CC BY
72
УДК 502
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПРОЛЕТНОГО СТРОЕНИЯ МОСТА В ПРОЦЕССЕ ЕГО НАДВИЖКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНЕРА В Г. НОВОСИБИРСКЕ
Андрей Николаевич Яшнов
Сибирский государственный университет путей сообщения, 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191, к.т.н., доцент, зам. заведующего кафедрой «Мосты», тел. (383) 328-04-70, e-mail: yan@stu.ru
Владимир Адольфович Середович
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, оф. 106, к.т.н., профессор, проректор по инновационной деятельности, тел. (383) 343-39-57, e-mail: v.seredovich@list.ru
Андрей Васильевич Иванов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ведущий инженер, Региональный центр лазерного сканирования, тел. (383) 361-00-66, e-mail: geoid@ngs.ru
В статье приведена методика и результаты проведения мониторинга вертикального перемещения торца затяжки пролетного строения при надвижки, наземным лазерным сканерам Leica Scanstation C10.
Ключевые слова: методика, точность измерений, наземный лазерный сканер (НЛС).
TECHNIQUES FOR DETERMINING BRIDGE SPAN SLIDING DISPLACEMENT BY TERRESTRIAL LASER SCANNING IN NOVOSIBIRSK
Andrey N. Yashnov
Ph.D., Assoc.Prof., deputy head of Bridges Department , Siberian State University of Railway Transport, 191 D. Kovalchuk St., Novosibirsk, 630049, Russia, phone: (383) 328-04-70, e-mail: yan@stu.ru
Vladimir A. Seredovich
Ph.D., Prof., Vice-rector for Innovation, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, phone: (383) 343-39-57, e-mail: v.seredovich@list.ru
Andrey V. Ivanov
Lead engineer, Regional Centre for Laser Scanning, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, phone: (383) 361-00-66, e-mail: geoid@ngs.ru
The authors present the techniques and results of the monitoring concerning vertical sliding displacement of bridge span butt brace using terrestrial laser scanner Leica Scanstation C10.
Key words: technique, measurement accuracy, terrestrial laser scanner.
В последние десятилетия были построены и введены в эксплуатацию новые внеклассные мосты во многих городах России: в Сургуте, Санкт-Петербурге, Москве, Ульяновске, Омске, Кемерово, Муроме, Иркутске, Новосибирске, Владивостоке и других. Причем наметилась тенденция строительства мостов все более сложных, современных конструктивных форм с реализацией уникальных технологий их сооружения, с применением новых строительных материалов. Например, введенный в эксплуатацию в 2012 году автодорожный вантовый мост на
о. Русский в г.Владивостоке имеет рекордный для таких систем пролет - 1104 м, самые высокие пилоны - 312 м от уровня ростверка, самую длинную ванту - 580 м.
Сооружаемый в настоящее время городской мост через р.Обь по Оловозаводскому створу в г.Новосибирске также должен занять достойное место в ряду уникальных российских мостов. Русловое пролетное строение представляет собой комбинированную внешне безраспорную конструкцию в виде арки с затяжкой и системой гибких наклонных пересекающихся подвесок («сетчатая арка»). Длина пролета - 380 м, стрела подъема арки - 70 м. Две плоскости арок наклонены друг к другу под углом 12°. Визуализация будущего общего вида моста представлена на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид моста
Возведение таких сложных конструкций требует организации научнотехнического сопровождения строительства, включая мониторинг напряженно -деформированного состояния конструкции, как на стадии строительства, так и на стадии эксплуатации. Аппаратные системы мониторинга следует разворачивать вместе с началом строительства, так как устанавливать системы мониторинга в процессе эксплуатации уже поздно - будет утрачена возможность отследить динамику изменения контролируемых параметров от их начального значения.
Этап строительства - это базовый этап формирования качественных характеристик сооружения. Погрешности, допущенные в этот период, могут стать причиной изменения параметров конструкции и развития неисправностей в процессе эксплуатации. Мониторинг должен уменьшить вероятность появления таких ошибок и, в результате, снизить риски возникновения аварийных ситуаций до приемлемых значений.
Проблемой при организации мониторинга является корректное выделение наиболее информативных параметров для контроля напряженно -деформиро-
ванного состояния конструкций при обеспечении минимально необходимого числа контрольных точек. Технология сооружения главного пролетного строения по Оловозаводскому створу г. Новосибирска, предусматривает надвижку затяжки арки с левого берега на правый по временным опорам в русле реки (рис. 2). После этого выполняется устройство стапеля и надстройка временных опор на затяжке для надвижки конструкций арки с двух сторон с замыканием в середине пролета (рис. 3). В процессе строительства необходимо, не допустить превышения напряжений в элементах затяжки и арки сверх расчетных сопротивлений металла и обеспечить положение конструкций по окончанию надвиж-ки в соответствии с проектом. Напряжения контролируются в наиболее нагруженных местах конструкции по местным деформациям материала с помощью тензометров и деформометров. Наибольший интерес представляет контроль общих деформаций и траектории движения затяжки и арки при надвижке. Общие деформации являются интегральным параметром, характеризующим напряженно-деформированное состояние конструкции в целом, а контроль траектории движения обеспечивает правильное положение конструкции. Для такой уникальной конструкции как главное пролетное строение моста через р.Обь уже недостаточно применения традиционных геодезических методов (линейно -угловых построений), необходимо внедрение современных технологий, например, лазерного сканирования [1, 2, 3, 4].
Рис. 2. Начальная стадия надвижки затяжки арочного пролетного строения
Экспериментально-производственные работы по внедрению лазерного сканирования были проведены на одном из этапов надвижки затяжки комбинированного пролетного строения моста через р.Обь по Оловозаводскому створу.
Для производства работ по мониторингу пролетного строения моста в процессе его надвижке, был выбран наземный лазерный сканер (НЛС) Ьеюа 8сап81айоп С10, данный прибор отличается высокой точностью и скоростью
измерений, а также высокой точностью компенсаторного устройства приводящего НЛС в горизонтальное положение [5].
Из проведённых ранее исследований по оценке точности измерений НЛС, было выявлено, что точность измерений по внутренней сходимости единичного скана, может быть выше заявленной производителем. Используя данное свойство, была разработана методика оценки деформации пролетного строения моста, сущность которой заключается в следующем:
На контролируемом элементе надвигаемой части моста визуально выявляются участки конструкции с наличием физического пересечения трех плоскостей (к примеру, ребра жесткости) рис. 3.
Рис. 3. Определение на конструкции контрольного участка сканирования
После чего выполняют установку НЛС таким образом, чтобы выбранные контрольные участки, попадали в область сканирования с одной станции, которая остается неизменной в течение всего цикла надвижки пролётного строения. Так же для контроля неизменности положения установки НЛС в течение всего цикла надвижки, дополнительно выявляются и сканируются контрольные точки, которые должны располагаться на стабильных объектах заведомо не изменяющих своем место положения. Такими точками могут послужить любые характерные геометрические детали, к примеру, бетонных опор или рядом стоящих капитальных строений, рис. 4.
Лазерное сканирование двух контрольных участков производилось с плотностью (1 х 1) мм после каждого шага надвижки пролетного строения, в момент технологических перерывов для подготовки гидравлического оборудования. Среднее время сканирования левого и правого контрольного участка составило 10 минут, после чего производилась обработка данных НЛС и получение контрольной величины [6, 7].
Рис. 4. Схема установки НЛС и расположения контрольных точек
Обработка результатов измерений НЛС производилась в ПО Cyclone, в следующие три основных этапа:
1. Производилось сегментирование участков данных НЛС, описывающих выбранные контрольные элементы, а именно три плоскости продольных и поперечных ребер жесткости конструкции пролетного строения моста;
2. для определения итоговой контрольной величины (трехмерные координаты XYZ контрольной точки) использовался способ координирования «вирту-
Рис. 5. Определение трехмерных координат «ВКТ» на основе пересечения трех плоскостей
альной контрольной точки» (ВКТ) на основе пересечения трех аппроксимированных в данные НЛС геометрических примитивов «плоскость», при помощи автоматического инструмента «Region Grow» в ПО Cyclone, средняя квадратическая погрешность вписывания плоскости по всем контрольным участкам составила 1 мм (рис. 5);
З. вычисление разницы между координатами XYZ «ВКТ» от начала и текущим шагом надвижки пролетного строения.
Расчет точности полученных значений деформации на основе данных НЛС производился по формуле (1), средняя квадратическая погрешность определения координат «ВКТ» составила 3 мм.
Также параллельно производились измерения при помощи электронного тахеометра.
т0 бщ = V т2а + т1 + т2, (1)
где тобщ - общая средняя квадратическая погрешность определения координат «ВКТ»;
т2 - средняя квадратическая погрешность повторяемости результата измерения «ВКТ» или «статичного объекта»;
т2 - погрешность компенсаторного устройства, приводящего в горизонт положение НЛС;
т 2 - погрешность влияния атмосферных условий.
Полученные результаты проиллюстрированы для примера на рис. 6. Анализ результатов свидетельствует, что методы лазерного сканирования обеспечивают высокую точность и производительность геодезических работ. При сооружении арки организация лазерного сканирования для определения траектории движения торцов полусводов арки в процессе надвижки должна обеспечить их штатную стыковку в середине пролета. В целом, осуществление мониторинга общих деформаций и положения конструкций при строительстве и в дальнейшем при эксплуатации обеспечит объективную оценку фактического напряженно-деформированное состояния конструкций и своевременное принятие мер при отклонениях от нормируемых значений.
Рис. 6. График вертикального перемещения торца затяжки пролетного строения при надвижки
Приобретенный опыт применения наземного лазерного сканирования при монтаже металлических конструкций позволяет расширить возможности геодезического контроля, повысить надежность и точность контроля качества работ в режиме реального времени [8, 9, 10].
1. Середович В.А., Середович А.В. Особенности, проблемы и перспективы применения НЛС // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. - С. 218-219.
2. Выполнение обмеров строительных конструкций средствами наземного лазерного сканирования при обследовании зданий и сооружений / Середович А.В., Иванов А.В., Усиков А.В., Мифтахудинова О.Р. // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. - С. 220-221.
3. Середович В.А., Ткачева Г.Н., Середович А.В. Геодезический мониторинг деформаций Усть-Каменогорского судоходного шлюза // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 133-139.
4. Анализ природных и техногенных особенностей геопространства чрезвычайной ситуации / А.П. Карпик, В.А. Середович, А.В. Дубровский, Э.Л. Ким, О.И. Малыгина // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 178-184.
5. Возможности применения наземного лазерного сканирования для контроля ремонта и строительства дорог / А.В. Середович, А.В. Иванов, Е.В. Романович, О.Р. Мифтахудинова // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. - С. 210-213.
6. Комиссаров А.В., Широкова Т.А., Романович Е.В. Обоснование выбора расстояния между сканерными станциями при наземной лазерной съемке // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 98-101.
7. Середович А.В., Иванов А.В., Дементьева О.А. Применение программного продукта Riscan PRO для регистрации сканов // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. -С. 214-217.
8. Проверка внутреннего очертания тоннеля при помощи наземного лазерного сканера / Е.И. Горохова, И.В. Алешина, Е.В. Романович, А.В. Иванов, А.Р. Мифтафудинов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 107-114.
9. Середович В.А., Востров И.В. Обзор современных программных продуктов для создания и использования трехмерных моделей для проектирования автомобильных дорог // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 115-120.
10. Методика лазерного сканирования и пропорционального анализа форм памятника архитектуры (на примере храма Александра Невского в Новосибирске) / А.В. Радзюкевич, М.А. Чернова, В.А. Середович, А.В. Иванов, О.Р. Мифтахудинова // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 121-133.
© А.Н. Яшнов, В.А. Середович, А.В. Иванов, 2013
