羅文大橋拱肋吊裝線形控制與測量技術

黃海勇 林用祥

（中鐵二局第五工程有限公司 四川成都 610091）

羅文大橋拱肋吊裝線形控制與測量技術

黃海勇 林用祥

（中鐵二局第五工程有限公司 四川成都 610091）

羅文大橋造型新穎，施工難度較大，其中鋼箱拱的吊裝測量定位是其難點之一。本文通過介紹羅文大橋鋼箱拱肋的吊裝的工程實例，闡述了系桿拱橋拱肋吊裝測量定位及線形控制的相關測量技術，對系桿拱橋拱肋吊裝有一定參考意義。

羅文大橋；鋼箱拱吊裝；線形控制；測量技術

前言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對橋梁的安全、跨度、美觀等方面都提出了更高的要求。系桿拱橋因其承載力大、跨度大、造型美觀等優(yōu)點越來越受到人們的青睞。在系桿拱橋施工中拱的線形控制是其關鍵技術之一。根據(jù)測量控制測量原理及橋梁技術規(guī)范要求，運用不量儀高測三角高程、坐標轉換建立獨立的三維坐標系統(tǒng)、三維坐標法等測量技術，可以快速、準確的達到控制拱肋線形的目的，且滿足精度要求。

1 工程概況

1.1 主橋整體布置

羅文大橋北起羅文大道與石埠路的相交路口，南接五一路延長線與羅文大道延長線路口，路線全長1408.522m，其中主橋長460m，寬41.5m，采用[50m+2×180m+50m]海鷗式拱橋；主拱肋由三角剛架混凝土拱肋段和主跨鋼箱拱肋段組成，東西分別有兩條拱肋（全橋共四條拱肋），分別位于各自的豎直平面內，橋面上拱肋間沒有任何橫向聯(lián)系。主橋總體效果圖如圖1。

圖1 羅文大橋主橋總體效果圖

1.2 拱肋線形設計

拱肋由鋼箱拱肋段和混凝土拱肋段組成，拱軸線是由矢高為52m，跨徑180m的二次拋物線形成的。拱軸線坐標按下式計算：

拱肋截面徑向高度由X=31.25m時的3.96m，到拱頂?shù)?.7為鋼拱肋段；拱肋截面徑向高度按二次拋物線進行變化。拱肋截面徑向高度按下式計算：m

拱軸線的理論計算原點是拱座對稱中心線上高程為68.3m點，示意圖如圖2。

圖2 拱肋線性控制坐標示意圖

2 拱肋線形分析

由于拱軸線是一虛擬線，不能用來直接定位拱肋，現(xiàn)場測量定位點主要是拱肋的上緣和下緣，因此，需要對拱軸線性進行分析，使其能計算任意拱肋截面上的上緣和下緣坐標，以便現(xiàn)場進行定位安裝。

拱軸線與上緣及下緣的關系圖如圖3。

圖3 拱軸線與上下緣關系示意圖

在圖3中：P點為任意截面拱軸的中心點，EF為水平方向線，AB為拱軸線上的點P點對應的切線。

根據(jù)圖3中的關系，由拱軸線方程求導可得其切線方程為：

由圖3可得拱肋上緣和下緣的坐標計算式為：

將已知參數(shù)代入公式（2）（3）（4）（5）中可得任意截面拱肋上下緣坐標的計算公式：

為方便在現(xiàn)場進行計算，可將公式（6）（7）（8）（9）編入卡西歐fx-5800P計算器，能快速準確的計算出任意截面拱肋的上下緣坐標。經(jīng)與設計坐標驗證，利用卡西歐fx-5800P計算器計算出的結果與設計誤差極小，可忽略不計。

3 測量控制網(wǎng)的建立及坐標轉換

3.1 測量控制網(wǎng)的建立

羅文大橋工程統(tǒng)一采用1954年北京坐標系和1956年黃海高程系。

羅文大橋采用“纜索吊機原位吊裝、斜拉扣掛”施工方案，對測量控制的精度要求很高，因此建立一個能夠滿足施工控制精度要求的橋梁測量控制網(wǎng)尤為重要。開工前，經(jīng)理部在區(qū)勘測院所給控制網(wǎng)的基礎上，又委托中鐵二局股份有限公司測量隊對羅文大橋控制網(wǎng)進行了加密及復測。通過復測成果顯示，控制網(wǎng)的精度非常高，完全能滿足現(xiàn)場施工的需要。

測量組將在使用橋梁控制點位的過程中定期對各控制點位之間的幾何關系，邊長及相對高差進行復核，確認點位無誤，無位移方可使用。

3.2 坐標轉換

為準確、快速地計算出拱肋上任意點的坐標并與設計坐標比較，指導現(xiàn)場拱肋調整，結合現(xiàn)場實際情況需要，擬將羅文大橋的平面控制坐標（54北京坐標）轉換到與橋軸線統(tǒng)一的獨立坐標系中，再進行放樣。

橋軸線獨立坐標系以羅文大橋工程起點坐標（2525818.7323，521567.6250）作為原點O（0，0），以橋軸線為X軸（順橋向為正），橋軸線法線為Y軸（順橋軸線左負右正）。兩坐標系間的轉換可以將54北京坐標系以O為中心逆時針旋轉一定角度即可轉換到橋軸線獨立坐標系中。兩坐標系轉換示意圖（圖4）。

圖4 兩坐標系轉換示意圖

圖4中O-XY為54北京坐標系，O-X＇Y＇為橋軸線獨立坐標系，逆時針旋轉角為α。

參考數(shù)學平面直角坐標系轉軸公式原理可推導出工程平面直角坐標系的轉軸公式：

式中：△x、△y——待求點坐標減坐標原點坐標（54北京坐標）；

通過公式（10）可以計算任意坐標在橋軸線獨立坐標系中對應的相對坐標，且橋軸線獨立坐標X、Y坐標分別對應羅文大橋的里程、偏距。在現(xiàn)場實際操作中，將公式（10）編入卡西歐fx-5800P計算器中，能快速計算出所需數(shù)據(jù)，可以大大提高鋼拱肋的調整效率，降低錯誤的概率。

4 鋼箱拱吊裝過程中的測量控制

4.1 鋼箱拱吊裝測量控制要點

（1）拱肋平面位置即拱軸線的控制；

（2）拱肋標高的控制；

（3）拱腳、鋼帽、塔架及已調拱肋節(jié)段的定期觀測。

其中拱肋的平面位置及標高控制是重點，須嚴格按照《工程測量規(guī)范》（GB50026-2007）及《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTGTF-50-2011）相關要求。項目部要求鋼箱拱平面安裝偏差≤10mm，高程安裝偏差≤±10mm。

4.2 拱肋平面位置及高程的控制

為保證拱肋加工及安裝精度，鋼拱肋在出廠前要進行整體預拼，預拼的精度高低是確保拱肋線形正確的最有力措施。

拱肋安裝測量控制總體思路為：拱肋初步就位后利用前方交會粗調，之后利用廠家預拼的點位和無腳架小棱鏡實測拱肋三維坐標進行精調，直至調整到規(guī)范允許誤差范圍內。鋼拱肋安裝測量控制流程如下；

起吊→前方交會初步定位→測量控制點三維坐標→根據(jù)監(jiān)控指令精調→安裝、張拉扣索→松主索→復測→焊接→復測→準備下一節(jié)段安裝。

在拱肋調整的過程中，特別是工況變化時要加強拱腳、鋼帽、塔架及已調拱肋節(jié)段的觀測，在確保安全準確的情況下才能指導現(xiàn)場的下一工序施工。

4.3 拱肋測量控制精度的保障措施

4.3.1 不量儀器高、棱鏡高測三角高程

圖5 不量儀高測三角高程示意圖

如圖5中，為測B點的高程，在P控制點架設儀器，在A點安置棱鏡，測得PA間距離S1與垂直角a1，從而計算出P點處全站儀的視線高程為：

其中V為棱鏡高。

然后將棱鏡不改變其棱高架設到B點，同樣測得PB間距離S2和垂直角a2，得出P點處全站儀的視線高程為：

將（11）（12）合并可得Hp=HA+V-h1=HB+V-h2，消掉棱鏡高V可得：

從（13）式中看出，待測點B點的高程計算時已不存在全站儀儀器高與棱鏡高，從而避免了因量取儀高所產(chǎn)生的人為誤差，提高了高程的測量精度。但此方法的使用過程中要保證使用同一棱鏡且不能改變其棱鏡高。

4.3.2 安裝中預拱度、溫度、氣壓等修正

鋼拱肋在吊裝過程中，外界溫度、氣壓、風力、濕度等會對測量結果產(chǎn)生影響，因此需時刻觀測上述指標，根據(jù)變化調整全站儀中的各參數(shù)。

溫度的修正包括兩個方面：①全站儀中溫度的設置及系數(shù)修正；②監(jiān)控單位對每節(jié)拱肋都提供了標高均勻修正系數(shù)（基準溫度為20℃），在現(xiàn)場調整過程中需將溫度引起的標高變化進行均勻溫度修正。鋼拱肋的調校應避免日照溫差的影響，宜選擇溫度穩(wěn)定時進行。

4.3.3 坐標轉換后，提高效率，降低錯誤概率

將廠家預拼點位的就位三維坐標轉換到橋軸線獨立坐標系中后，能在現(xiàn)場快速、準確的給出拱肋調整的具體偏差數(shù)據(jù)，大大縮短了拱肋定位的時間，并能降低錯誤概率。以往的常規(guī)做法是直接用大地坐標進行放樣，不僅數(shù)據(jù)處理復雜、費時，而且由于橋軸線與大地坐標往往存在夾角，造成調校方向與橋軸線方向不統(tǒng)一，會加大現(xiàn)場拱肋調校的難度。

經(jīng)過實踐表明，建立獨立坐標系，轉換坐標后進行一些空間構造物測量定位的方法不僅僅可以用于拱肋的調校，對于梁、空間曲線拱肋、空間曲線梁等的調校都非常適用，只是要針對構造物的不同線形而全面、綜合考慮，設計相應的獨立坐標系統(tǒng)。

4.3.4 拱肋合攏段合攏前72h連續(xù)觀測

由于鋼絞線、鋼拱等材料受溫度變化會產(chǎn)生一定的徐變，能否掌握其中的變化規(guī)律并提前加以修正是拱肋能否精確合攏的關鍵。為此，在拱肋合攏前對合攏口進行頻率為每2h一次的72h（3d）連續(xù)觀測，通過采集現(xiàn)場實際測量數(shù)據(jù)，以取得鋼拱肋合攏口長度隨溫度變化的相關規(guī)律，指導合攏段的切配及精確安裝。

觀測采用鋼尺和全站儀測量兩種方法，以前者為主，全站儀數(shù)據(jù)供參考。鋼尺需檢定合格且測量數(shù)據(jù)需進行修正。為方便合攏段的切割，觀測點選擇拱肋四個角點，下游頂角、上游頂角、下游底角、上游底角分別編號A、B、C、D。圖6是根據(jù)P10～P11間上游拱肋合攏前的24h（1d）觀測數(shù)據(jù)繪制的鋼拱隨溫度變化的趨勢圖（如圖6）。

圖6 P10～P11上游拱肋合攏前拱肋隨溫度變化趨勢圖

根據(jù)設計及施工方案要求，拱肋合攏需在溫度穩(wěn)定時進行，宜選擇在夜間溫度為20℃左右。通過72h觀測數(shù)據(jù)可知，夜間22：00～2：00間溫度適宜且穩(wěn)定，合攏口長度變化較小，適合拱肋合攏?？煽俊蚀_的測量數(shù)據(jù)和科學的施工組織方案，保證了全橋四個鋼拱均一次性合攏成功。

5 鋼拱肋合攏

全橋四個拱肋全部合攏后，在合適的溫度（20℃）下對合攏段三維坐標進行復測，并與設計坐標進行比較，得出差值，如表1。

從表1中數(shù)據(jù)分析可知，鋼拱肋合攏后的三維坐標誤差均在設計誤差以內，符合設計要求。

6 結語

（1）不量儀器高、棱鏡高測三角高程在本工程的運用是成功的，避免了因量取儀高所產(chǎn)生的人為誤差，提高了高程的測量精度。

（2）建立適合本工程的獨立三維坐標系統(tǒng)，所測三維坐標數(shù)據(jù)能直接反映出拱肋的空間位置關系，使測量數(shù)據(jù)清晰，計算、分析簡單，現(xiàn)場拱肋調節(jié)準確、高效。

（3）拱肋合攏前對合攏口進行72h（3d）連續(xù)觀測，采集了大量可靠、準確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，從而掌握了拱肋隨外界條件變化的規(guī)律，為拱肋一次性成功合攏提供了理論數(shù)據(jù)保障。

表1 羅文大橋拱肋合攏三維坐標復測表

[1]《工程測量規(guī)范》（GB50026-2007）[S].

[2]《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTG/TF50-2011）[S].

[3]張仰燖，等.不量儀器高、棱鏡高的三角高程測量[J].測繪通報，2002.

[4]張延壽.鐵路測量[M].成都：西南交通大學出版社，1995.

U442

A

1673-0038（2015）35-0330-04

2015-7-20

黃海勇（1989-），男，助理工程師，本科，主要從事橋梁工程施工技術方面的工作。

林用祥（1972-），男，高級工程師，本科，主要從事橋梁工程方面的工作。