高速铁路尼尔森体系钢管混凝土提篮拱施工测量技术

施军

摘 要：总结了郑开城际铁路1-128m提篮拱施工中创新的测量计算和控制方法，提出的利用AutoCAD、midasCIVIL等软件精确计算提篮拱各个主要构件安装控制点坐标并结合实际预压观测结果进行修正，并采用高精度全站仪进行测量定位的方法，可以大大提高尼尔森吊杆体系钢管混凝土提篮拱构件安装精度，实现对钢结构安装质量的精确控制。对同类桥梁施工的测量工作提供了一种借鉴思路。

关键词：尼尔森体系 提篮拱桥 施工测量

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（a）-0054-02

高速铁路及城际铁路设计行车速度为200～350km/h，对桥梁等基础设施的受力和线形的要求很高[1]。相对于一般拱桥而言，尼尔森体系提篮拱桥结构更加稳定、纵横向刚度更大、动力性能更好、造型更加美观，而且由于该桥型桥面以下的结构高度低、跨度大，在跨越铁路、高速公路等必须确保桥下净空的情况下十分适用。但是，由于提篮拱桥拱肋向内倾斜以及斜向交叉的吊杆，增加了拱肋空间定位及施工的复杂性。提篮拱桥拱肋及吊杆的空间定位是否准确对整个结构受力的影响较大，而拱肋及吊杆空间坐标的计算和施工控制都相当复杂，影响因素也较多，比如系梁预应力张拉引起的纵向压缩的影响、拱肋竖向预拱度的影响、线路纵坡的影响以及安装温度的影响等，因此要确保桥梁的结构受力与设计要求更加接近，就必须严格控制拱肋和吊杆预埋件安装时的定位精确度。

1 工程概况

该提篮拱跨径为1～128m，含两端过渡段全长134.1m，线路位于500半径的右偏圆曲线及缓和曲线上，纵坡19.6‰，梁体平面按直线布置，线路中心与桥中心不平行。系梁设计为单箱三室预应力砼箱形截面，桥面箱宽19m、梁高2.5m。拱肋采用二次抛物线线型，计算跨径为128 m，矢跨比f/l=1/5，横截面结构为哑铃形钢管混凝土等截面布置，截面3.5 m高，钢管外径1.25 m，拱管之间用腹板连接，钢管及腹腔内填充C55无收缩混凝土。拱肋横桥向内倾9°，两拱肋之间共设五道横撑，拱顶处为X型撑，其它部位设4道K型撑。吊杆为尼尔森体系，拱肋平面内夹角52.39°～71.18°，横桥向水平夹角为81°。吊杆间距为8m，总计56根。

2 测量技术

2.1 技术要点

（1）拱脚正确预埋是确保拱肋安装线型的基础，由于本桥拱肋设计没有设置拱脚预埋段和相邻拱肋节段之间的嵌补段，拱脚预埋后无法调整误差，因此拱脚预埋必须非常精确。

（2）上下套管是否预埋准确时确保吊杆顺利安装、按照设计要求发挥作用的关键，必须确保上下套管的轴线在成桥状态下吻合。

（3）由于工期紧迫，如何快速、精确的定位拱肋是确保拱肋安装质量和进度的关键

2.2 测控点坐标计算

由于该拱桥的空间几何位置自成体系，内部对称，并且设计采用的也是以起拱点为原点、以系梁高度中分线为X轴的相对坐标系。该桥在空间位置上除了纵坡与铁路线路相同都是19.6‰以外，其它平面位置与线路中线没有对应关系，用常规的以线路中线为基准计算结构物坐标的平面坐标计算方法无法精确计算该桥拱脚预埋、拱肋安装和吊杆预埋件所需要的坐标。利用AutoCAD数形结合的功能可以以极高的精确度绘制空间几何体的三维模型，并且可以输出任意节点的精确坐标[2]。根据设计给出的相对坐标系各个部位的结合尺寸，在AutoCAD中建立提篮拱的整体模型，然后根据需要截取截面、输出所需的节点的坐标。设计图给出了拱桥内部的相对坐标系，拱轴线节点和每根吊杆上下两端中心点的相对坐标。可以利用上述数据计算出所需要的控制点相对坐标，再将相对坐标转换为大地坐标系的绝对坐标。

（1）首先绘制提篮拱整体三维模型，此时的模型是相对坐标系，模型绘制时已经考虑了整体的纵坡以及拱肋的设计预拱度。在此过程中还可以检查设计上是否存在预埋件和预应力筋是否有冲突。

（2）模型绘制完毕检查无误后将需要的测量控制点标出，然后三维模型用“平面摄影”命令输出包含控制点坐标的平面的二维图和包含控制点高程的立面二维图。最后将相对坐标二维图通过平移、旋转等操作转换为大地坐标系的二维图，即可按照施工放样的需求输出控制点的精确坐标和高程。

2.3 控制点坐标修正

（1）拱脚、吊杆下套管控制点主要修正因梁体纵向收缩引起的位移和由系梁设计预拱度和现浇支架下沉量迭加引起的高程变化。纵向位移量修正主要通过midascivil等有限元结构分析软件理论分析结果结合类似工程相关经验值求得[3]。

通过理论分析计算可知系梁纵向长度收缩量为0.03m，拱脚及吊杆下套管护筒纵向预偏的修正值按照该数值用内插法分配。

（2）拱肋分段控制点主要修正拱肋拼装支架的弹性变形、非弹性变形

拱肋坐标实际坐标与设计拱轴线的偏差主要由拱在工作状态下状态和非承载状态下的变形值（即拱肋设计预拱度）和拱肋拼装支架承载后的竖向压缩形成。由于在用CAD建模计算拱肋坐标时，已经考虑拱肋设计预拱度，所以只需要修正由于拱肋拼装支架立柱承受拱肋荷载后顶点的竖向位移即可。拱肋支架的竖向位移参照《铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程》，根据实际采用的支架结构计算[4-5]。

3 应用效果

3.1 拱脚定位

型钢框架的位置和高程通过提篮拱CAD模型模拟、计算、调整，避免和拱脚以及其他预埋件产生空间位置冲突，同时确保拱脚吊装到框架上即完成了粗定位，再用全站仪检核后微调完成了最终精确定位。同时，为了确保拱脚定位的快速、准确和稳固性，拱脚吊装前先安装型钢组合焊接的整体框架作为拱脚安装基座和定位辅助措施。

拱脚定位过程中，在理论坐标的基础上针对梁体纵向收缩、支架沉降量等变形因素采取了修正，并在混凝土浇筑过程中全程监控及时调整，系梁施工完毕后4个拱脚上口位置的高程、平面位置误差绝对值均小于5mm。

3.2 拱肋拼装

由于拱脚定位准确，为相邻拱肋节段的轴线控制提供了良好的基础，拱肋吊装定位过程顺利，仅用40 d就完成了全部拱肋节段吊装以及合拢，并且拱肋安装定位的所有偏差指标均小于施工规范规定偏差，满足设计要求。

3.3 系梁预埋吊杆套管定位

吊杆套管下端采用钢筋焊接支架定位，上端采用放样板辅助定位。精确调整到位后用粗钢筋点焊固定。

4 结语

通过1～128m提篮拱施工的实践检验，该文提出的利用AutoCAD、midasCIVIL等软件精确计算提篮拱各个主要构件安装控制点坐标并结合实际预压观测结果进行修正，并采用高精度全站仪进行测量定位的方法，可以大大提高尼尔森吊杆体系钢管混凝土提篮拱构件安装精度，实现对钢结构安装质量的精确控制。为今后同类工程的测量计算提供了一种较为可行的思路，为现场测量控制提供了一种简便、可靠的方法。

参考文献

[1] 钟轶峰.中（下）承式系杆拱桥有限元分析与施工监控[D].重庆：重庆大学，2006.

[2] 高军.武广铁路客运专线东湖提篮拱桥施工方案探讨[J].铁道建筑，2007（3）：13-14.

[3] 张明中.大跨度钢管混凝土拱桥施工过程仿真计算分析[D].武汉：武汉理工大学，2008.

[4] 钟善桐.钢管混凝土结构[M].第3版.北京：清华大学出版社，2003.

[5] 陈宝春.钢管混凝土设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2000.