道)+0.5 m(防撞護(hù)欄)，雙幅橋總寬 24.5 m。

對(duì)該橋定期檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)右幅R4墩1#、2#墩柱分別產(chǎn)生了往上坡方向25.3、25.5 cm的偏位；R7墩1#、2#墩柱分別產(chǎn)生了往上坡方向24.0、24.3 cm的偏位。上部T梁結(jié)構(gòu)存在落梁的風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)該橋墩結(jié)構(gòu)及時(shí)進(jìn)行糾偏復(fù)位。

2 橋墩垂直度規(guī)范要求及測(cè)量

2.1 橋墩垂直度規(guī)范要求

橋墩作為橋梁結(jié)構(gòu)的重要承載構(gòu)件，在受到荷載作用時(shí)，會(huì)將荷載傳遞給橋梁樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，因此橋墩結(jié)構(gòu)質(zhì)量好壞直接關(guān)系到整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)。其中橋墩垂直度不僅影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力，同時(shí)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力、橋面線形、橋梁結(jié)構(gòu)安全以及行車的舒適度均有很大影響?！豆饭こ藤|(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80/1—2017)對(duì)橋墩垂直度作了相關(guān)規(guī)定，詳見(jiàn)表1。

表1 橋墩垂直度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)定值或允許偏差垂直度0.3% H,且不大于20 mm

圖1中的H、Δx分別表示橋墩墩高和垂直度。

圖1 橋墩垂直度示意圖

2.2 橋墩垂直度測(cè)量

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)右幅R4、R7墩墩柱垂直度采用不同的測(cè)量方式，其中R4墩墩柱采用圓柱切線法測(cè)量，R7墩墩柱采用圓柱三點(diǎn)法測(cè)量。

2.2.1圓柱切線法測(cè)量方法及原理

1)步驟：在已知點(diǎn)設(shè)站定向，然后調(diào)用全站儀偏心測(cè)量程序進(jìn)行墩柱兩側(cè)切線及兩切線平分線測(cè)量，再通過(guò)儀器內(nèi)部程序求出墩柱底和頂截面圓心坐標(biāo)。

2)切線測(cè)量原理如圖2所示。O為墩柱底截面圓心，坐標(biāo)設(shè)為(x0，y0，z0)，圓半徑設(shè)為R。

圖2 圓柱偏心法示意圖

已知a點(diǎn)坐標(biāo)為(xa，ya，za)，定向點(diǎn)為b，ac、ad為圓柱兩條切線，∠cad的角平分線為ae，L為平距。e點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)得為(xe,ye，ze)，圓心坐標(biāo)推導(dǎo)過(guò)程如下：

(1)

(2)

(3)

求得圓心坐標(biāo)為：

(4)

(5)

采用同樣的方式求出墩柱頂截面圓心坐標(biāo)O1(x1,y1，z1)，則墩柱垂直度(i)計(jì)算如下：

(6)

(7)

表2為R4墩墩柱糾偏過(guò)程垂直度測(cè)量統(tǒng)計(jì)情況。由表2可知，采用全站儀切線測(cè)量方法，糾偏完成后，其垂直度滿足規(guī)范及安全運(yùn)營(yíng)要求。

2.2.2圓柱三點(diǎn)測(cè)量方法及原理

相對(duì)于偏心測(cè)量法而言，圓柱三點(diǎn)測(cè)量法對(duì)橋墩所處的地形環(huán)境要求較低。任取圓柱表面上3個(gè)點(diǎn)a1、a3、a3，測(cè)量出其坐標(biāo)a1(x1,y1,z1)、a2(x2,y2,z2)、a3(x3,y3,z3)，代入方程(x-m)2+(y-n)2=r2，通過(guò)求解方程取得半徑r，圓心坐標(biāo)(m，n)，方程式如下：

(x1-m)2+(y1-n)2=r2

(8)

(x2-m)2+(y2-n)2=r2

(9)

(x3-m)2+(y3-n)2=r2

(10)

采用同樣的方法求出底和頂截面圓心坐標(biāo)分別為0底(m0，n0，z0)、0頂(m1，n1，z4)，則墩柱垂直度(i)計(jì)算如下：

(11)

(12)

受現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境的影響，R7橋墩糾偏過(guò)程中垂直度測(cè)量采圓柱三點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，橋墩糾偏完成后，垂直度滿足規(guī)范及橋梁安全運(yùn)營(yíng)要求。

表2 R4墩墩柱糾偏過(guò)程垂直度測(cè)量統(tǒng)計(jì)情況工況糾偏位移/cm墩柱號(hào)第1節(jié)段第2節(jié)段偏位/cm節(jié)段高/cm偏位/cm節(jié)段高/cm墩柱高/m垂直度Δx/cm垂直度i/%糾偏前/R4-1#11.3814.286 313.8117.323 031.609 325.190.80R4-2#11.5914.247 013.8417.294 731.541 725.430.81 工況14R4-1#9.4714.254 711.7217.301 031.555 721.190.67 R4-2#9.7214.290 211.5517.312 831.603 021.270.67工況24R4-1#7.8314.310 09.5217.312 731.622 717.350.55 R4-2#7.9414.274 89.5417.267 431.542 217.480.55 工況34R4-1#5.8914.263 97.3317.278 331.542 213.220.42 R4-2#6.1814.286 47.2517.281 431.567 813.430.43工況44R4-1#4.1714.293 25.1217.332 731.625 99.290.29 R4-2#4.2714.275 15.0217.254 931.530 09.290.29 工況54R4-1#2.5414.280 72.7917.297 831.578 55.330.17 R4-2#2.6414.291 02.9317.310 231.601 25.570.18 工況64R4-1#0.5414.282 40.6517.287 431.609 31.190.04 R4-2#0.6314.301 20.7217.354 731.541 71.350.04 工況7(糾偏完成)1R4-1#0.1014.285 20.1517.246 831.532 00.250.01 R4-2#0.1214.272 80.2317.282 731.555 50.350.01 注: 每次測(cè)量位置有微小差異,對(duì)垂直度計(jì)算結(jié)果影響幾乎可以忽略不計(jì),不影響對(duì)橋墩垂直度是否符合要求的判定。

表3 R7墩墩柱糾偏過(guò)程垂直度測(cè)量統(tǒng)計(jì)情況工況糾偏位移/cm墩柱號(hào)第一節(jié)段第二節(jié)段偏位/cm節(jié)段高/cm偏位/cm節(jié)段高/cm墩柱高/m垂直度Δx/cm垂直度i/%糾偏前/R7-1#10.7817.573 913.0220.983 238.557 1 23.800.62 R7-2#10.9217.610 013.2920.892 838.502 824.210.63 工況14R7-1#9.0817.546 210.7820.943 138.489 319.860.52 R7-2#9.2317.583 711.1220.926 438.510 120.350.53 工況24R7-1#6.9417.590 28.7420.967 138.557 315.680.41 R7-2#7.2517.577 48.6220.927 038.504 415.870.41 工況34R7-1#5.4217.589 26.5120.935 038.524 211.930.31 R7-2#5.5617.567 46.4820.940 638.508 012.040.31 工況44R7-1#3.2817.593 74.3720.972 938.566 67.650.20 R7-2#3.8117.572 84.4520.955 638.528 48.260.21 工況54R7-1#1.6917.590 02.1720.910 238.500 23.860.10 R7-2#1.8317.570 02.0220.934 738.504 73.850.10 工況6(糾偏完成)4R7-1#-0.0217.582 3-0.1820.937 238.519 5-0.20-0.01 R7-2#0.1217.577 90.0920.932 638.510 50.210.01 注: 為了提高測(cè)量精度,減小因墩柱施工、混凝土脫落等原因?qū)y(cè)量結(jié)構(gòu)影響,在測(cè)量墩柱底、頂截面坐標(biāo)時(shí)每次測(cè)5個(gè)點(diǎn),共成6組三元一次方程,求得6圓心坐標(biāo),排除異常圓心坐標(biāo),求圓心坐標(biāo)平均值,表中垂直度計(jì)算值均為圓心坐標(biāo)平均值。

3 結(jié)語(yǔ)

介紹了兩種不同的圓形橋墩垂直度測(cè)量方法，并根據(jù)兩種測(cè)量方法的特點(diǎn)，將其運(yùn)用到不同地形環(huán)境橋墩結(jié)構(gòu)糾偏過(guò)程的垂直度測(cè)量中。這兩種橋墩垂直度測(cè)量方法，針對(duì)的僅是圓柱形橋墩結(jié)構(gòu)，今后還應(yīng)對(duì)箱型等非圓柱形結(jié)構(gòu)垂直度的測(cè)量進(jìn)行相關(guān)研究；另外在測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，上述兩種測(cè)量方法在橋墩糾偏施工過(guò)程中，處理數(shù)據(jù)的時(shí)間較長(zhǎng)，其測(cè)量速度難以滿足施工進(jìn)度要求，建議開(kāi)發(fā)、編寫(xiě)有關(guān)的計(jì)算程序?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理。