本发明涉及土建工程
技术领域：
：，特别涉及一种异形钢索塔高程的测量方法及测量装置。
背景技术：
：：目前，随着国内铁路、公路交通基础设施建设的高速发展，桥梁的架设也逐渐增多；在桥梁的建设过程中，伴随桥梁工程技术的发展，国内钢结构桥梁应用规模在逐步扩大，传统桥梁钢结构主要应用在桁架式、闭口箱式主梁上，南京长江三桥是国内首座采用钢索塔结构的特大桥梁，自该桥2005年开通以来，国内数座大桥或特大桥钢塔均采用了钢结构形式，索塔施工阶段一般采用分节吊装。施工过程中，桥塔高程精密测量是索塔几何形态的重要控制指标，桥塔高程精密测量主要有三角高程测量与竖向高程传递两种方法。三角高程测量方法是通过全站仪观测斜距、竖直角和仪镜高等参数，建立空间三维平差模型，并对地球曲率和大气折光影响进行改正求取待测点高程的方法，但大气折光系数对高程测量结果影响比较大，高程测量结果精度易受区域环境、气象变化等因素的影响，通常采取对向观测、结合气象条件动态修正折光系数方向提高测量精度，在索塔施工高度达到100m以上后,大气垂直折光对于高程精度的影响较为显著，一次测距三角高程测量低于±5mm，该方法施测效率低、精度稳定性差，一般适用在高度不超50m的高程测量场合。竖向高程传递方法主要包括悬挂钢尺(钢丝)高程传递、全站仪竖向测距高程传递、全站仪水平测距高程传等三种测量方法，其中悬挂钢尺(钢丝)高程传递因受风、温度等因素影响较大，一般适用在高度不超50m的高程测量场合，因具有受环境影响小、测量精度高等优点，基于全站仪的竖向高程传递法是大型桥塔高程精密测量常用的方法，该方法利用全站仪测定旁侧水准尺上的读数将高程传递到仪器中心，然后用全站仪测出位于其正上方桥塔端口某处靶标的距离，实现了将地面高程传递至桥塔端口，基本原理见图1。不难发现采用该种方法需要桥塔上端口具有良好的架立水准仪的条件，比如说端口水平、场地坚实等，这些条件在混凝土桥塔上均可以得到良好的满足，但对于异性钢索塔结构，节段端口倾斜，端口面最高点至最低点高差近数米，无法正常架设水准尺与水准仪，形态示意见图2，所以通过架设水准仪获取转点b点至待测点p高差方法在异性钢结构索塔高程测量中难以实施。至此，如何能更精确的测量异形索塔的高程，是同行从业人员亟待解决的问题。技术实现要素：本发明的目的在于，可以准确测量异形索塔的高程，精度较高；提出的一种异形钢索塔高程的测量方法，可解决现有技术条件下无法准确获取异形钢索塔的高程数据的问题。为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种异形钢索塔高程的测量方法，地面水准测量步骤：根据待测异形钢索塔周围的已知水准点，获取转点a的高程；所述转点a的高程为第一高度值ha；地面全站仪竖向高程传递步骤：根据地面全站仪竖向高程传递法，获取转点a与转点b的高差；所述高差由两部分组成，全站仪观测点o点与转点a高差，用c表示，以及o点至转点b高差，用dob表示；所述转点b为设置在所述待测异形钢索塔外伸悬臂支架上的托盘，且在全站仪的测量范围内；所述转点a与转点b的高差为第二高度值；所述第二高度值为c+dob；端口正负压力变送器高差测量步骤：根据压力变送器换算出转点b与所述异形钢索塔顶部待测点p的高程，所述高程为第三高度值dbp；将所述第一高度值ha、第二高度值c+dob和第三高度值dbp累加，hp＝ha+c+dob+dbp公式(1)测量出所述异形钢索塔的高程。在一个实施例中，所述地面水准测量步骤，包括：采用水准仪的高差法，测量转点a的高程。在一个实施例中，所述地面全站仪竖向高程传递步骤，包括：在所述待测异形钢索塔上设置外伸悬臂支架；所述外伸悬臂支架上托盘为转点b；在所述外伸悬臂支架托盘上安装激光发射器，根据激光发射器向下发射激光产生的投影点，定位全站仪架设位置；全站仪架设完毕后，将激光发射器更换为硬质基底的反射片，当全站仪天顶距置0°时，可测得仪器观测点o至转点b高差，所测高差用dob表示；当所述全站仪天顶距置为90°时，照准旁侧的a点上的水准尺，获取读数c；通过所述全站仪测量转点a与转点b之间的高度差为c+dob。在一个实施例中，所述端口正负压力变送器高差测量步骤，包括：在地面选择两个有高度差的水准点，在两水准点上分别设置压力变送器，获取两水准点之间的压力差p1；并根据水准仪测量出所述两水准点之间的高度h1；根据公式(2)：p＝ρgh计算出ρg；式中：p表示压力变送器中压力值；ρ表示压力变送器内的液体密度；h表示两水准点之间的高差；g表示重力加速度，为常数；在转点b和所述异形钢索塔的待测点p分别设置一个带有电子屏示值的高精度压力变送器；测得压力差p2；将p2和所述计算出的ρg，再代入公式(2)中，计算出转点b和所述异形钢索塔的待测点p之间的高差dbp。第二方面，本发明实施例还提供一种异形钢索塔高程的测量装置，用于地面全站仪竖向高程传递步骤和端口正负压力变送器高差测量步骤，包括：依次连接的夹具工装，悬臂架和托盘；其中，所述夹具工装夹持在所述待测量索塔的结构壁板上；所述悬臂架的一端与所述夹持工装活动连接，另一端与所述托盘活动连接；所述托盘上设有测量孔、与所述测量孔相通的通液管滑入槽以及水平气泡。在一个实施例中，所述夹具工装呈u形，顶部设有带内螺纹的通孔，通孔内具有带外螺纹的可调螺栓；在所述夹具工装的侧部设有固定件，用于连接所述悬臂架。在一个实施例中，所述悬臂架与所述夹持工装连接的一端设有第一螺栓和第一c型槽；所述固定件设有第二螺栓和第二c型槽；所述第一螺栓与第二c型槽活动连接，所述第二螺栓与第一c型槽活动连接。在一个实施例中，所述托盘底部设有调节块和两个调节螺栓；所述悬臂架与所述托盘连接的一端具有u型开口；所述调节块位于所述u型开口内，并通过所述两个调节螺栓紧固在悬臂架上。本发明的优点在于，本发明的一种异形钢索塔高程的测量方法，该方法采用地面水准测量、地面全站仪竖向高程传递以及压力变送器换算高程方式，将测量的三段数值累加后，可以准确测量异形索塔的高程，精度较高，可消除现有技术中单独使用全站仪或gps测量带来的误差。另外，该方法实施简单、测量过程相对容易。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。附图说明附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1为现有技术中测量高程示意图；图2为某一异形索塔形状示意图；图3为本发明实施例提供的地面全站仪竖向高程传递原理示意图；图4为本发明实施例提供的压力变送器换算高程原理示意图；图5为本发明实施例提供的异形钢索塔高程的测量过程示意图；图6为本发明实施例提供的异形钢索塔高程的测量装置的结构示意图；图7为本发明实施例提供的另一角度异形钢索塔高程的测量装置的结构示意图；图8为本发明实施例提供的托盘结构示意图；图9为本发明实施例提供的托盘上放置激光发射器的示意图；图10为本发明实施例提供的转点b高程测量的示意图；图11为本发明实施例提供的放置压力变送器的示意图；图12为视线照准误差示意图；图13为调平支架倾斜误差示意图；图14为温度变化对水体密度变化曲线图；图15为逐小时气温及温差历程的曲线图；图16为不同温度时每变化1.5℃高差测量误差的曲线图；附图中：1-夹具工装，11-第二螺栓，12-第二c型槽，2-悬臂架，21-第一螺栓，22-第一c型槽，23-u型开口，3-托盘，31-测量孔，32-通液管滑入槽，33-水平气泡，34-调节块，35-调节螺栓。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。本发明实施例提供了一种异形钢索塔高程的测量方法，该方法包括地面水准测量步骤、地面全站仪竖向高程传递步骤和端口正负压力变送器高差测量步骤，在实际执行中，三步骤之间没有执行顺序，先执行任一步骤均可，或同时两两执行、或同时执行；本公开实施例对此不做限定。下面对上述3个步骤进行详细说明：1、地面水准测量步骤：根据待测异形钢索塔周围的已知水准点，获取转点a的高程；所述转点a的高程为ha；比如可采用水准仪的高差法，测量转点a的高程。2、地面全站仪竖向高程传递步骤：如图3所示，根据地面全站仪竖向高程传递法，获取转点a与转点b的高差；所述高差由两部分组成，全站仪观测点o点与转点a高差，用c表示，以及o点至转点b高差，用dob表示；所述转点b为设置在所述待测异形钢索塔外伸悬臂支架上的托盘，且在全站仪的测量范围内；所述转点a与转点b的高差为c+dob；具体地，如图3所示，可在待测异形钢索塔上设置外伸悬臂支架；上述外伸悬臂支架上托盘为转点b；在所外伸悬臂支架托盘上安装激光发射器，根据激光发射器向下发射激光，定位全站仪架设地点；全站仪架设完毕后，将激光发射器更换为硬质基底的反射片，当全站仪天顶距置0°时，可测得仪器观测点o至转点b高差，所测高差用dob表示；当全站仪天顶距置为90°时，照准旁侧的a点上的水准尺，获取读数c。3、端口正负压力变送器高差测量步骤：根据压力变送器换算出转点b与所述异形钢索塔顶部待测点p的高程，所述高程为第三高度值dbp；即高差为dbp；将所测高差根据公式(1)累加，可以得出所述异形钢索塔高程hp＝ha+c+dob+dbp公式(1)其中测量dbp的步骤，包括：如图4所示，在地面选择两个已知高程水准点(bm1和bm2)，在两水准点bm1和bm2上分别设置压力变送器。即：在地面选择两个有高度差的水准点，在两水准点上分别设置压力变送器，获取两水准点之间的压力差p1；并根据水准仪测量出所述两水准点之间的高度h1；根据公式(2)：p＝ρgh计算出ρg；式中：p表示压力；ρ表示压力变送器内的液体密度；h表示两水准点之间的高度；g表示重力加速度，为常数；在转点b和异形钢索塔待测点p分别设置一个带有电子屏示值的高精度压力变送器；测得压力差p2；将p2和所述计算出的ρg，再代入公式(2)中，计算出转点b和异形钢索塔的待测点p之间的高差dbp。至此，参照图5所示，可根据公式(1)，为完整的测量过程示意图，将上述第一高度值、第二高度值和第三高度值累加，就可以计算出异形钢索塔待测点高程。该方法采用地面水准测量、地面全站仪竖向高程传递以及端口正负压力变送器高差测量，将测量的三段数值累加后，可以准确得到异形索塔的高程，精度较高，可消除现有技术中单独使用全站仪或gps测量带来的误差。第二方面，本发明实施例还提供一种异形钢索塔高程的测量装置，用于地面全站仪竖向高程传递步骤和端口正负压力变送器高差测量步骤，参照图6所示，其包括：依次连接的夹具工装1，悬臂架2和托盘3；其中，夹具工装1夹持在待测量索塔的结构壁板上；悬臂架2的一端与夹持工装1活动连接，另一端与托盘3活动连接；托盘3上设有测量孔31、与所述测量孔31相通的通液管滑入槽32以及水平气泡33。具体实施时，该悬臂架的长度一般为二十厘米左右，可避免因长度过长导致端部托盘处下挠产生的误差。参照图7所示，该夹具工装1呈u形，顶部设有带内螺纹的通孔，通孔内具有带外螺纹的可调螺栓；优选地，可设置2个通孔及2个可调螺栓，保证可稳定夹持即可。调节螺栓可以使工装夹适合不同厚度的结构壁板；在夹具工装的侧部设有固定件，用于连接悬臂架2。悬臂架2与夹持工装1连接的一端设有第一螺栓21和第一c型槽22；固定件设有第二螺栓11和第二c型槽12；上述第一螺栓21与第二c型槽12活动连接，第二螺栓11与第一c型槽22活动连接。可根据现场条件使用时先调节夹具工装1上的螺栓，使悬臂架2固定在夹具工装1上，然后调节悬臂架2角度，使托盘3上气泡基本保持居中，调紧悬臂架2上的螺栓。以上调节内容是托盘2水平调节的粗调环节。参照图8所示，进一步地，上述托盘底部设有调节块34和两个调节螺栓35；上述悬臂架2与托盘3连接的一端具有u型开口23；调节块34位于u型开口23内，并通过所述两个调节螺栓35紧固在悬臂架2上。本实施例中，通过调节螺栓35可以使调节块34可以前后左右四个方向微调使气泡居中。通过两个螺栓35把托盘3夹在悬臂架2上，当两个螺栓都比较松动时可以实现前后调节，调节其中一个螺栓可以实现托盘左右调节。地面全站仪竖向高程传递步骤和端口正负压力变送器高差测量步骤中具体使用时：参照图6所示，用夹具工装1夹紧结构壁板，用调平导向槽(两个c型槽)12进行调平，直至水平气泡居中。悬臂架长度在二十厘米左右，测量孔31直径1-2cm，通液管滑入槽32尺寸应保证通液管管道可以通过。参照图9所示，测量过程中首先通过调平导向槽使气泡水平居中，然后在托盘中间放置激光发射器。激光发射器发出的激光通过测量孔投影在地面上。标记投影中心，并在此处架设全站仪。全站仪应拆除把手并配备有弯管目镜。参照图10所示，去掉激光发射器，在测量孔上放置硬质基底的反射片，采用架设好的全站仪测量硬质基底的反射片的高程。所得高程即为转点b的高程。参照图11所示，将硬质基底的反射片换成压力变送器，并调平使压力变送器上水平气泡居中。通液管另一端直至塔上任意一待测点p。根据压力变送器换算出转点b与待测点p的高差。采用通液管进行测量转点b与待测点p的高差，通过该高差测量装置，无需在异形结构上架设水准尺，操作简便，精确度高。下面通过具体实施例对测量过程中的误差进行分析：由公式(1)可以对待测点p高程进行计算，公式(1)表明hp是四个测量物理量的线性叠加，hp标准偏差传递见公式(3)。为a点高程误差，与水准网等级及仪器设备性能有关，目前水准测量大多采用带有自动安平的精密电子水准仪，以背景桥梁所采用的leicadna03为例，其每公里往返误差不大于0.3mm，背景桥梁水准控制网最近水准点距桥塔距离约50m左右，其误差保守取0.10mm。sc为全站仪在水准尺上的照准误差，由于全站仪不具备识别条形码水准尺的能力，一般在a点之上放置传统水准仪的带刻度塔尺，塔尺读数误差sc＝0.50mm。sob为全站仪传递高程误差，其一方面与利用全站仪直接测量从o点至b点距离d误差sd有关，另一方面与塔上调平支架的倾角误差sb有关。sd与所采用的仪器设备性能、大气折光系数有关，背景桥梁采用leicats60全站仪，测角精度为0.5"，测距精度为0.6mm+1ppm，设索塔高度为200m，则测距误差sob1为0.80mm，影响测距精度的另外一个因素在于视线照准误差，如图12所示，因地面架设全站仪的点位偏差或视线倾斜导致实际测量视线为ob′，相对理论视线ob之间距离存在偏差，最大偏差发生在b′位于测量孔边缘处，本文所述调平支架托盘中间测量孔直径r＝30mm，对于200m塔高而言其误差sob2按公式(4)计算，其中d＝200m，sob2＝0.00225mm，可见该项视线照准误差可以忽略。另外一个影响测距精度的误差为塔上调平支架的调平误差sb，本发明实施例在调平支架托盘边缘安装了一个量程为3°、精度为15′的水平气泡，因该气泡精度较低，在15′的精度范围内会引起距离的偏差，如图13所示，虚线为理论状态，因水平气泡精度较低，导致实际可能为实线所示状态，影响该偏差的主要因素由托盘半径r、压力感知点距托盘平面的距离s、倾角θ组成，误差sb可基于公式(5)进行计算，其中θ＝15′，托盘半径r＝90mm，压力感知点距托盘平面的距离s＝56mm，经计算sb＝0.46mm。由液体压强与高差的关系可知，b点至待测点p之间的高差dbp可按公式(6)进行计算。公式(7)式中dbp以mm计，p、ρ、g均采用国际单位制，影响dbp精度的误差来源主要由压力测值p、液体密度ρ、重力加速度g等物理量误差组成，由按照误差传递定理可知，标准偏差传递见公式(7)。压力p误差来源于仪器自身精度，影响密度ρ误差来源于温度及压强，重力加速度g误差来源测量所在地的纬度及测量范围的海拔变化。背景桥梁压力测量装置采用美国罗斯蒙特的超高精度压力变送器，规格型号为3051sultra级，量程为62.0kpa，正常情况下可以感知6.2m左右的水体压力，其精度为±[0.005+0.0035(url)/量程]％量程，url(uprangelimit)为压力上限值，在满量程状态下压力测试误差δp＝5.27pa。选取纯净水作为传递压力的液体，在1个标准大气压(1.01325×105pa)作用下，4℃时水的密度最大，取值为1000kg/m3，随着温度变化，纯净水密度变化规律见公式(8)。ρ＝1000(a+bt+ct2)-3/2(8)公式(8)中ρ为液体水密度，a、b、c为常数，其值分别为a＝0.9996404,b＝4.000242×10-5，c＝2.543223×10-6，1个标准大气压作用下0℃～100℃温度范围内纯净水密度变化规律见图14，典型温度下纯净水密度见表1.1，在正常工作范围内(10～40)℃区间，δρt＝7.5kg/m3。表1.1典型温度下纯净水密度取值table1.1valueofpurified-waterdensityatdifferenttemperature液体密度与所承受的压强同样存在关联，由流体力学知识可知，液体密度变化与所受压强的关系见公式(9)。公式(9)中δρp为液体密度改变量，ρ为压力变化前的液体密度，对于纯净水可取1000kg/m3，e为液体体积弹性模量，液体水通常取2gpa，δp为压强变化量，本文取1个标准大气压的变化，即δp＝1.01325×105pa，进而可求得δρp＝0.051kg/m3。重力加速度g误差来源测量所在地的纬度及测量范围的海拔变化，重力加速计算方法见公式(10)，对公式(10)关于地球半径r求导可得重力加速g关于地球半径变化即海拔变化的关系。公式(10)g为引力常数，m地球质量，r地球半径，海拔变化导致计算半径r增大，根据单位换算，在上式中，以项目点为例，当地平均海拔重力加速度g＝9.8015m/s2，设海拔变化等于结构物的高度200m，地球半径r＝6.3713×106m，δg＝6.15×10-4m/s2。分别将上述影响dbp误差的相关因素带入公式(7)，可计算各项因素引起的误差分项，具体计算结果见表1.2。表1.2不同因素引起的高差误差分项table1.2individualerrorsinducedbydifferentfactors由表1.2可知温度对液体水密度影响引起的高差误差分项非常显著，6.2m高差10℃～40℃区间误差达45.91mm，可见温度影响是采用正负压力变送器测量高差的需要解决的关键问题。将公式(8)带入公式(6)，并对其求一阶导数，进而可以分析不同温度作用下温度局部变化对高差的影响，具体见公式(11)。与传统水准测量方式不同，采用本发明实施例所述的正负压力变送器测量端口局部高差的方法无需架设水准仪及转点测量，测量效率得到了明显的提升，背景桥梁钢塔高程测量结果表明采取本方法一般1个小时以内即可完成现场测量，选取背景桥梁所处地域一年中温差较大秋季前后10天的气温数据作为分析样本，逐小时气温及气温差历程见图15，实测结果表明逐小时温差大部分在1.5℃以内，在公式(11)令δt＝1.5℃，则可求得不同温度下液体温度每变化1.5℃高差测量误差，图16给出了在5℃～45℃极端温度区间内每变化液体温度每变化1.5℃高差测量误差的分布规律，具体数值见表由此可见测量误差随着温度的升高而升高，测量误差与整体温度呈现良好的线性相关性，桥梁钢塔高程测试一般选择在环境温度相对较为稳定夜间或清晨进行测量，背景桥梁年均气温约为14℃，对应温度每变化1.5℃温差测量高差δρδt＝1.5＝1.02mm。表1.3不同温度时每变化1.5℃高差测量误差table1.3levelingerrorinducedwith1.5℃changementatdifferenttemperature在测量过程中若每次测量时记录大气温度然后反向查询液态水密度存在较多的不便性，为此结合背景桥梁钢塔高程测量需求，提出了采取测量已知高差温度影响消除机制，先将测量装置充分的暴露桥址环境下使得通液管内液态水与大气同温，在桥塔端口局部高差正式测量之前，在地面上已知高程差bm1、bm2点上安置压力变送器，获取已知高差状态下的压力产值δp，按公式(6)即可反算出ρg复合取值，然后将测量装置移至桥塔端口处，1个小时内完成局部压差测量，按已知高差反算出ρg复合取值推算局部高差，该方法可控制温度不同所带来的误差，温度影响消除机制可参见图4。在利用测量已知高差消除温度影响的机制后，按照公式(7)可计算得到采取压力变送器测量端口局部高差的标准偏差按照公式(3)可计算出待测点绝对高程的标准偏差即采取本文“地面全站仪竖向高程传递+端口正负压力变送器高差测量”组合方法的在200m的钢塔上高程测量标准偏差为1.64mm，满足异形钢塔端口高程快速精准的测量需求。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。当前第1页12当前第1页12