雙飛翼復(fù)式鋼箱拱橋測(cè)量技術(shù)研究

韋永昌 朱其操 王凱

摘要：文章以烏蘭木倫河3號(hào)橋?yàn)槔榻B了國(guó)內(nèi)首座、亞洲最大跨徑雙飛翼復(fù)式鋼箱拱橋的加工制造及高空吊裝測(cè)量方法，并對(duì)體系轉(zhuǎn)換中的拱肋變形進(jìn)行測(cè)量分析。鋼箱拱的測(cè)量工藝包括胎架放樣、拱肋加工復(fù)核、吊桿錨管定位等。吊裝測(cè)量的要點(diǎn)包括導(dǎo)線水準(zhǔn)控制網(wǎng)布設(shè)、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、曲面拱肋定位點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算、拱肋吊裝測(cè)量控制等。該測(cè)量方法可推廣用于其他類型的橋梁施工中，為同類工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞：雙飛翼;加工制作;高空吊裝;測(cè)量方法

中圖分類號(hào)：U448.22⁺3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.005

文章編號(hào)：1673-4874（2021）01-0016-05

0引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、交通事業(yè)的飛速發(fā)展，各類城市景觀大橋?qū)映霾桓F且形式多樣[1-2]。各式景觀橋?yàn)檫_(dá)到美觀及藝術(shù)效果，呈現(xiàn)了各種造型，給測(cè)量帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，雙飛翼復(fù)式鋼箱拱橋型是其代表性橋梁之一[3-4]。

烏蘭木倫河3號(hào)橋?yàn)閲?guó)內(nèi)首座特大跨徑的雙飛翼復(fù)式鋼箱拱橋，拱肋節(jié)段采用曲形制作工藝，主拱為曲線等截面對(duì)稱設(shè)計(jì)，副拱為直線變截面、直線等截面、曲線等截面三種截面形式結(jié)合且不對(duì)稱設(shè)計(jì)。拱肋各斷面不在同一樁號(hào)，旋轉(zhuǎn)角度不同，空間坐標(biāo)計(jì)算難度大。主拱和副拱的吊桿錨點(diǎn)設(shè)計(jì)是長(zhǎng)為0.8～2.07m不等的錨管，尤其主副拱吊桿的上下錨點(diǎn)均為錨管，錨管加工定位精度要求非常高。

雙飛翼復(fù)式鋼箱拱橋的加工制造及高空吊裝對(duì)測(cè)量技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，高精度的測(cè)量技術(shù)是雙飛翼復(fù)式鋼箱拱橋上構(gòu)順利施工的前提保障，為此，針對(duì)烏蘭木倫河3號(hào)橋開展了雙飛翼復(fù)式鋼箱拱橋測(cè)量技術(shù)研究。

1工程概況

主拱結(jié)構(gòu)為飛翼式鋼箱拱，跨度為200m，向道路中心線外傾17°;面內(nèi)矢高為75m，矢跨比約為1/2.6;面外矢高為70m，矢跨比約為1/2.7。兩主拱之間不設(shè)連系梁，主拱和主梁間亦不相連。主拱采用等高度拱肋，截面高4.0m，寬3.0m。

副拱結(jié)構(gòu)為內(nèi)傾式鋼箱拱，兩側(cè)副拱分別放于南北側(cè)岸上，根據(jù)所在位置不同，分為西側(cè)副拱和東側(cè)副拱。兩側(cè)副拱跨度分別為326m及330m。副拱均向道路中心線內(nèi)傾45°;副拱面內(nèi)矢高為35m，矢跨比約為1/9.3;面外矢高為24.7m，矢跨比約為1/13.1。兩副拱之間在與主拱距離較近的地方分別設(shè)置3對(duì)吊桿與主拱相連。副拱采用等高度和變截面高度相結(jié)合的拱肋，截面標(biāo)準(zhǔn)段尺寸高寬均為2.0m，變截面段尺寸為高2.0～3.0m，寬2.0～3.0m。

2加工制造測(cè)量技術(shù)

鋼箱拱加工制造前，要提前做好曲面拱肋的計(jì)算，便于復(fù)核拱肋制造線形。根據(jù)拱肋加工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，編制加工制造測(cè)量方案，進(jìn)行實(shí)地拱肋胎架測(cè)量放樣及制作、拱肋及錨管加工、拱肋線形測(cè)量復(fù)核和錨管角度復(fù)核[5]。

2.1曲面拱肋計(jì)算

設(shè)計(jì)圖紙中拱的軸線平面內(nèi)視圖設(shè)計(jì)坐標(biāo)系如圖1所示，主拱拱腳軸線中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸以沿拱軸線前進(jìn)方向水平線為正，Y軸以豎直向上為正。

主拱采用等高度拱肋，拱軸線采用2.1次拋物線，面內(nèi)方程為：

（1）

式中：0≤X≤5m、187m≤X≤192m范圍內(nèi)為混凝土拱座;5m≤X≤187m范圍內(nèi)為鋼結(jié)構(gòu)段;S0及S0'為鋼混結(jié)構(gòu)段。

以左側(cè)主拱為例，進(jìn)行拱肋坐標(biāo)計(jì)算。根據(jù)面內(nèi)方程利用Excel表格輔助計(jì)算，面內(nèi)方程分別取X=0、0.2、0.4、0.6、…、191.4、191.6、191.8、192，進(jìn)行Y值計(jì)算。

將（Y/X）坐標(biāo)值導(dǎo)入CAD，擬合得到左側(cè)主拱2.1次拋物線的拱軸線，如圖2所示。

根據(jù)拱肋節(jié)段控制點(diǎn)D0、D1、D2、…、D12、D13、D12'、…、D2'、D1、D0'的位置畫出拱肋寬為4m的直線，再使用CAD三維立體制圖，以過(guò)拱肋節(jié)段控制點(diǎn)的水平線不變分別上下拉伸L1=L2=1.5m，以D0截面為例，如圖3所示。

利用此方法，即可得到左側(cè)主拱拱肋每個(gè)節(jié)段截面的空間三維圖，如圖4所示。

CAD三維立體制圖輸入面域拉伸（EXTRUDE）命令，選中D0截面，輸入途徑（P）命令，選中主拱2.1次拋物線的拱軸線，得到主拱左側(cè)拱肋圖，如圖5所示。

利用此方法，即可得到所有的拱肋加工制造線形圖。

2.2胎架控制測(cè)量

根據(jù)拱肋加工場(chǎng)地實(shí)際尺寸，將拱肋拆分幾部分進(jìn)行拼接制造。以主拱為例，主拱胎架及拱肋加工如圖6所示，S0至S6為第1組;SO'至S6'為第2組;S7至S13為第3組;S7'至S12'為第4組。

建立拱肋加工坐標(biāo)系，以左側(cè)胎架邊線中點(diǎn)為O點(diǎn)，水平方向右側(cè)為X軸的正方向，豎直向上為Y軸的正方向。選擇場(chǎng)地適當(dāng)位置作為拱肋加工過(guò)程中全站儀觀測(cè)點(diǎn)，如圖6的A點(diǎn)，再取適當(dāng)位置作為全站儀的后視點(diǎn)，如圖6的B、C兩點(diǎn)。使用全站儀坐標(biāo)放樣法，將胎架的位置放樣出來(lái)，以此進(jìn)行拱肋胎架的加工制造。

2.3拱肋加工測(cè)量

根據(jù)圖6所示的拱肋加工坐標(biāo)系，使用道路之星軟件對(duì)4組拱肋加工線形進(jìn)行計(jì)算程序編制，并將計(jì)算程序傳輸?shù)娇ㄎ鳉W986O計(jì)算器。

拱肋加工放樣時(shí)，使用卡西歐9860計(jì)算器選擇需要放樣的一組拱肋計(jì)算程序，輸入相應(yīng)的X值即可計(jì)算得到其相應(yīng)的Y值。使用全站儀坐標(biāo)放樣法，輸入（X，Y）坐標(biāo)放樣即可。因拱肋曲率較大，X值采用每間隔0.5m放一個(gè)點(diǎn)加工拱肋線形，即每組拱肋放樣X取值為X_n+1=X_n+0.5，相應(yīng)地計(jì)算得到Y(jié)值。

拱肋加工完成后，架設(shè)全站儀對(duì)拱肋坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)測(cè)檢驗(yàn)。

2.4錨管加工測(cè)量

拱肋的錨管加工定位難度大，錨管定位的精準(zhǔn)度直接影響到后期吊桿安裝的準(zhǔn)確性，需要嚴(yán)格測(cè)量把控，精密控制錨管位置和定位角度。

錨管加工測(cè)量控制步驟如下：

（1）如圖7所示，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算拱肋錨管開孔位置L0坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換成拱肋加工施工坐標(biāo)，使用全站儀坐標(biāo)放樣法放樣L0位置，在L0處按設(shè)計(jì)大小開孔。

（2）粗略安裝錨管，將錨管穿過(guò)錨孔，根據(jù)錨管伸出長(zhǎng)度，定位錨管在L0的位置，根據(jù)錨管角度大致方向進(jìn)行錨管臨時(shí)固定。

（3）隨后精準(zhǔn)安裝錨管，用全站儀測(cè)量P1、P2、P3、P4四點(diǎn)，確定曲面P1、P4位置。

（4）根據(jù)設(shè)計(jì)錨管軸線L1、L2與曲面P1、P2、P3、P4的角度位置關(guān)系，使用全站儀將L1、L2兩點(diǎn)精確放樣，從L1處引線至L2，丈量錨管管壁至錨管軸線L1、L2的尺寸調(diào)整錨管的角度，當(dāng)丈量各個(gè)方向的尺寸均等于錨管半徑時(shí)，則錨管角度已調(diào)好。

（5）復(fù)測(cè)P1、P2、P3、P4四點(diǎn)和錨管兩端中心點(diǎn)的坐標(biāo)，檢驗(yàn)錨管是否準(zhǔn)確安裝。

（6）錨管精確定位好后，先臨時(shí)固定，防止人為或機(jī)械材料移動(dòng)碰撞導(dǎo)致錨管產(chǎn)生偏位，然后再焊接固定。

3高空吊裝測(cè)量技術(shù)

3.1水準(zhǔn)控制網(wǎng)布設(shè)

本橋南北岸、上下游各布設(shè)1個(gè)控制點(diǎn)，分別為D1、D2、D3、D4。為滿足測(cè)量需要，在南北岸橋臺(tái)左右兩側(cè)的人行道上加密4個(gè)控制點(diǎn)，分別為d1、d2、d3、d4（見圖8）。

3.2拱座坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

以主拱為例，如圖9所示，P1左幅主拱拱座設(shè)計(jì)坐標(biāo)定位點(diǎn)為1～1O，需先將拱座設(shè)計(jì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)，再將施工坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)，方可用于測(cè)量施工。

設(shè)計(jì)圖紙中主拱座設(shè)計(jì)坐標(biāo)系如圖10所示，P1主拱座坐標(biāo)以P1承臺(tái)頂面中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸以沿道路前進(jìn)方向水平線為正，即X軸為里程方向，Y軸以沿道路前進(jìn)方向左側(cè)水平線為正，即Y為橫橋方向，Z軸豎直向上為正，即Z為標(biāo)高方向。

P1承臺(tái)頂面中心點(diǎn)施工坐標(biāo)為（K0+419，0，1281.145），即里程為K0+419、距離道路中心線為0、標(biāo)高為1281.145，與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系中原點(diǎn)（0，0，0）相對(duì)應(yīng)。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙《直線、曲線及轉(zhuǎn)角一覽表》，將平面設(shè)計(jì)線計(jì)算程序編輯輸入道路之星軟件，由計(jì)算程序?qū)⑹┕ぷ鴺?biāo)轉(zhuǎn)換成西安80坐標(biāo)（絕對(duì)坐標(biāo)系），即完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

利用此方法，計(jì)算出另外3個(gè)主拱座和4個(gè)副拱座的施工坐標(biāo)和西安80坐標(biāo)。

3.3拱肋坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

以主拱為例，需先將拱肋設(shè)計(jì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)，再將施工坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)，方可用于測(cè)量施工。

主拱左側(cè)拱肋空間方程為：

（2）

（3）

式中：X取值范圍為：0≤X≤192m。右側(cè)拱肋沿道路中心線對(duì)稱布置即可。

計(jì)算步驟同“2.1曲面拱肋計(jì)算”方法，根據(jù)拱肋空間方程分別取X=0、0.5、1、1.5、2、…、191、191.5、192，加密計(jì)算得Y、Z值，進(jìn)而得到相應(yīng)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)，用“3.2拱座坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換”中的方法轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，得到西安80坐標(biāo)系的坐標(biāo)（X，Y，Z），再使用CAD三維立體制圖，輸入三維多線段（3dpoly）命令，把計(jì)算好的（X，Y，Z）坐標(biāo)以多段線的形式導(dǎo)入CAD中，得到主拱左側(cè)拱肋軸線曲線三維空間位置圖。

利用此方法，分別畫出絕對(duì)坐標(biāo)系下的主拱右側(cè)拱肋、副拱左側(cè)拱肋和副拱右側(cè)拱肋軸線曲線，如圖11所示。

利用CAD三維制圖對(duì)齊（align）命令，把“2.1曲面拱肋計(jì)算”的設(shè)計(jì)坐標(biāo)系中的拱肋加工制造線形圖移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)至圖11絕對(duì)坐標(biāo)系中的拱肋軸線曲線上，得到所有的拱肋設(shè)計(jì)實(shí)際拱肋空間圖。

根據(jù)圖10讀取每個(gè)拱肋節(jié)段相應(yīng)的控制點(diǎn)坐標(biāo)即可得到實(shí)際測(cè)量放樣的西安80坐標(biāo)。

利用此方法，可計(jì)算出其他拱肋節(jié)段控制點(diǎn)坐標(biāo)。

3.4拱肋吊裝測(cè)量

以主拱拱肋吊裝為例，吊裝測(cè)量步驟如下：

（1）在超高矩陣支架頂上鋪設(shè)施工平臺(tái)，使用全站儀坐標(biāo)放樣法，如圖12所示，把拱肋前進(jìn)方向端的左、右、下的三個(gè)角點(diǎn)（D、E、F三點(diǎn)）投影位置（A、B、C三點(diǎn)）粗略放樣到平臺(tái)上。

（2）拱肋吊裝時(shí)，先水平移動(dòng)拱肋調(diào)整，使D、E、F三點(diǎn)投影剛好落在A、B、C三點(diǎn)正上方，在D、E、F三點(diǎn)分別掛鉛垂線，看鉛垂線是否準(zhǔn)確落在之前精確放樣的A、B、C三點(diǎn)上，以驗(yàn)證拱肋D、E、F三點(diǎn)平面位置是否準(zhǔn)確。

（3）然后升降調(diào)整拱肋的鋼絲繩，沿鉛垂線丈量AD、BE、CF高度，當(dāng)量得的AD、BE、CF尺寸分別等于拱肋截面D、E、F三點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)標(biāo)高與其投影位置A、B、C三點(diǎn)實(shí)測(cè)標(biāo)高之差，則拱肋達(dá)到設(shè)計(jì)位置。

（4）為保證拱肋吊裝準(zhǔn)確性，按以上方法使拱肋達(dá)到設(shè)計(jì)位置后，分別在拱肋節(jié)段截面的D、E、F、G四點(diǎn)人工手立小棱鏡，用全站儀觀測(cè)這四個(gè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)，對(duì)比這四個(gè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)與拱肋節(jié)段截面的四個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)，當(dāng)實(shí)測(cè)坐標(biāo)誤差值在設(shè)計(jì)規(guī)范允許范圍內(nèi)，則驗(yàn)證拱肋已準(zhǔn)確吊裝。

4體系轉(zhuǎn)換測(cè)量技術(shù)

吊裝完成后，逐步進(jìn)行吊桿安裝、吊桿張拉和體系轉(zhuǎn)換。

以主拱為例，吊桿索布置如下頁(yè)圖13所示。主拱一主梁吊桿張拉順序由兩邊向中間張拉，即先張拉LZ01（RZ01）和LZ16（RZ16），最后張拉LZ08（RZ08）和

LZ9（RZ9）。主拱體系轉(zhuǎn)換則是由中間向兩邊轉(zhuǎn)換，即先拆除S13（S13'）節(jié)段的楔形塊支撐，最后拆除S1（S1'）節(jié)段的楔形塊支撐。

根據(jù)監(jiān)控單位提供的體系轉(zhuǎn)換理論的《主拱變形位移量》進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，徠卡TS60全站儀每0.5h測(cè)一次監(jiān)測(cè)小棱鏡，實(shí)時(shí)匯報(bào)體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中的變形情況。

每節(jié)拱肋的實(shí)際監(jiān)測(cè)變形位移量均符合要求，下面選取主拱S5節(jié)段（見圖14）和拱頂S13節(jié)段（見圖5）體系轉(zhuǎn)換過(guò)程的實(shí)際監(jiān)測(cè)變形位移量展示，對(duì)每節(jié)拱肋的實(shí)際監(jiān)測(cè)變形位移量進(jìn)行綜合分析，結(jié)論如下：

（1）主拱體系轉(zhuǎn)換全過(guò)程順橋方向變形位移量基本不變，豎直方向變形位移量變化較小，橫橋方向變形位移量變化較大。

（2）主拱吊桿張拉過(guò)程，受索力和溫度影響，橫橋方向變形位移量變化異常變大，但是停止張拉后又恢復(fù)至原來(lái)位置。

（3）主拱吊桿張拉結(jié)束后，僅受溫度影響，橫橋方向變形位移量?jī)H是吊桿張拉過(guò)程時(shí)的1/3，當(dāng)溫度恢復(fù)常溫時(shí)，橫橋方向變形位移量又恢復(fù)至原來(lái)位置。

（4）從主拱體系轉(zhuǎn)換開始到全拱1/4處（即S7節(jié)段和S7'節(jié)段），主拱變形位移量未出現(xiàn)監(jiān)控單位提供的理論主拱變形位移量情況，其變形位移量?jī)H受溫度影響，屬正常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化量。

（5）當(dāng)體系轉(zhuǎn)換至全拱1/4處（即S7節(jié)段和S7'節(jié)段）時(shí)，主拱變形位移量產(chǎn)生驟變情況，其變形位移量數(shù)值達(dá)到監(jiān)控單位提供的理論主拱變形位移量。

（6）當(dāng)體系轉(zhuǎn)換過(guò)了全拱1/4處（即S7節(jié)段和S7'節(jié)段）后，主拱變形位移量?jī)H受溫度影響而產(chǎn)生的變化量，無(wú)異常變化，屬正常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化量。

（7）體系轉(zhuǎn)換結(jié)束后，也進(jìn)行了連續(xù)數(shù)天的監(jiān)測(cè)，主拱變形位移量已趨于穩(wěn)定，僅受溫度影響產(chǎn)生微小變化，當(dāng)溫度恢復(fù)至常溫，拱肋變形位移量也恢復(fù)至原來(lái)位置。

5結(jié)語(yǔ)

本文以烏蘭木倫河3號(hào)橋?yàn)槔?，?duì)雙飛翼復(fù)式鋼箱拱橋測(cè)量技術(shù)開展研究，其成果重點(diǎn)體現(xiàn)在鋼箱拱加工制造、高空吊裝及體系轉(zhuǎn)換三個(gè)方面。

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中拱肋軸線坐標(biāo)建立拱肋節(jié)段截面空間三維圖形，進(jìn)而得到拱肋加工制造線形圖，用于完成曲面拱肋計(jì)算;根據(jù)拱肋加工坐標(biāo)系，使用道路之星軟件對(duì)拱肋加工線形進(jìn)行計(jì)算程序編制，并將計(jì)算程序傳輸?shù)娇ㄎ鳉W9860計(jì)算器，用于拱肋加工制造測(cè)量;將設(shè)計(jì)坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成施工坐標(biāo)，再轉(zhuǎn)換成西安80坐標(biāo)系，用于實(shí)際測(cè)量放樣;根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算錨管與拱肋的位置、角度關(guān)系，新建拱肋加工制造坐標(biāo)系，用于錨管定位放樣。

（2）布設(shè)高級(jí)控制網(wǎng)，完成拱肋坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，放樣拱肋吊裝定位點(diǎn)于支架平臺(tái)，調(diào)整拱肋位置、角度和標(biāo)高，拱肋就位后進(jìn)行二次測(cè)量復(fù)核，復(fù)核無(wú)誤后進(jìn)行拱肋固定，完成拱肋吊裝。

（3）對(duì)體系轉(zhuǎn)換全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)體系轉(zhuǎn)換的理論拱肋變形與實(shí)際變形進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)拱肋變形規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。

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