大跨度斜拉橋測量控制技術(shù)

祝賢洲

摘 要：斜拉橋是現(xiàn)代大跨度橋梁的主要橋型，其優(yōu)點(diǎn)是跨越能力強(qiáng)，橋型美觀。隨著施工技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，斜拉橋的跨度不斷變大。在跨度的加大和主塔的升高同時(shí)，相應(yīng)的對(duì)施工測量提出了更高的要求。怎樣保證在測量難度大的情況下，還能保證測量精度，確保符合設(shè)計(jì)要求，這就要在整個(gè)施工測量過程中采取必要的、確實(shí)可行的測量方法和技術(shù)。

關(guān)鍵詞：斜拉橋 大跨度 測量控制 技術(shù)

中圖分類號(hào)：U446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（a）-0062-05

斜拉橋是現(xiàn)代橋梁體系中嶄新的橋型，斜拉橋作為一種拉索體系，比梁式橋的跨越能力更大，是大跨度橋梁的最主要橋型，同時(shí)斜拉橋也是一種重要的景觀橋。斜拉橋是超高靜定結(jié)構(gòu)，它對(duì)成橋的線形有較嚴(yán)的要求，每個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的變化都會(huì)影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分配。橋梁線形一但偏離設(shè)計(jì)值，將導(dǎo)致內(nèi)力偏離設(shè)計(jì)值?，F(xiàn)代斜拉橋的跨度一般超過200 m，主塔高度超過100 m，目前世界最大跨度斜拉橋是位于俄羅斯遠(yuǎn)東城市弗拉迪沃斯托克的俄羅斯島大橋，大橋主跨達(dá)1104 m，主塔高度324 m。因此在橋梁建設(shè)過程中，必須采用有效的施工測量方法，提高測量精度，確保大橋建設(shè)質(zhì)量。

1 前期施工中的主要測量技術(shù)

1.1 控制網(wǎng)網(wǎng)型與點(diǎn)位的選擇

在主體工程開工之前，為了便于施工階段的測量觀測，同時(shí)為了有效提高測量效率和精度，建立合適的施工控制網(wǎng)是非常有必要的?？刂凭W(wǎng)的網(wǎng)型一般選用大地四邊形或三角形，以控制跨越江河部分的主橋?yàn)橹?。在滿足橋軸線長度測定和墩臺(tái)中心定位精度的前提下，力求圖形簡單并具有足夠的強(qiáng)度，以減少外業(yè)觀測工作和內(nèi)業(yè)計(jì)算工作。根據(jù)精度要求和地形條件，橋梁施工平面控制網(wǎng)的網(wǎng)形布設(shè)有以下幾種形式（見圖1）。

控制點(diǎn)的點(diǎn)位選擇尤為重要，一般選擇在邊墩上下游的位置。觀測的時(shí)候豎直角不宜大于20°，因此必須確定控制點(diǎn)到主橋主塔的最小距離。考慮到儀器激光對(duì)中誤差可達(dá)2 mm，因此主塔施工用控制點(diǎn)常用強(qiáng)制對(duì)中墩來減少對(duì)中誤差[1]，其對(duì)中誤差<=0.2mm。

2 主塔施工測量

2.1 斜拉橋塔柱的結(jié)構(gòu)樣式

現(xiàn)代斜拉橋的主塔柱樣式多種多樣，但基本的最長用結(jié)構(gòu)樣式有“A”型塔柱，倒“Y”型，“H”型，其他一些類型都是通過這幾個(gè)基本類型演變而來（如圖2～4）。

2.2 主塔施工測量的儀器設(shè)備選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行測量放樣的精度分析來確定測量設(shè)備的精度要求，進(jìn)行測量設(shè)備的配置。斜拉橋施工測量一般采用0.5″的全站儀（如徠卡的高精度全站儀TS30），如果條件允許也可以考慮使用1″的儀器。

2.3 主塔施工測量

主塔塔柱一般由下塔柱、橫梁、中塔柱和上塔柱組成。塔柱側(cè)面通常有一定的傾斜度，其平面位置隨著高程的變化而變化。為了控制好主塔的傾斜度以及垂直度，需在每個(gè)節(jié)段每個(gè)特征點(diǎn)調(diào)整好其平面尺寸位置。操作時(shí)，先測量其節(jié)段高程，然后根據(jù)實(shí)測高程進(jìn)行理論平面位置推算，進(jìn)而進(jìn)行測量控制。

由于塔柱的平面位置與高程和斜率成一次函數(shù)關(guān)系，可根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙推算出塔柱在H高程處的平面位置。

X=f1（h，i）+X0

Y =f2（h，i）+Y0

h =H -H0

i為斜率，X0，Y0為塔柱平面位置基準(zhǔn)起算坐標(biāo)。將實(shí)測坐標(biāo)與計(jì)算的理論坐標(biāo)進(jìn)行比較，調(diào)整模板到理論位置。

為減少日照對(duì)塔柱變形的影響，塔柱各部位和各構(gòu)件的施工測量和放樣，應(yīng)根據(jù)多日溫度觀測記錄，選擇在不受日照影響和氣溫變化較小的時(shí)間段進(jìn)行。塔柱施工宜采用焊接的型鋼勁性骨架輔助定位等措施確保精確定位，以保證在測量、放樣、立模、鋼筋和管道定位的精度。

一般情塔柱都是分節(jié)段施工，為控制好塔柱的傾斜度與垂直度，保證主塔分段澆筑時(shí)節(jié)段與節(jié)段間銜接順直，不出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)，每一節(jié)段澆筑完畢，應(yīng)在此段塔柱頂面對(duì)該節(jié)段的結(jié)構(gòu)尺寸及軸線偏位進(jìn)行竣工測量 ，并在面四邊做出中點(diǎn)標(biāo)志及標(biāo)高標(biāo)志，作為下一節(jié)段模板調(diào)整的依據(jù)。同時(shí)，必須對(duì)墩柱的垂直度、斜率進(jìn)行觀測，保持外表面的順直，不允許出現(xiàn)折線。還要定期對(duì)塔柱頂面縱、橫兩個(gè)方向的偏位值進(jìn)行連續(xù)跟蹤觀測，通過觀測數(shù)據(jù)的規(guī)律變化，確定在自然條件下塔柱縱、橫向偏移的變化規(guī)律，以確定下一工序如何修正偏位情況，將塔柱傾斜度、垂直度控制在允許的范圍內(nèi)。

3 索道管定位測量

斜拉橋索道管定位是斜拉橋高塔柱施工中一項(xiàng)測量精度要求很高（一般要求平面5 mm以內(nèi)，高程±10 mm以內(nèi)）、測量難度極大的工作，斜拉橋索道管的位置及其角度均應(yīng)準(zhǔn)確控制，錨板與索道管必須互相垂直，并符合圖紙要求，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和斜拉索的結(jié)構(gòu)受力特性，索道管的定位應(yīng)優(yōu)先保證其軸線精度，其次才是錨固點(diǎn)位置的三維精度。索道管軸線與斜拉索軸線的相對(duì)偏差主要由索道管兩端口中心的相對(duì)定位精度決定。

3.1 定位模型的建立

斜拉橋索道管的定位質(zhì)量決定了斜拉索的空間位置，也直接影響著主梁的線型。為了保證主梁索道管與主塔索道管的相對(duì)位置關(guān)系，要求主梁與主塔索道管的定位必須以同一基準(zhǔn)為依據(jù)。

依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙給出的索道管參數(shù)，將斜拉索中心線分別向XOZ面及XOY面投影，計(jì)算出投影后的截距及斜率，由此可歸納出斜拉索中心線的空間直線方程L0：

X0為自變量，可表示斜拉索中心線上某一點(diǎn)的里程X坐標(biāo)，Y0、Z0是與X0相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)在三維坐標(biāo)系中的Y及Z值，YX0、ZX0、a、b分別為斜拉索中心線投影到XOZ及XOY面上的截距及斜率。

3.2 主塔索道管定位方法

主塔索道管定位一般按先粗定位，然后再精調(diào)兩步進(jìn)行。粗定位前，先將索導(dǎo)管的下底面線用墨線彈出，然后在前后豎直的勁性骨架上搭焊兩根角鋼（見圖5）。

焊接角鋼前，先測出勁性骨架的X坐標(biāo)，根據(jù)索導(dǎo)管下底面線性關(guān)系反算出對(duì)應(yīng)X坐標(biāo)下的Y、Z坐標(biāo)，根據(jù)Z值進(jìn)行角鋼焊接，在進(jìn)行角鋼焊接時(shí)，角鋼的高度統(tǒng)一適當(dāng)放低1～2 cm，以便索道管高程精調(diào)。角鋼焊接好之后，在角鋼的頂面放出索道管的Y方向，并做記號(hào)。索道管吊裝時(shí)，注意將索道管的底面線與角鋼上的點(diǎn)重合。

索道管粗吊裝好之后進(jìn)行索道管精調(diào)。精調(diào)時(shí)，首先對(duì)錨固點(diǎn)進(jìn)行精調(diào)。利用倒鏈將錨固點(diǎn)精調(diào)到位，然后再利用倒鏈對(duì)索道管出塔處進(jìn)行調(diào)整。出塔點(diǎn)調(diào)整時(shí)，根據(jù)索道管軸線方程，利用實(shí)測里程（X坐標(biāo)）進(jìn)行設(shè)計(jì)高程推算，進(jìn)行上下調(diào)整，同樣進(jìn)行Y坐標(biāo)左右調(diào)整。出塔點(diǎn)調(diào)好之后，再對(duì)錨固點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測、調(diào)整，直至錨固點(diǎn)和出塔點(diǎn)同時(shí)滿足定位要求，然后對(duì)索道管進(jìn)行加固。

由于索道管的定位精度由其軸線精度決定，所以在進(jìn)行索道管精調(diào)時(shí)，優(yōu)先保證索道管的軸線位置精度，即保證索道管兩端口中心的相對(duì)定位精度。常規(guī)的索道管定位采用間接定位法，即根據(jù)索道管的頂面線或底面線進(jìn)行定位，但是，受索道管上附著物（螺旋筋、加緊鋼板、附著鋼筋等）影響，上下特征線將不方便或不能夠準(zhǔn)確尋找。為了解決索道管的定位問題，可根據(jù)索道管的尺寸以及外形特征對(duì)索道管的錨固端以及出塔處加工專門的定位板（見圖6、7）。

使用時(shí)，錨固端定位板直接放置在錨墊板上，直接觀測定位板中心即錨固點(diǎn)中心坐標(biāo)，進(jìn)行錨墊板位置的調(diào)整定位；出塔處，將出塔定位板放置于索道管開口處，注意使定位板的半圓弧與圓桿下側(cè)同索導(dǎo)管的內(nèi)壁同時(shí)緊貼，后觀測定位板中心即索道管出口處中心坐標(biāo)，對(duì)索道管出口位置進(jìn)行調(diào)整定位（見圖8、9）。

3.3 主梁索道管定位方法

考慮到主橋的活載，主梁施工時(shí)的施工線形與設(shè)計(jì)成橋線形有一定的預(yù)抬量，對(duì)主梁的索道管測量定位時(shí)必須考慮這預(yù)抬量，使得成橋后索道管位置滿足設(shè)計(jì)要求。主梁索道管定位時(shí)，先根據(jù)設(shè)計(jì)部門計(jì)算的預(yù)抬量△Z，在平面位置保持原設(shè)計(jì)值不變的前提下，只是將主梁索道管在豎向整體抬高△Z，即可解決預(yù)抬量對(duì)索道管定位的影響（如圖10所示）。

3.4 索道管定位過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)

在進(jìn)行索道管定位時(shí)由于索塔砼受到日照、索塔砼內(nèi)部溫度不均、風(fēng)力等因素影響，上塔柱位置發(fā)生隨機(jī)的變化。在進(jìn)行索道管高精度定位時(shí)，要選擇合適的測量時(shí)間，在沒有日照、沒有3級(jí)以上大風(fēng)、并且空氣溫度及索塔溫度變化不大的時(shí)段里進(jìn)行索道管高精度定位。因此一般情況下宜選擇在夜里10點(diǎn)到第二天早上5點(diǎn)進(jìn)行測量定位作業(yè)，以減弱索塔變形對(duì)索道管定位精度的影響。

在索道管及上塔柱精確定位測量時(shí)很難做到對(duì)向觀測，用三角高程測量傳遞高程，且測量點(diǎn)平距大于200 m時(shí)，要盡量消除球氣差對(duì)高程的影響，可利用球氣差改正公式進(jìn)行改正[2]：。k為折光系數(shù)[3]，一般取值0.14～0.16之間，D為到測點(diǎn)的平距，R為地球半徑。

4 塔梁同步施工中的監(jiān)控測量

4.1 塔梁同步施工技術(shù)

現(xiàn)代斜拉橋的混凝土主塔通常較高，施工時(shí)分階段澆筑施工，因此施工時(shí)間較長。為了盡量縮短橋梁建設(shè)時(shí)間，一種新的施工技術(shù)，塔梁同步施工出現(xiàn)了。即在主塔未施工完的情況下，邊施工主塔邊施工主梁，并進(jìn)行斜拉索掛索（見圖11）。

4.2 塔梁同步施工中主塔的測量監(jiān)控

采取塔梁同步施工技術(shù)時(shí)，由于主塔兩側(cè)主梁重量不完全相等、橋面臨時(shí)荷載偏載、張拉斜拉索控制索力的油壓表以及張拉系統(tǒng)的誤差等因素，導(dǎo)致索塔受不均勻水平力，索塔很可能出現(xiàn)較大的偏位（如圖12所示），對(duì)于后續(xù)主塔節(jié)段的施工造成很大的困難，因此，針對(duì)塔梁同步施工這種新的施工技術(shù)，也應(yīng)采用相應(yīng)的測量控制方法，使得后續(xù)索塔在施工完畢后，最終的索塔在自然受力狀態(tài)下是順直的。

為了精確觀測塔柱的變形情況，并依據(jù)測量數(shù)據(jù)分析判斷塔柱偏位的趨勢，就需要在塔柱上合適的位置埋設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)通常由一序列的棱鏡固接在需要觀測偏位情況的已澆筑節(jié)段外側(cè)壁的觀測裝置。塔柱監(jiān)測點(diǎn)一般從中塔柱開始隨著塔柱施工由下至上在需要觀測的節(jié)段布置。通常上塔柱在每節(jié)段頂部塔柱側(cè)壁上均埋設(shè)一層監(jiān)測點(diǎn)，每層埋設(shè)4套監(jiān)測點(diǎn)，即在一個(gè)節(jié)段的4個(gè)角布置觀測點(diǎn)，便于在主塔兩側(cè)均能監(jiān)測到主塔的變形情況。監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)要牢固可靠，確保每次的觀測數(shù)據(jù)真實(shí)可信。

理想狀況下，索塔處于鉛垂?fàn)顟B(tài)，當(dāng)索塔受不均勻水平力的作用時(shí)，其產(chǎn)生水平變形，變形曲線為拋物線，頂點(diǎn)在塔根部，變形截止點(diǎn)是水平力施加點(diǎn)。水平力施加點(diǎn)以上部分，在不考慮自重前提下，是沿該點(diǎn)拋物線切線方向延伸。建立塔柱偏位模擬數(shù)學(xué)模型，其拋物線一般方程為：d=kh2，其中k為常數(shù)，可以根據(jù)多組觀測數(shù)據(jù)求出，h為高程，d 為索塔偏離值。

在實(shí)際施工過程中，在主塔兩側(cè)不同部位埋設(shè)固定監(jiān)測點(diǎn)，當(dāng)索塔受不均勻水平力作用時(shí)，觀測多組數(shù)據(jù)（h1，d1）、（h2，d2）……（hn，dn），根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，可以計(jì)算出常數(shù)k1、k2…… kn ， 建立矩陣VT=[k1 k2…… kn]， 根據(jù)最小二乘原理，VTV=最小，可以解算出常數(shù)k的最或是值。由于所有的觀測值均使用同一臺(tái)儀器，且由同一人觀測，所以一般認(rèn)為所獲取的數(shù)據(jù)是同精度觀測，且服從正態(tài)分布，因此，在實(shí)際計(jì)算過程中，可以取k1、k2…… kn的平均值作為常數(shù)k的最或是值，即

k=（k1+k2+……+kn）/n

以上過程根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型和實(shí)際觀測值，確定了索塔受不均勻水平力所產(chǎn)生的變形的曲線方程。

為確定待澆節(jié)段的實(shí)際施工位置，還須求得切線方程，根據(jù)數(shù)學(xué)模型d= kh2，通過數(shù)學(xué)方法可以得出通過拋物線上的點(diǎn)（h0，d0）的切線方程為：d=2*k*h0*（h-d0）。

用數(shù)學(xué)方法同樣可以得出，在切線上距點(diǎn)（h0，d0）距離為L的待求點(diǎn)（h1，d1）的計(jì)算公式。

其中m為所求出的常數(shù)，m=2kh。

以上所求坐標(biāo)（h1 ，d1）即是索塔在受不均勻水平力作用在點(diǎn)（h0，d0）時(shí)，距作用點(diǎn)距離為L的待求點(diǎn)的坐標(biāo)（h為高程，d為索塔偏離值）。

4.3 塔梁同步施工模擬計(jì)算過程實(shí)例分析

武漢二七長江大橋的建設(shè)過程中為了縮短工期，主塔即是采用的塔梁同步施工技術(shù)。主塔施工時(shí)測得的實(shí)測數(shù)據(jù)如下：第6節(jié)頂（47.5 m處）位移2 mm；第16節(jié)頂（107.5 m處）位移19 mm；第25節(jié)頂（159.9 m處）位移46 mm；第26節(jié)頂（165.9 m處）位移50 mm；根據(jù)以上實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行第29節(jié)段塔柱模板定位計(jì)算（29節(jié)頂距26節(jié)頂距離為18 m）。以塔根部（13.5 m處）作為0位移位置。

根據(jù)方案公式計(jì)算k值。

1.7 301×10-6

2.15 029×10-6

2.14 623×10-6

2.15 278×10-6

2.01 485×10-6

165.9 m處拋物線切線斜率

2.04 485×10-6×152.4=6.2 327 028×10-4

計(jì)算29節(jié)模板頂面坐標(biāo)：

這樣就根據(jù)第26節(jié)模板頂面的預(yù)偏計(jì)算出第29節(jié)模板立模時(shí)需要的預(yù)偏量及高程。

5 結(jié)語

現(xiàn)代大型橋梁建設(shè)對(duì)測量的精度要求越來越高，該文討論了斜拉施工中的主要測量技術(shù)，在斜拉橋施工中對(duì)測量精度要求較高的施工部位的測量方法進(jìn)行了分析。實(shí)踐證明，對(duì)于測量難度較大，精度要求高的測量工作，采取合適的測量方法，可以有效地提高測量精度和效率，減少計(jì)算量，降低測量工作強(qiáng)度。

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