聶 丹，張海連

(1.閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 城鄉(xiāng)建筑學(xué)院，福建 龍巖 364021；2.華僑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 362021)

城市的發(fā)展過程離不開橋梁隧道的建設(shè)。隨著時代的發(fā)展，人們對橋梁隧道的結(jié)構(gòu)安全性提出了更高的要求，因此研究橋梁隧道靜力特性具有重要意義[1-2]。當(dāng)前一般利用有限元模擬對橋梁隧道靜力特性進(jìn)行分析，但得到的結(jié)果與實際結(jié)果不符，使得橋梁隧道結(jié)構(gòu)存在一定的安全隱患[3-4]。

無人機與數(shù)碼影像等技術(shù)為航空攝影提供了新的可能[5-6]。采用無人機航測技術(shù)獲取多源數(shù)據(jù)并將其應(yīng)用于橋梁隧道靜力特性分析可降低數(shù)據(jù)誤差，保障橋梁隧道結(jié)構(gòu)的安全。為此，筆者采用此方法對復(fù)雜的水下隧道和纜索協(xié)作體系橋梁的靜力特性進(jìn)行分析。

1 基于無人機航測技術(shù)采集多源數(shù)據(jù)

1.1 工作流程

依據(jù)圖1描述的工作流程對航測多源數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

1.2 像控點布設(shè)和數(shù)碼相機校驗

像片控制點平面位置和高程的測量需借助城市CORS系統(tǒng)完成，地方坐標(biāo)系的建立以其計算測量的參數(shù)作為坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其確定的電子刺點即為校驗的像控點[7]。

針對數(shù)字相機的特性，利用共線數(shù)據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系，把坐標(biāo)以數(shù)值形式代入方程，然后運用后方空間交會的計算方法，求出相機的方位數(shù)據(jù)、畸變系數(shù)等一系列參數(shù)[8-9]。共線方程可描述成

(1)

將像點坐標(biāo)當(dāng)成觀測值，獲取誤差方程式：

e=ax+bx+cx-l

(2)

式中：(x,y)表示像控點的坐標(biāo)；f表示影像內(nèi)的不同方位的各個元素；(X,Y,Z)表示不同物體的空間坐標(biāo)；a、b、c表示由同一影像3個不同外方位角元素組成的不同方向的余弦向量；ax表示航測影像外方位元素；bx表示航測影像內(nèi)方位元素；cx表示附加參數(shù)；l用于描述光學(xué)畸變修正項。

1.3 航攝設(shè)計

航攝設(shè)計主要包括攝影基線與旁向間隔、像片重疊度分析2個階段。

把相鄰的兩攝站連接起來，就可把這個連線作為攝影基線。攝影基線受很多因素影響，最重要的是旁向間隔長度以及航線重疊度，但是也不能忽略像素數(shù)地面和分辨率對其的影響[10]，對攝影基線造成影響的各元素之間的關(guān)系(像素數(shù)、地面和分辨率)表示如下：

sx=hx(1-ux)

(3)

dy=hy(1-uy)

(4)

(5)

(6)

其中:sx表示影像中攝影基線的長度；Sx表示實地測量的攝影基線長度；dy表示影像中航線間隔寬度；Dy表示實地測量的航線間隔寬度；hx、hy表示影像的長度與寬度；ux、uy表示影像中航向和旁向重疊程度；z用于描述焦距；G用于描述攝影航高。

像片重疊度大小通過像片重疊度進(jìn)行描述，重疊部分長度和像幅長度之間的百分比被稱為重疊度。圖2為像片重疊度的示意圖，ux、uy為航向與旁向重疊部分的像片長度(uy為旁向重疊度，相鄰航線的重疊度在該圖2中無法體現(xiàn))，h為像幅長度。地面起伏造成重疊度改變情況用圖3進(jìn)行描述，圖中vx、vy代表航向與旁向重疊度，則有

(7)

(8)

無人機遙感系統(tǒng)中的航向重疊程度一般在60%～80%。

1.4 業(yè)內(nèi)加密

為達(dá)到無控制自由網(wǎng)平差的目的，應(yīng)在平差前，利用畸變糾正程序?qū)υ囼灥目罩袌龅貓D像進(jìn)行修正。同時在操作過程中進(jìn)行航線修訂以及降低數(shù)據(jù)粗差等工作，在保證全部點都是同名點的情況下，檢查測區(qū)中是否存在漏電情況，并以增加連接點的方式提高模型間的連接強度，通過加密軟件完成加密處理[11]。

1.5 準(zhǔn)確性分析

為驗證無人機航測得到多源數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，先在像片上進(jìn)行測算，同時利用GPS對像片上的重要位置進(jìn)行定位，確定坐標(biāo)，然后將計算坐標(biāo)與實際坐標(biāo)相比較，計算平面點位中的坐標(biāo)誤差，誤差在20 cm以下則認(rèn)為符合測量要求。通過表1所示的地物點精度統(tǒng)計表可看出，大部分測量結(jié)果符合測量要求，這進(jìn)一步表明無人機航測的多源數(shù)據(jù)可用于橋梁隧道靜力特性分析中。

表1 地物點精度統(tǒng)計

2 隧道靜力特性分析

2.1 工程概況

選取某一隧道作為研究對象，該隧道總長為2.5 km，地質(zhì)條件較為惡劣。隧道沿線底層大部分是砂層與黏土層，其土層的主要工程地質(zhì)參數(shù)見表2[12]。因具有極強的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，泥水平衡式盾構(gòu)常被用于施工中。為確保工程有序進(jìn)行，管片環(huán)的承壓能力最高為55 MPa。盾構(gòu)隧道主要包括始發(fā)井、海底隧道和接收井。

表2 土層主要工程地質(zhì)參數(shù)

2.2 實測結(jié)果分析

對隧道的不同斷面形態(tài)進(jìn)行分析，了解管片環(huán)的性能，保障隧道結(jié)構(gòu)安全。采用無人機航測技術(shù)選擇合理監(jiān)測點，通過應(yīng)變計與鋼筋計對應(yīng)力與環(huán)向鋼筋應(yīng)力進(jìn)行采集，外側(cè)監(jiān)測點記作R1、R3、R5與R7，內(nèi)側(cè)監(jiān)測點記作R2、R4、R6和R8，R1、R2代表拱頂外側(cè)與內(nèi)側(cè)，R3、R4代表左拱肩外側(cè)與內(nèi)側(cè)，R5、R6代表拱底外側(cè)與內(nèi)側(cè)，R7、R8代表右拱腰外側(cè)與內(nèi)側(cè)[13]。

管片環(huán)向鋼筋應(yīng)力隨時間的改變情況用圖4表示。管片環(huán)內(nèi)外側(cè)鋼筋應(yīng)力的改變情況可分成4個階段，當(dāng)初步完成隧道內(nèi)的盾構(gòu)施工和管片拼裝工作后，鋼筋應(yīng)力逐漸升高。第2個階段鋼筋應(yīng)力升高幅度較緩，管片受力穩(wěn)定，鋼筋應(yīng)力改變程度不大。第3個階段外側(cè)筋應(yīng)力繼續(xù)升高，內(nèi)側(cè)改變不大，其他位置鋼筋應(yīng)力均有較大提升。第4個階段鋼筋應(yīng)力都在一定程度上有所降低。

分析圖4可知，隧道內(nèi)外側(cè)的鋼筋都受到外界荷載共同作用，但是拱頂和拱底的外側(cè)鋼筋受到的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)拱頂和拱底所受的應(yīng)力。然而，拱腰右側(cè)的內(nèi)外鋼筋的受力情況與拱頂和拱底之間的關(guān)系恰好相反，但左拱肩所受的應(yīng)力情況卻與之相同。造成這種現(xiàn)象的原因主要在于高水頭易導(dǎo)致壓力過大，產(chǎn)生彎矩作用力，使拱頂與拱腰分別受正負(fù)彎矩作用力的影響，從而使拱腰內(nèi)外側(cè)的鋼筋對應(yīng)力的承受能力不同。

3 橋梁靜力特性分析

3.1 工程背景

某過江通道設(shè)計方案選用主跨1 400 m纜索協(xié)作體系，主纜跨度是(530+1 400+530) m，加勁梁作為主跨，其懸吊部分在1 100 m處。由于塔梁固結(jié)形成的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所以選擇其做為橋梁的主體結(jié)構(gòu)，而兩岸錨碇選擇分別承重且相對穩(wěn)定的獨立重力式結(jié)構(gòu)。

3.2 加勁梁受力分析

在無人機航測多源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過空間梁格法完成對連續(xù)箱梁的內(nèi)力分析，按照梁格法計算理論，把箱梁在水平方向上離散成6根縱向構(gòu)件，需保證離散處理前后截面總面積和總豎向抗彎慣性矩保持不變[14]。

為便于分析，將腹板和橫梁進(jìn)行編號，從鈍角側(cè)到銳角側(cè)腹板依次編為F1、F2、F3和F4，依據(jù)斜交到正交方向，將橫梁編為T1、T2、T3、T4。不同橫梁位置支承邊界條件如表3所示，橫梁左側(cè)和右側(cè)分別于箱梁鈍角側(cè)和箱梁銳角側(cè)且一一對應(yīng)。

表3 邊界條件情況

為研究斜交角度對橋梁的影響，分析橫梁T1處斜交角度是90°、70°和50°三種情況下，F(xiàn)1～F4腹板軸向彎矩沿橋向分布情況，詳細(xì)情況見圖5。

3.3 主纜和吊索受力分析

橋梁的關(guān)鍵受力部分主要由主纜和吊索組成的纜索協(xié)作體系構(gòu)成，吊索直接承擔(dān)鋼箱梁的重量，然后吊索連接主纜分擔(dān)，最后將重量分擔(dān)到整個橋梁。主纜和吊索的大小需符合結(jié)構(gòu)受力安全規(guī)定，與此同時，最大程度保證經(jīng)濟合理性。

最不利工況下的主纜安全系數(shù)如表4。

表4 主纜安全系數(shù)

由表4可知，主纜安全系數(shù)高于2.0，最高是2.7，主纜截面設(shè)計較為安全和合理，且經(jīng)濟性好。

最不利的狀態(tài)下吊索應(yīng)力包絡(luò)圖見圖6，活載作用下吊索應(yīng)力幅見圖7。

吊索抗拉強度的最大值不超過1 700 MPa，如果吊索安全系數(shù)為3.0，那么吊索可承受最大應(yīng)力在580 MPa之內(nèi)。

分析圖6可知，吊索應(yīng)力低于580 MPa，應(yīng)力和安全系數(shù)呈反比例關(guān)系，也就是安全系數(shù)高于3.0。分析圖7可知，吊索活載應(yīng)力幅都低于90 MPa。

通過以上分析可得，雖然橋梁隧道在主纜繩截面選擇的標(biāo)準(zhǔn)有所降低，但在安全和活載應(yīng)力等多方面的數(shù)據(jù)都達(dá)到實際施工的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

筆者采用無人機航測技術(shù)采集多源數(shù)據(jù)，對橋梁隧道靜力特性進(jìn)行分析。

采用無人機航測采集多源數(shù)據(jù)，經(jīng)驗證大部分測量結(jié)果符合測量要求，表明無人機航測多源數(shù)據(jù)可用于橋梁隧道靜力特性分析中。

在隧道靜力特性分析時，雖然橋梁隧道內(nèi)外側(cè)的鋼筋都受到外界荷載和拉力的共同作用，但是，拱頂和拱底的外側(cè)鋼筋受到的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)，并且內(nèi)側(cè)和拱底相差更大。拱腰右側(cè)的內(nèi)外鋼筋的受力情況與拱頂和拱底之間的關(guān)系恰好相反，但左拱肩所受的應(yīng)力情況卻與之相同。

在橋梁靜力特性分析時，通過改變腹板的長度和所受內(nèi)力的大小得到腹板的不同狀態(tài)，然后選取極端狀態(tài)下的數(shù)據(jù)對鋼束的情況進(jìn)行不同的配置。與跨度相同的懸索橋相比，雖然橋梁隧道在主纜繩截面的選擇上標(biāo)準(zhǔn)有所降低，但是在安全和活載應(yīng)力等多方面的數(shù)據(jù)測量上都達(dá)到實際施工的標(biāo)準(zhǔn)。