大跨度斜拉橋施工測量控制的探討

武文斌

（中交一公局廈門工程有限公司, 福建 廈門 361021）

1 工程概況

椒江二橋及接線工程是浙江省及臺州市公路“十一五”建設(shè)規(guī)劃中的區(qū)域干線公路75 省道改建跨越椒江的重要通道,是臺州市椒江區(qū)規(guī)劃建設(shè)的“三橋一隧”中的一座特大橋,也是連接頭門港、海門港、龍門港的重要集散疏遠(yuǎn)道路,椒江二橋總長約3702m，主橋布跨：70+140+480+140+70m，為雙塔斜拉橋，索塔總高152.76m。

2 測量控制原理

斜拉橋施工過程中，重點(diǎn)控制三種坐標(biāo)：一是塔柱塔座中心與塔頂中心的垂直度；二是索導(dǎo)管的平面位置和高程；三是鋼錨梁的定位；四是主梁中跨合攏縱橫向的精度控制。根據(jù)特大型橋梁施工技術(shù)規(guī)范及設(shè)計要求，主塔施工測量主要以保證塔柱、鋼錨梁、斜拉索預(yù)埋管等結(jié)構(gòu)的外形尺寸和空間位置正確。

斜拉橋施工控制測量根據(jù)施工進(jìn)度分階段實(shí)施。前期主要依據(jù)設(shè)計單位提供的首級控制點(diǎn)進(jìn)行施工測量控制點(diǎn)的加密工作，利用主塔周圍的控制點(diǎn)來完成；隨著塔柱的增高，用主塔周邊控制點(diǎn)進(jìn)行控制，仰角會隨之增大而不利于測量觀測，因此要進(jìn)行第二階段平面控制網(wǎng)的加密復(fù)測，用以提高定位精度。

平面控制網(wǎng)采用靜態(tài)模式，網(wǎng)型為環(huán)形網(wǎng)，按邊聯(lián)式擴(kuò)展聯(lián)測。在布設(shè)GPS 網(wǎng)時，適當(dāng)增加觀測期數(shù)可以有效提高GPS 網(wǎng)的可靠性；增加重復(fù)設(shè)站的次數(shù)，可以確保GPS 網(wǎng)的可靠性；在布設(shè)GPS 網(wǎng)時，點(diǎn)的可靠性與該點(diǎn)上所連接的基線數(shù)有關(guān)，連接數(shù)越多點(diǎn)的可靠性越高。

高程控制網(wǎng)采用三等水準(zhǔn)測量結(jié)合EDM 三角高程測量的方法進(jìn)行。主橋過江段兩岸河堤直線距離約2000 多米，直接一站跨越會嚴(yán)重影響測量精度。因此選擇在棧橋兩主塔位置各布設(shè)一個水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行EDM 三角高程測量，兩點(diǎn)距離約490m 左右。

高程測量采用對向觀測，用1"級高精度全站儀進(jìn)行觀測，同步對向觀測用以消除大氣垂直折光影響；選擇地形氣候相近的觀測點(diǎn)進(jìn)行建站觀測，最大限度地消除折光影響，使殘差值具有偶然性。

為提高觀測精度，避免作業(yè)環(huán)境影響降低觀測精度，宜選擇溫度氣候相對穩(wěn)定的時間段；提高觀測效率，減少作業(yè)時間。

以上公式中i 為儀器高，v 為棱鏡高，α 為豎直角，S 為斜距，C 為球氣差系數(shù)。同理：

考慮1≈2，A-B≈B-A高差中值的計算式為：

根據(jù)規(guī)范，兩測站對向觀測高差不符值：±24√S。

為了提高工作效率，減少錯誤概率，便于結(jié)構(gòu)物放樣，將主橋椒江獨(dú)立坐標(biāo)系通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、平移，轉(zhuǎn)化成以主橋軸線樁號遞增為X 軸方向，垂直橋軸線方向為Y 軸方向，高程遞增為Z 軸方向的施工獨(dú)立坐標(biāo)系；建立起明確的放樣坐標(biāo)與結(jié)構(gòu)物對應(yīng)樁號尺寸具有明確關(guān)系的坐標(biāo)系統(tǒng)，其坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化按下式進(jìn)行：

公式中α 為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，b 為平移參數(shù)。

定位放樣時盡量在天氣、溫度、風(fēng)力等條件影響較小的情況下進(jìn)行；同時嚴(yán)格按設(shè)計、監(jiān)控部門的要求，在主塔不同施工階段考慮基礎(chǔ)沉降、混凝土收縮、溫度應(yīng)力和風(fēng)力對主塔施工測量的精度影響，并及時進(jìn)行預(yù)設(shè)值的調(diào)整。

3 施工定位實(shí)施

根據(jù)設(shè)計圖紙和施工組織設(shè)計方案，將主塔按節(jié)段劃分，通過建立數(shù)學(xué)模型，利用行業(yè)內(nèi)成熟的數(shù)據(jù)處理軟件，計算主塔各階段的結(jié)構(gòu)物三維坐標(biāo)；鋼錨梁、斜拉索索導(dǎo)管的預(yù)埋和鋼箱梁的安裝定位等是測量控制階段難度最大、精度要求最高的部分。鋼錨梁、預(yù)埋管安裝定位采取以三維坐標(biāo)定位為主，以極坐標(biāo)法校核為輔的方法。

在主塔塔柱施工時同步施工相應(yīng)位置的鋼筋混凝土牛腿，并在鋼筋混凝土牛腿頂面預(yù)埋鋼板。鋼錨梁牛腿是鋼錨梁的支承結(jié)構(gòu)，鋼錨梁牛腿高程直接影響鋼錨梁的空間定位，要保證其施測精度，并嚴(yán)格按放樣結(jié)果進(jìn)行施工，保證施工精度，由于鋼錨梁的安裝空間狹小，鋼錨梁牛腿混凝土結(jié)構(gòu)外形尺寸必須精確，在施工時應(yīng)注意模板位置的精確性，且需加強(qiáng)支撐措施，防止內(nèi)模出現(xiàn)局部變形或位移[1-5]。

鋼錨梁的安裝與上塔柱的分段施工配合進(jìn)行，鋼錨梁在相應(yīng)節(jié)段塔柱混凝土工程施工完成后分節(jié)段吊入塔柱內(nèi)安裝，斜拉索張拉過程中鋼錨梁和鋼錨梁牛腿之間可以相對滑動；鋼錨梁牛腿高程直接關(guān)系鋼錨梁空間位置的準(zhǔn)確，在安裝鋼錨梁前需對牛腿頂表面進(jìn)行復(fù)測。

斜拉索預(yù)埋管定位采用三維極坐標(biāo)法，直接觀測預(yù)埋管進(jìn)、出塔壁位置的中心點(diǎn)，通過反復(fù)觀測調(diào)整中心點(diǎn)坐標(biāo)直至復(fù)核設(shè)計和規(guī)范要求。此方法操作簡單，施工速度較快，大大提高工作效率。

斜拉索預(yù)埋管安裝定位分兩次進(jìn)行。第一次進(jìn)行初步定位，根據(jù)預(yù)埋管設(shè)計坐標(biāo)，在勁性骨架上放出坐標(biāo)點(diǎn)，依據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)用水平尺、垂球、卷尺將預(yù)埋管初步安放好。第二次進(jìn)行精確定位，根據(jù)拉索錨固中心坐標(biāo)、預(yù)埋管斜率、預(yù)埋管實(shí)測長度，推算出預(yù)埋管上下口坐標(biāo)，用全站儀檢測初定位置并進(jìn)行調(diào)整，直至預(yù)埋管上下口三維坐標(biāo)都符合誤差≤5mm 后，將斜拉索預(yù)埋管采用型鋼焊接固定在勁性骨架上，再進(jìn)行一次復(fù)測，直至合格為準(zhǔn)。

隨著塔身逐漸升高，觀測視距也相應(yīng)的變大，觀測過程中受日照、氣溫及風(fēng)力等外界條件變化的影響也逐漸加大，索塔本身也處于一定幅度的擺動之中，索塔施工頂部會出現(xiàn)一定量的水平位移，在不同的觀測時段，位移量還會隨之變化，且這一變化隨著塔身升高而逐漸增大。因此，斜拉索預(yù)埋管施工測量時需選擇在相同或相近的氣溫條件下進(jìn)行。

4 外界環(huán)境對定位精度的影響分析

在施工測量定位過程中，一是結(jié)構(gòu)物本身容易受溫度影響熱脹冷縮，二是定位測量施測過程中受其影響，造成精度降低。塔、梁位移及纜索應(yīng)力受溫度變化影響，在施工過程中，對溫度場及溫度變化帶來的影響進(jìn)行周期性的持續(xù)觀測，根據(jù)溫度變化影響情況確定最佳施測作業(yè)時間，施工工序中控制階段的實(shí)際時間根據(jù)當(dāng)日的溫度狀況作出具體調(diào)整。溫度測量結(jié)合應(yīng)變測量進(jìn)行。主梁、索塔、拉索等構(gòu)件溫度場的測量采用模擬/數(shù)字混合式測溫傳感器進(jìn)行測試。溫度傳感器系統(tǒng)采用模擬/數(shù)字混合式半導(dǎo)體溫度傳感器系統(tǒng)，因鋼材容熱性差,其對溫度變化十分敏感,科學(xué)觀測關(guān)鍵施工工序及施工測量數(shù)據(jù)采集的時間，分析應(yīng)對減少溫度變化對施工控制精度的影響。

斜拉橋?qū)儆诔o定結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)受力比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的精確定位是橋梁力的傳遞能否按著設(shè)計意圖進(jìn)行的關(guān)鍵；如何預(yù)測溫度效應(yīng)給施工帶來的影響，首要是給定結(jié)構(gòu)溫度場的分布情況，大型橋梁溫度場分布很復(fù)雜，由于實(shí)際的溫度場并不是某種單一溫差引起的溫度場，而是不同溫差的有機(jī)組合，實(shí)際測試的標(biāo)高、索力的改變量也是基于這種情況。

對已施工節(jié)段各部位在不同溫度條件下進(jìn)行規(guī)律性觀測，用有限元方法分析觀測成果數(shù)據(jù)，計算其影響變化值，用多項式進(jìn)行擬合，得到的溫度修正值，指導(dǎo)后期施工，并做好復(fù)測記錄。

椒江二橋斜拉橋主跨480m，屬于大跨度橋梁，施工過程中，結(jié)構(gòu)自重、配重的平衡和線型的變化等會影響橋梁的穩(wěn)定性。該型橋的穩(wěn)定問題包含兩個方面：一為結(jié)構(gòu)自穩(wěn)，即靜力穩(wěn)定；二為動力穩(wěn)定，即風(fēng)和地震等的影響。結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定問題主要應(yīng)考慮最大雙懸臂、最大單懸臂等狀態(tài)下的穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)的不對稱性及施工荷載的隨機(jī)性很可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。動力穩(wěn)定問題，設(shè)計前應(yīng)建造相應(yīng)的模型，模擬現(xiàn)場環(huán)境條件，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗；施工階段，對結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行有限元分析。通過對應(yīng)力應(yīng)變測點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)測，在結(jié)構(gòu)計算分析過程中，仔細(xì)考慮各種荷載組合帶來的負(fù)面影響，是可以防患于未然的。

5 影響精度的解決途徑

根據(jù)影響精度的原因分析，在施工過程中不斷探討、提高及改進(jìn)，我部選擇在無風(fēng)或微風(fēng)的清晨進(jìn)行測量，由于夜間氣溫變化相對平緩，長時間的熱傳導(dǎo)后，構(gòu)件內(nèi)的溫度梯度相對較小,，溫度分布也較均勻；在日出前完成，施工測量，避免外界環(huán)境因素變化太大引起溫度梯度變大。

提高定位精度的有效方法之一是對結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行有目的性的監(jiān)測，對采集到的數(shù)據(jù)分類整理，通過不同數(shù)學(xué)方法和幾何模型進(jìn)行有效分析；施工階段實(shí)測得到的參數(shù)會和設(shè)計階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算時對應(yīng)的各參數(shù)不一致,因此通過對施工階段采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有目的性的分析,對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行識別與校正，可對特大型橋梁的后續(xù)施工提供安全技術(shù)保障，并能起到提前預(yù)測結(jié)構(gòu)物的變化趨勢。參數(shù)修正是特大型橋梁施工階段提高橋梁穩(wěn)定性的有效途徑。隨著工廠預(yù)制化生產(chǎn)水平的提高，其制作精度高，鋼箱梁在工廠內(nèi)完成生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)物實(shí)際參數(shù)與設(shè)計參數(shù)很接近；在施工現(xiàn)場，由于混凝土的收縮徐變系數(shù)、幾何尺寸及自重等會引起與設(shè)計不符,故需要對這些參數(shù)進(jìn)行采集、識別和修正。

6 后期施工檢查情況

椒江二橋于2011 年6 月1 日至2013 年6 月31 日止，從塔座至索導(dǎo)管預(yù)埋到全橋合攏，我部對每節(jié)段實(shí)體結(jié)構(gòu)物逐一進(jìn)行施工監(jiān)測檢查，累計共檢查了200 段成品，通過在索導(dǎo)管錨固端高程調(diào)整后對索導(dǎo)管出口高程與順橋向位置的預(yù)調(diào)，待全橋合攏，梁體變形穩(wěn)定后，索導(dǎo)管出口能基本上與設(shè)計位置吻合，有效保證了索導(dǎo)管的定位精度。其最大誤差僅為12mm，而且90%的索導(dǎo)管三維坐標(biāo)都能保證在±5mm 以內(nèi)，不僅完全滿足施工要求，而且從根本上控制了斜拉索的索面線形，為斜拉橋的施工質(zhì)量提供了可靠的保證。

7 結(jié)束語

斜拉橋的結(jié)構(gòu)特征是高次超靜定結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)柔性較大，是由主塔、梁和索組成的高次超靜定柔性結(jié)構(gòu)體系，施工過程與成橋狀態(tài)具有相關(guān)性，對成橋線形提出很高的要求，結(jié)構(gòu)物的任何一處坐標(biāo)位置的變化都會影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分配。為保證斜拉橋成橋線形符合圖紙和相關(guān)規(guī)范要求，從基礎(chǔ)、塔座、塔身一直到鋼箱梁成橋的全過程都要進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求的施工控制；其中結(jié)構(gòu)物各結(jié)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變測量的力學(xué)控制以及結(jié)構(gòu)物各結(jié)點(diǎn)的位置、線形控制尤為重要，如此才能保證斜拉橋成橋理想狀態(tài)。

由結(jié)構(gòu)物成品檢查情況可以得出，在施工中經(jīng)過反復(fù)論證，不斷改進(jìn)，掌握了施工要點(diǎn)，也積累了一定的施工經(jīng)驗，取得了良好的效果。我們將在以后施工過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗，強(qiáng)化質(zhì)量管理，爭取實(shí)現(xiàn)高精度定位，為以后高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量、高效率箱梁預(yù)制、架設(shè)施工積累了經(jīng)驗。