CN107525496A - 超大跨径悬索桥缆索垂度测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超大跨径悬索桥缆索垂度测量装置及其测量方法，涉及缆索垂度测量领域。该装置包括第一全站仪、第二全站仪和四棱镜装置，第一全站仪和第二全站仪分别安置在第一高程控制桩、第二高程控制桩上，第一全站仪和第二全站仪上分别设置有第五棱镜、第六棱镜，四棱镜装置包括夹片装置，夹片装置上设置有第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜和第四棱镜。该方法包括如下步骤：计算第一观测高程hC＇、第二观测高程hD＇；计算第一大气折光系数K1、第二大气折光系数K2；计算高程h10、h11、h12、h13；计算缆索的垂度f＝hA‑hB。本发明解决了千米以上超大跨径悬索桥缆索施工期垂度观测的技术难题，提高了垂度测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及缆索垂度测量领域，具体是涉及一种超大跨径悬索桥缆索垂度测量装置及其测量方法，适用于缆索安装施工过程中两岸同步、高精度测量缆索垂度的技术。
背景技术
缆索垂度测量是千米以上超大跨径悬索桥缆索安装施工的关键技术，缆索垂度测量主要有基准索股垂度测量和成缆安装过程中缆索垂度测量。缆索施工期，需要对基准索股和成缆后缆索的垂度进行多次测量，确保缆索的线形和施工质量。由于悬索桥的缆索处于悬垂状态，不能在其跨中直接安置全站仪，只能设置观测标志，采用单向三角高程测量方法测量其垂度。但千米以上超大跨径悬索桥缆索跨中垂度观测点视线远离河岸，受大气折光影响大，导致单向三角高程测量精度难以保证。同时千米以上超大跨径悬索桥缆索长大，其垂度受气温、风振等影响变化敏感，两岸分别不同时观测其垂度，更难以保证垂度的观测质量。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种超大跨径悬索桥缆索垂度测量装置及其测量方法。本发明解决了千米以上超大跨径悬索桥缆索施工期垂度观测的技术难题，提高了垂度测量精度。
本发明实施例提供一种超大跨径悬索桥缆索垂度测量装置，该装置包括第一全站仪、第二全站仪和四棱镜装置，所述第一全站仪和第二全站仪分别安置在第一高程控制桩、第二高程控制桩上，第一全站仪和第二全站仪上分别设置有第五棱镜、第六棱镜，所述四棱镜装置位于缆索的中部，所述四棱镜装置包括夹片装置，所述夹片装置上设置有第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜和第四棱镜。
在上述技术方案的基础上，所述夹片装置由两个缆索夹片连接形成，所述夹片装置的外轮廓为正方形，所述夹片装置的中部开孔，开孔的形状和尺寸与缆索相匹配，四棱镜装置的中心B和缆索的中心B＇重合。
在上述技术方案的基础上，所述夹片装置上设置有四个棱镜杆，第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜和第四棱镜分别位于四个棱镜杆的端部。
在上述技术方案的基础上，所述四个棱镜杆分别位于夹片装置的四角，且四个棱镜杆相对于夹片装置的中心对称布置，相邻的棱镜杆相互垂直设置。
在上述技术方案的基础上，所述两个缆索夹片的一侧通过铰接螺栓铰接，所述两个缆索夹片的另一侧通过固定螺栓连接。
本发明实施例还提供一种超大跨径悬索桥缆索垂度的测量方法，该方法包括如下步骤：
S1、将第一全站仪、第二全站仪分别安置在第一高程控制桩、第二高程控制桩上，第一高程控制桩和第二高程控制桩上分别设置有第一高程点C、第二高程点D，第一高程点C的已知高程为hC，第二高程点D的已知高程为hD；
S2、将四棱镜装置安装在缆索的跨中处，调整四棱镜装置的对角线上的第二棱镜、第四棱镜朝向第一全站仪，再调整四棱镜装置另一对角线上的第一棱镜、第三棱镜朝向另一岸的第二全站仪；
S3、操作第二全站仪观测第一高程点C，得到第一观测高程hC＇；操作第一全站仪观测第二高程点D，得到第二观测高程hD＇；
根据观测高程与已知高程的差值，计算第一全站仪视线的第一大气折光系数K1、第二全站仪的视线的第二大气折光系数K2；
S4、根据第一大气折光系数K1、第二大气折光系数K2，对第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜、第四棱镜的观测高程进行实时修正，并计算各棱镜修正后高程，得到第一棱镜的高程h10、第二棱镜的高程h11、第三棱镜的高程h12、第四棱镜的高程h13；
S5、根据各棱镜修正后高程h10、h11、h12、h13，计算四棱镜装置的中心B的高程hB；已知塔顶A的高程hA，则缆索的垂度f＝hA-hB。
在上述技术方案的基础上，步骤S3中，第一观测高程hC＇的计算公式如下：
hC＇＝hD+SD14·Cosα14+iD-vC
其中，SD14为第二全站仪到第五棱镜的观测斜距，α14为第二全站仪观测第五棱镜的竖直角，iD为第二全站仪到第二高程点D的高度，vC为第五棱镜到第一高程点C的高度；
第二观测高程hD＇的计算公式如下：
hD＇＝hC+SC15·Cosα15+iC-vD
其中，SC15为第一全站仪到第六棱镜的观测斜距，α15为第一全站仪观测第六棱镜的竖直角，iC为第一全站仪到第一高程点C的高度，vD为第六棱镜到第二高程点D的高度。
在上述技术方案的基础上，步骤S3中，第一大气折光系数K1的计算公式如下：
K1＝1-2·R·(hD-hD＇)/(S2 C15·Sin2α15)
其中，R为地球曲率半径；
第二大气折光系数K2的计算公式如下：
K2＝1-2·R·(hC-hC＇)/(S2 D14·Sin2α14)。
在上述技术方案的基础上，步骤S4中，第一棱镜的高程h10的计算公式如下：
其中，SD10为第二全站仪到第一棱镜的观测斜距，α10为第二全站仪观测第一棱镜的竖直角；
第三棱镜的高程h12的计算公式如下：
其中，SD12为第二全站仪到第三棱镜的观测斜距，α12为第二全站仪观测第三棱镜的竖直角；
第二棱镜的高程h11的计算公式如下：
其中，SC11为第一全站仪到第二棱镜的观测斜距，α11为第一全站仪观测第二棱镜的竖直角；
第四棱镜的高程h13的计算公式如下：
其中，SC13为第一全站仪到第四棱镜的观测斜距，α13为第一全站仪观测第四棱镜的竖直角。
在上述技术方案的基础上，步骤S5中，四棱镜装置的中心B的高程hB的计算公式为：hB＝((h10+h12)/2+(h11+h13)/2))/2。
与现有技术相比，本发明的优点如下：本发明解决了千米以上超大跨径悬索桥缆索施工期垂度观测的技术难题，提高垂度测量精度。本发明具有两岸同步一次观测、实时差分高程的特点，减弱了大气折光影响和不同步两次观测垂度变化的影响，能够显著提高缆索施工期垂度观测精度，确保千米以上超大跨径缆索安装质量。
附图说明
图1是本发明实施例超大跨径悬索桥缆索垂度测量装置的结构示意图。
图2是本发明实施例四棱镜装置的结构示意图。
附图标记：1-第一全站仪，2-第二全站仪，3-第一高程控制桩，4-第二高程控制桩，5-四棱镜装置，6-夹片装置，61-缆索夹片，7-铰接螺栓，8-固定螺栓，9-棱镜杆，10-第一棱镜，11-第二棱镜，12-第三棱镜，13-第四棱镜，14-第五棱镜，15-第六棱镜，16-缆索，A-塔顶，B-四棱镜装置的中心，B＇-缆索的中心，C-第一高程点，D-第二高程点，f-垂度。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供一种超大跨径悬索桥缆索垂度测量装置，该装置包括第一全站仪1、第二全站仪2和四棱镜装置5，第一全站仪1和第二全站仪2分别安置在第一高程控制桩3、第二高程控制桩4上，第一全站仪1和第二全站仪2上分别设置有第五棱镜14、第六棱镜15，四棱镜装置5位于缆索16的中部，四棱镜装置5包括夹片装置6，夹片装置6上设置有第一棱镜10、第二棱镜11、第三棱镜12和第四棱镜13。
参见图2所示，夹片装置6由两个缆索夹片61连接形成，夹片装置6的外轮廓为正方形，夹片装置6的中部开孔，开孔的形状和尺寸与缆索16相匹配，四棱镜装置5的中心B和缆索16的中心B＇重合。夹片装置6上设置有四个棱镜杆9，第一棱镜10、第二棱镜11、第三棱镜12和第四棱镜13分别位于四个棱镜杆9的端部。四个棱镜杆9分别位于夹片装置6的四角，且四个棱镜杆9相对于夹片装置6的中心对称布置，相邻的棱镜杆9相互垂直设置。两个缆索夹片61的一侧通过铰接螺栓7铰接，两个缆索夹片61的另一侧通过固定螺栓8连接。其中，缆索包括基准索股和主缆，本实施例的夹片装置6的中部的开孔为正六边形，用于测量基准索股的垂度。同理，当用于测量圆形的主缆时，夹片装置6的中部的开孔为圆形。
参见图1所示，本发明实施例还提供一种超大跨径悬索桥缆索垂度的测量方法，该方法包括如下步骤：
S1、将第一全站仪1、第二全站仪2分别安置在第一高程控制桩3、第二高程控制桩4上，第一高程控制桩3和第二高程控制桩4上分别设置有第一高程点C、第二高程点D，第一高程点C的已知高程为hC，第二高程点D的已知高程为hD；
S2、将四棱镜装置5安装在缆索16的跨中处，调整四棱镜装置5的对角线上的第二棱镜11、第四棱镜13朝向第一全站仪1，再调整四棱镜装置5另一对角线上的第一棱镜10、第三棱镜12朝向另一岸的第二全站仪2；
S3、操作第二全站仪2观测第一高程点C，得到第一观测高程hC＇；操作第一全站仪1观测第二高程点D，得到第二观测高程hD＇；
根据观测高程与已知高程的差值，计算第一全站仪1视线的第一大气折光系数K1、第二全站仪2的视线的第二大气折光系数K2；
第一观测高程hC＇的计算公式如下：
hC＇＝hD+SD14·Cosα14+iD-vC
其中，SD14为第二全站仪2到第五棱镜14的观测斜距，α14为第二全站仪2观测第五棱镜14的竖直角，iD为第二全站仪2到第二高程点D的高度，vC为第五棱镜14到第一高程点C的高度；
第二观测高程hD＇的计算公式如下：
hD＇＝hC+SC15·Cosα15+iC-vD
其中，SC15为第一全站仪1到第六棱镜15的观测斜距，α15为第一全站仪1观测第六棱镜15的竖直角，iC为第一全站仪1到第一高程点C的高度，vD为第六棱镜15到第二高程点D的高度；
第一大气折光系数K1的计算公式如下：
K1＝1-2·R·(hD-hD＇)/(S2 C15·Sin2α15)
其中，R为地球曲率半径；
第二大气折光系数K2的计算公式如下：
K2＝1-2·R·(hC-hC＇)/(S2 D14·Sin2α14)。
S4、根据第一大气折光系数K1、第二大气折光系数K2，对第一棱镜10、第二棱镜11、第三棱镜12、第四棱镜13的观测高程进行实时修正，并计算各棱镜修正后高程，得到第一棱镜10的高程h10、第二棱镜11的高程h11、第三棱镜12的高程h12、第四棱镜13的高程h13；
第一棱镜10的高程h10的计算公式如下：
其中，SD10为第二全站仪2到第一棱镜10的观测斜距，α10为第二全站仪2观测第一棱镜10的竖直角；
第三棱镜12的高程h12的计算公式如下：
其中，SD12为第二全站仪2到第三棱镜12的观测斜距，α12为第二全站仪2观测第三棱镜12的竖直角；
第二棱镜11的高程h11的计算公式如下：
其中，SC11为第一全站仪1到第二棱镜11的观测斜距，α11为第一全站仪1观测第二棱镜11的竖直角；
第四棱镜13的高程h13的计算公式如下：
其中，SC13为第一全站仪1到第四棱镜13的观测斜距，α13为第一全站仪1观测第四棱镜13的竖直角。
S5、根据各棱镜修正后高程h10、h11、h12、h13，计算四棱镜装置5的中心B的高程hB；已知塔顶A的高程hA，则缆索的垂度f＝hA-hB；
四棱镜装置5的中心B的高程hB的计算公式为：hB＝((h10+h12)/2+(h11+h13)/2))/2。
在本实施例中，步骤S1中，第一高程点C和第二高程点D分别位于第一高程控制桩3、第二高程控制桩4的上表面上，在实际应用中，第一高程点C和第二高程点D也可以分别位于第一高程控制桩3、第二高程控制桩4的其他位置。在实际应用中，步骤S3中，第一大气折光系数K1、第二大气折光系数K2可以通过编程计算器实时得到；步骤S4中，第一棱镜10的高程h10、第二棱镜11的高程h11、第三棱镜12的高程h12、第四棱镜13的高程h13可以通过编程计算器计算得到，也可将实时观测计算的第一大气折光系数K1输入第一全站仪1、第二大气折光系数K2输入第二全站仪2进行实时修正计算。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种超大跨径悬索桥缆索垂度测量装置，其特征在于：包括第一全站仪(1)、第二全站仪(2)和四棱镜装置(5)，所述第一全站仪(1)和第二全站仪(2)分别安置在第一高程控制桩(3)、第二高程控制桩(4)上，第一全站仪(1)和第二全站仪(2)上分别设置有第五棱镜(14)、第六棱镜(15)，所述四棱镜装置(5)位于缆索(16)的中部，所述四棱镜装置(5)包括夹片装置(6)，所述夹片装置(6)上设置有第一棱镜(10)、第二棱镜(11)、第三棱镜(12)和第四棱镜(13)。
2.如权利要求1所述的超大跨径悬索桥缆索垂度测量装置，其特征在于：所述夹片装置(6)由两个缆索夹片(61)连接形成，所述夹片装置(6)的外轮廓为正方形，所述夹片装置(6)的中部开孔，开孔的形状和尺寸与缆索(16)相匹配，四棱镜装置(5)的中心B和缆索(16)的中心B＇重合。
3.如权利要求2所述的超大跨径悬索桥缆索垂度测量装置，其特征在于：所述夹片装置(6)上设置有四个棱镜杆(9)，第一棱镜(10)、第二棱镜(11)、第三棱镜(12)和第四棱镜(13)分别位于四个棱镜杆(9)的端部。
4.如权利要求3所述的超大跨径悬索桥缆索垂度测量装置，其特征在于：所述四个棱镜杆(9)分别位于夹片装置(6)的四角，且四个棱镜杆(9)相对于夹片装置(6)的中心对称布置，相邻的棱镜杆(9)相互垂直设置。
5.如权利要求2所述的超大跨径悬索桥缆索垂度测量装置，其特征在于：所述两个缆索夹片(61)的一侧通过铰接螺栓(7)铰接，所述两个缆索夹片(61)的另一侧通过固定螺栓(8)连接。
6.一种基于权利要求1-5中任一项所述装置的超大跨径悬索桥缆索垂度的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将第一全站仪(1)、第二全站仪(2)分别安置在第一高程控制桩(3)、第二高程控制桩(4)上，第一高程控制桩(3)和第二高程控制桩(4)上分别设置有第一高程点C、第二高程点D，第一高程点C的已知高程为hC，第二高程点D的已知高程为hD；
S2、将四棱镜装置(5)安装在缆索(16)的跨中处，调整四棱镜装置(5)的对角线上的第二棱镜(11)、第四棱镜(13)朝向第一全站仪(1)，再调整四棱镜装置(5)另一对角线上的第一棱镜(10)、第三棱镜(12)朝向另一岸的第二全站仪(2)；
S3、操作第二全站仪(2)观测第一高程点C，得到第一观测高程hC＇；操作第一全站仪(1)观测第二高程点D，得到第二观测高程hD＇；
根据观测高程与已知高程的差值，计算第一全站仪(1)视线的第一大气折光系数K1、第二全站仪(2)的视线的第二大气折光系数K2；
S4、根据第一大气折光系数K1、第二大气折光系数K2，对第一棱镜(10)、第二棱镜(11)、第三棱镜(12)、第四棱镜(13)的观测高程进行实时修正，并计算各棱镜修正后高程，得到第一棱镜(10)的高程h10、第二棱镜(11)的高程h11、第三棱镜(12)的高程h12、第四棱镜(13)的高程h13；
S5、根据各棱镜修正后高程h10、h11、h12、h13，计算四棱镜装置(5)的中心B的高程hB；已知塔顶A的高程hA，则缆索的垂度f＝hA-hB。
7.如权利要求6所述的超大跨径悬索桥缆索垂度的测量方法，其特征在于：步骤S3中，第一观测高程hC＇的计算公式如下：
hC＇＝hD+SD14·Cosα14+iD-vC
其中，SD14为第二全站仪(2)到第五棱镜(14)的观测斜距，α14为第二全站仪(2)观测第五棱镜(14)的竖直角，iD为第二全站仪(2)到第二高程点D的高度，vC为第五棱镜(14)到第一高程点C的高度；
第二观测高程hD＇的计算公式如下：
hD＇＝hC+SC15·Cosα15+iC-vD
其中，SC15为第一全站仪(1)到第六棱镜(15)的观测斜距，α15为第一全站仪(1)观测第六棱镜(15)的竖直角，iC为第一全站仪(1)到第一高程点C的高度，vD为第六棱镜(15)到第二高程点D的高度。
8.如权利要求7所述的超大跨径悬索桥缆索垂度的测量方法，其特征在于：步骤S3中，第一大气折光系数K1的计算公式如下：
K1＝1-2·R·(hD-hD＇)/(S2 C15·Sin2α15)
其中，R为地球曲率半径；
第二大气折光系数K2的计算公式如下：
K2＝1-2·R·(hC-hC＇)/(S2 D14·Sin2α14)。
9.如权利要求8所述的超大跨径悬索桥缆索垂度的测量方法，其特征在于：步骤S4中，第一棱镜(10)的高程h10的计算公式如下：
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其中，SD10为第二全站仪(2)到第一棱镜(10)的观测斜距，α10为第二全站仪(2)观测第一棱镜(10)的竖直角；
第三棱镜(12)的高程h12的计算公式如下：
<mrow>
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其中，SD12为第二全站仪(2)到第三棱镜(12)的观测斜距，α12为第二全站仪(2)观测第三棱镜(12)的竖直角；
第二棱镜(11)的高程h11的计算公式如下：
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其中，SC11为第一全站仪(1)到第二棱镜(11)的观测斜距，α11为第一全站仪(1)观测第二棱镜(11)的竖直角；
第四棱镜(13)的高程h13的计算公式如下：
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其中，SC13为第一全站仪(1)到第四棱镜(13)的观测斜距，α13为第一全站仪(1)观测第四棱镜(13)的竖直角。
10.如权利要求9所述的超大跨径悬索桥缆索垂度的测量方法，其特征在于：步骤S5中，四棱镜装置(5)的中心B的高程hB的计算公式为：hB＝((h10+h12)/2+(h11+h13)/2))/2。
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