高墩、大纵坡桥梁桥墩纠偏过程中的两种垂直度测量方法

侯 杰, 谢 鸿, 谢文文

(湖南联智监测科技有限公司, 湖南 长沙 410200)

近年来，中国在桥梁建设领域取得了瞩目成就，各种大型、特大型的世界级桥梁不断拔地而起。受地形、地貌等因素影响，梁桥设计时，常出现高墩、大纵坡结构。这种结构在运营过程中常因车辆荷载、温度、施工以及设计不完善等情况造成其过渡墩存在偏位。为确保桥梁结构安全，需要对桥墩垂直不符合规范要求的桥墩结构进行纠偏，纠偏前需对桥墩的垂直度进行测量。

桥墩垂直度测量方法通常有悬垂线法、经纬仪法、光学垂准仪法等，桥梁工程建设者及学者对桥墩垂直度测量进行了大量研究：许娅娅[1]对大跨度高桥墩垂直度观测方法和精度分析进行了研究，推导出一系列公式，能简单精准地判断出桥墩倾斜量；耿波等[2]对基于应变的桥墩垂直度监控方法进行了研究，通过实测墩底应变来监控桥墩垂直度；邱冬炜等[3]利用改进最小二乘拟合的方式监测桥墩墩柱垂直度，并与其它方法进行对比试验，发现该方法可以提高检测精度；杨辉等[4-9]对桥墩垂直度的测量方法、影响因素等进行了研究。

本文以某高速公路高墩、大纵坡梁桥为工程背景，通过两种不同方法测量桥墩垂直度，确保在纠偏过程中以及纠偏完成后桥梁结构安全。

1 工程概况

该桥为2013年建成的高速公路桥梁，总长366 m，跨径组合为(4×30+3×30+5×30)m。大桥共两幅，单幅桥面宽为12 m，桥面净宽为2×11 m。桥面总体布置为0.5 m(防撞护栏)+11 m(行车道)+0.5 m(防撞护栏) +0.5 m(防撞护栏)+11 m(行车道)+0.5 m(防撞护栏)，双幅桥总宽 24.5 m。

对该桥定期检测时发现右幅R4墩1#、2#墩柱分别产生了往上坡方向25.3、25.5 cm的偏位；R7墩1#、2#墩柱分别产生了往上坡方向24.0、24.3 cm的偏位。上部T梁结构存在落梁的风险，需对该桥墩结构及时进行纠偏复位。

2 桥墩垂直度规范要求及测量

2.1 桥墩垂直度规范要求

桥墩作为桥梁结构的重要承载构件，在受到荷载作用时，会将荷载传递给桥梁桩基础结构，因此桥墩结构质量好坏直接关系到整个桥梁结构的安全运营。其中桥墩垂直度不仅影响桥梁结构的稳定性和承载能力，同时对桥梁结构内力、桥面线形、桥梁结构安全以及行车的舒适度均有很大影响。《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80/1—2017)对桥墩垂直度作了相关规定，详见表1。

表1 桥墩垂直度检验标准检验项目规定值或允许偏差垂直度0.3% H,且不大于20 mm

图1中的H、Δx分别表示桥墩墩高和垂直度。

图1 桥墩垂直度示意图

2.2 桥墩垂直度测量

根据现场环境，对右幅R4、R7墩墩柱垂直度采用不同的测量方式，其中R4墩墩柱采用圆柱切线法测量，R7墩墩柱采用圆柱三点法测量。

2.2.1圆柱切线法测量方法及原理

1)步骤：在已知点设站定向，然后调用全站仪偏心测量程序进行墩柱两侧切线及两切线平分线测量，再通过仪器内部程序求出墩柱底和顶截面圆心坐标。

2)切线测量原理如图2所示。O为墩柱底截面圆心，坐标设为(x0，y0，z0)，圆半径设为R。

图2 圆柱偏心法示意图

已知a点坐标为(xa，ya，za)，定向点为b，ac、ad为圆柱两条切线，∠cad的角平分线为ae，L为平距。e点坐标测得为(xe,ye，ze)，圆心坐标推导过程如下：

(1)

(2)

(3)

求得圆心坐标为：

(4)

(5)

采用同样的方式求出墩柱顶截面圆心坐标O1(x1,y1，z1)，则墩柱垂直度(i)计算如下：

(6)

(7)

表2为R4墩墩柱纠偏过程垂直度测量统计情况。由表2可知，采用全站仪切线测量方法，纠偏完成后，其垂直度满足规范及安全运营要求。

2.2.2圆柱三点测量方法及原理

相对于偏心测量法而言，圆柱三点测量法对桥墩所处的地形环境要求较低。任取圆柱表面上3个点a1、a3、a3，测量出其坐标a1(x1,y1,z1)、a2(x2,y2,z2)、a3(x3,y3,z3)，代入方程(x-m)2+(y-n)2=r2，通过求解方程取得半径r，圆心坐标(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)

采用同样的方法求出底和顶截面圆心坐标分别为0底(m0，n0，z0)、0顶(m1，n1，z4)，则墩柱垂直度(i)计算如下：

(11)

(12)

受现场测量环境的影响，R7桥墩纠偏过程中垂直度测量采圆柱三点进行测量，桥墩纠偏完成后，垂直度满足规范及桥梁安全运营要求。

表2 R4墩墩柱纠偏过程垂直度测量统计情况工况纠偏位移/cm墩柱号第1节段第2节段偏位/cm节段高/cm偏位/cm节段高/cm墩柱高/m垂直度Δx/cm垂直度i/%纠偏前/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 工况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工况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 工况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工况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 工况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 工况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 工况7(纠偏完成)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: 每次测量位置有微小差异,对垂直度计算结果影响几乎可以忽略不计,不影响对桥墩垂直度是否符合要求的判定。

表3 R7墩墩柱纠偏过程垂直度测量统计情况工况纠偏位移/cm墩柱号第一节段第二节段偏位/cm节段高/cm偏位/cm节段高/cm墩柱高/m垂直度Δx/cm垂直度i/%纠偏前/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 工况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 工况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 工况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 工况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 工况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 工况6(纠偏完成)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: 为了提高测量精度,减小因墩柱施工、混凝土脱落等原因对测量结构影响,在测量墩柱底、顶截面坐标时每次测5个点,共成6组三元一次方程,求得6圆心坐标,排除异常圆心坐标,求圆心坐标平均值,表中垂直度计算值均为圆心坐标平均值。

3 结语

介绍了两种不同的圆形桥墩垂直度测量方法，并根据两种测量方法的特点，将其运用到不同地形环境桥墩结构纠偏过程的垂直度测量中。这两种桥墩垂直度测量方法，针对的仅是圆柱形桥墩结构，今后还应对箱型等非圆柱形结构垂直度的测量进行相关研究；另外在测量过程中发现，上述两种测量方法在桥墩纠偏施工过程中，处理数据的时间较长，其测量速度难以满足施工进度要求，建议开发、编写有关的计算程序对测量数据进行快速处理。