2021-4-13 | 桥梁工程论文
1理论模型
1.1测量工件设计
在杭州湾新区跨十塘横江桥大小拱塔的钢结构节段的安装过程中，要求对每个钢结构节段的上口4个角点坐标进行测量，以检查每个节段的安放位置是否符合设计的偏差要求，若与设计值偏差较大，则利用预先安装在该钢结构底部的油泵进行调整，直至上口4个角点的坐标测量值与设计坐标的偏差在所要求的限差范围内为止。考虑到本工程的具体情况，特别制作了测量工件，实物如图3所示。
1.2测量原理
将上述制件的测量工件安装于拱塔钢结构节段上口的4个角点（或3个角点，当在控制点上安置全站仪无法通视4个点时，只能测量3个角点）。由于磁铁的作用，测量工件将会牢牢地固定在钢结构节段的上口角点，并且两块磁铁之间的相互垂直关系刚好保证了钢结构节段的上口角的垂直关系，使得两块磁铁与铝板的接触点正好与节段上口点重合。测量时，在测量控制点上安置好全站仪，瞄准棱镜中心，测量各点的三维空间坐标，利用测量得到的测量工件的棱镜中心点坐标，计算钢结构节段上口点坐标。为了建立棱镜中心点的测量坐标与钢结构节段上口点坐标的转换关系，需要再建立一个坐标系。以节段长和宽的中心点连线的交点为坐标原点o，过原点o与长边平行为y轴，与y垂直平行于短边为x轴，过o点与xoy平面垂直向上为z轴。那么，则得到了钢结构节段的上口角点在工程坐标系下的坐标值，其与所提供的设计坐标值对比求偏差，进而指导钢结构节段的调节。
2MATLAB程序实现
由于程序要求能够实时读入全站仪采集的测量数据，通过空间转换求解角点坐标，并读入设计坐标文件计算二者的差值。全站仪与计算机的通讯一般使用超级终端来协助完成，也有人尝试用VB和CAD编制程序来完成通讯。具体到本文的情况，由于超级终端不能满足系统实时通讯的要求，VB和CAD在矩阵计算方面又不具备优势，所以利用MATLAB与硬件的接口设计进行了尝试。MATLAB可以提供人机交互，方便强大的矩阵计算功能，较其他语言有简洁、可读性好的特点。本程序采用MATLAB语言进行编制，并使用GUI（图形用户接口）设计技术将安装测量作业过程可视化，使其操作过程简单明了，界面更加友好。MATLAB提供了与其他硬件之间的接口函数及方法，就如同VB中的基本类型库一样；使得外部设备和MATLAB之间可以直接方便地进行通信。基本的通信方式有并行通信接口和串行通信接口两种。
2.1通讯实现
将全站仪的测量数据实时地读入到计算机内存，先要解决全站仪与计算机的通讯问题。将全站仪规定的输出指令通过计算机程序发送到仪器内，仪器返回指令结果并向计算机输出数据。对于标准指令格式，程序中只关心其中的坐标输出指令Ed，相应的数据格式随指令给出。
2.2程序功能
程序主要功能，如图6所示。图中列出了本程序的主要菜单及下拉菜单名。文件下的“保存”选项，可以完成计算结果的保存为特定的文本文件；编辑功能主要实现设计数据的录入，其中，“设计尺寸”主要录入钢结构节段的上口长宽设计值与特定的小棱镜高值；“设计坐标”则读入准备好的上口坐标设计值文件；“选择点位”完成与全站仪通讯。计算部分主要完成坐标系转换参数的计算。
3工程应用
利用MATLAB开发环境，将上述原理在MATLAB里编程实现。以杭州湾新区跨十塘横江桥钢结构XTZ1Y节段为例，用全站仪测量特制工件小棱镜中心所得到的测量值，其中，角点表示节段上口点位（下同）。利用程序的“显示”功能将计算出来的调节差值显示于电脑屏幕上，以便直观地对钢结构节段进行相应的调节的数据有所把握。其中的差值结果，负数表示向相反的方向进行调节。
4结束语
由于MATLAB的矩阵计算功能强大，相应的矩阵操作简单明了，因此，编写计算坐标软件的函数相对于其他程序语言要容易很多，所以编写测量程序过程简单，并且MATLAB的计算结果实用可靠。利用本文的测量方法在钢结构桥梁中的节段安装调节过程中，可以简单快速地为节段的准确定位提供偏差数据，方便钢结构节段的调节。
作者：姚文驰 姚连璧 单位：同济大学测绘与地理信息学院