大跨度内倾式钢箱拱桥拱肋定位测量控制技术

杨君良

（中交路桥华北工程有限公司,北京 101100）

1 工程概况

泗河大桥位于济宁市环湖大道东线工程,大桥全长830m,总宽度为34.5m,主桥为30+95+130+95+30=380m的中承式系杆拱桥,拱肋采用钢箱结构,主拱肋向内倾10°。主拱矢高38.078m,矢跨比1/3.4；次拱矢高26.401m,矢跨比1/3.6。整桥共计分为315 个节段,节段吊装重量大。（图1）

图1 泗河大桥主桥立面布置图（单位：m）

2 主桥施工坐标系统

主桥坐标原点位于主跨跨中,对应里程桩号K7+446.100。X 轴位于桥梁设计轴线上,以里程增加为正；Y 轴位于横桥向方向,垂直于X 轴,其正方向由路线左侧指向路线右侧；Z 轴为竖直方向,以向上为正,Z=0对应标高0.000m（1985 国家高程基准）,拱轴线所在平面与XOZ 平面夹角为10°。

3 施工测量控制网的建立

3.1 测量仪器的准备

工程配备了华测T7 双频GPS 接收机、徕卡TS16A'R500 全站仪、徕卡DNA03 电子水准仪,在使用前对仪器设备进行了周期检定,对附件进行了校准。

3.2 首级测量控制网的布设

泗河大桥施工测量控制网采取“分段分级”的原则建立。为了确保泗河大桥和相邻路线的精确衔接,在工程建设初期,沿着线路走向布设了一个全线总控制网,并结合实际和附近国家高级控制点进行了联系测量,总控制网包含了平面和高程控制网,其中G03、G04、G05、G06 为泗河大桥的首级控制点。

工程平面坐标系统为1980 西安坐标系统,高程系统采用1985 年国家高程基准,中央子午线117°00′00.000000″E,投影面高0m,按照C 级GPS 相对静态的方法进行控制测量,在测量方式上,首级控制点采用边连式、网连式相结合的方式。使用星历预报软件对测量时段内的星历PDOP 值和的轨道卫星数量进行了预报,并对仪器的采样率和截止高度角等进行了设置。在外业测量过程中提前规划了搬站顺序和交通路线。基线处理时采用平差软件自带的计算模型对电离层和对流层的影响进行了改正。（图2）

图2 主桥施工控制网平面布置图

3.3 主控制网的加密测量

为了提高测量放样的效率和观测精度,在主桥位置设置了DX0、DX01、DX02、DX03、DX04 五个导线点,其中DX01、DX02、DX03、DX04 分别位于主桥次拱跨中两侧,导线点结构类型为钢筋混凝土浇筑观测墩,内置强制对中螺栓。工程进场时河道内正在进行清淤作业,项目部充分利用这一时期,完成了施工便道和水中测量平台的填筑,测量平台顶高为37.0m。测量平台施作前先挖除淤泥层,再换填为透水性和水稳定性好的粒料材料,浇筑2.0m*2.0m*0.5m 的平台基础,再分节段浇筑直径为0.4m 的观测墩并高出平台顶面0.7m 左右。强制对中标志在观测墩最后30cm 浇筑时放置,先大致水平,待混凝土初凝时再利用全站仪和小棱镜精确放置水平,最终使测量标志钢板平面的高程误差控制在1mm 以内,保证了后期测量作业的精度。五个导线点平面控制网采用I 级附合导线,利用全圆测回法进行角度测量,以G05-G06为起始基线边,以G03-G04 作为终止基线边,网平差采用严密平差。

3.4 工程坐标系和桥梁坐标系平面坐标的转换

本工程平面坐标系是采用高斯- 克吕格投影方法建立的,以该测区中央子午线和赤道的交点为原点,中央子午线正向北方向为X 轴,赤道正向东方向为Y 轴的平面直角坐标系。而泗河大桥主桥坐标原点位于主跨跨中,对应里程桩号K7+446.100,X 轴位于桥梁设计轴线上,正方向以里程号增加为正；Y 轴位于横桥向方向并垂直于X 轴,其正方向由路线左侧指向路线右侧。平面坐标系的转换方法在施工中有两种转换方式：一种是桥梁坐标系转换为工程测量坐标,这样在节段安装测量时必须把误差实时转换成桥梁坐标系中的差值,比较繁琐。第二种是将测量控制点的坐标转换为桥梁坐标系中的坐标,这样在测量工作中可以减少测量放样点坐标计算工作量,也利于现场工人进行桥梁节段平面和高程的安装调试。因为整个泗河大桥和测量控制点均处在曲线要素表中最后一个直线段上,所以用本项目已经编制好的线路测量计算软件计算控制点对应的桩号和偏距,用桩号减桥梁坐标系中原点的桩号7446.1,就可以计算出各个控制点在桥梁坐标系中的坐标。

3.5 高程控制网测量

泗河大桥要求的安装精度较高,为了确保成桥后主体结构的线形达到设计理想的线形,高程控制点的布置采用与平面测量控制网同桩布置的方式,使用DNA03 型电子水准仪从G05 到G03 进行了二等水准高程的往返测量。其中以稳固的G05 和G03 作为桥梁施工监测和运营前期的永久高程起算点。为防止控制点的沉降移位,定期每三个月对测量控制网进行一次复测,以便满足工程施工中测量放样以及节段安装监控测量的精度要求。

4 拱肋节段的安装定位测量和线形的监控测量

4.1 拱座预埋承压板的测量控制

拱座直接承受来自拱肋的压力,拱座的施工质量尤其是承压板的施工质量直接影响拱肋节段的施工质量和安装精度。泗河大桥在主拱及次拱支撑点处设置8 个支撑拱座,拱座之间设置系梁。承压板预埋安装时采用外部手拉葫芦加内部钢支撑上的千斤顶调整。先提前计算好预埋承压板四个角点的设计坐标,纵横轴线坐标。用全站仪架设在观测墩上放样出承压板的纵横轴线、吊装承压板,检查承压板的十字轴线和四个角点的坐标,用手拉葫芦和拱座内预埋的刚性支撑上的千斤顶调整其平面位置和高程,直至符合设计要求。混凝土浇筑前再次对承压板进行复核测量。拱座混凝土浇筑完毕后,及时进行成品的测量,在其表面用全站仪放样出第一拱肋节段截面尾端的纵横轴线,以作为第一节段的安装控制点。

4.2 拱肋节段测量定位控制

泗河大桥主桥拱肋为中承式提篮拱桥,拱轴线所在平面与XOZ 平面夹角为10°,本桥拱肋截面和自重均较大,钢箱拱肋的就位、测量、调整、固定、焊接等施工环节多而细致,假如安装精度不够就可能会影响下一节段的施工。而且施工时间段受到阳光和温度的影响,导致连续施工时间有限,测量标志点坐标计算十分困难,所以拱肋的节段的定位是整个泗河大桥控制中的难点。现以主拱拱肋节段为例来说明节段安装的控制要点。在钢箱拱肋的每个节段的首尾两个截面上做上如图3 所示的测量标记点,每个截面做6 个测量标记,测量标记点离节段端口100mm,中间的标记点在顶板或底板的中心位置,两侧的标记点离腹板外侧100mm 且对于中间标记点对称布置。为了保证安装时的精度,安装一般在早上太阳出来之前,或者阴天温度稳定的时间段内进行。

图3 主拱肋ZN1 节段测量标志点位置图

在安装第一节拱肋时,将徕卡小棱镜立在顶板或底板的测量标记点上,把全站仪安置在观测墩上测量其实际坐标,并与计算的设计坐标进行对比,可以得出在桥梁坐标系中的偏差值,根据偏差值对第一节钢箱拱肋节段进行调整；第二个钢箱节段安装前先在第一节段前端焊接临时马板且留有一定间隙,把第二节节段的尾部节段安放进马板内即可完成尾部的粗定位,再用全站仪测量并配合支架上的千斤顶进行第二个节段的精确定位。以后的节段均采用这种方法安装直至合拢段。在拱顶合拢前,分别在早晨和中午（12:30-14:30）,对拱顶挠度进行精确测量并找出温差变化较大时挠度变化的极限值,为拱肋合拢节段的安装提供监控数据。

4.3 测量标志点坐标计算

在拱轴线平面内根据拱轴线的方程求出其方程的导数,利用其导数方程计算该截面与平面XOY 之间的夹角。再将该截面沿着拱轴线两个拱脚之间的连线旋转10°,利用拱轴线坐标和该旋转截面在X0Y、YOZ、XOZ三个平面内的投影几何关系和坐标正算原理即可求出测量标志点的坐标。现以主拱拱肋ZN1 右侧拱肋节段前端测量标志点所在的截面为例来计算拱肋六个测量标志点的坐标：已知①号点到③号点的距离为L=1.84m,顶板表面到底板表面距离为H=3.01m,两拱脚处高程均为33.872m,截面处拱轴线的桥梁坐标X 为-57.655,利用Excel 表格的函数功能即可批量计算任意X 处截面的测量标志点的三维坐标。主拱轴线函数方程Z=-38.078/65^2*X^2+38.078,求出主拱轴线导数方程Z'=-2*38.078/65^2*X（-65≤X≤65）。

利用EXCEL 表格来批量计算各节段的坐标：A1 单元格输入测量标志点间的宽度L：1.840,B1 单元格输入高度H：3.010,C1 单元格输入拱脚高程：33.872,D1 单元格输入截面拱轴线处的X 值：-57.655,E1 单元格输入函数Z 的公式：=-38.078/65/65*D5*D5+38.078,F1 单元格输入导数公式：=-2*38.078/65/65*D5,G1 单元格输入导数的反正切三角函数arctan（Z′）公式：=ATAN(F5),H1单元格输入H 在坐标系X 方向的投影变形后数值公式：=B5*COS (G5),I1 单元格输入顶板三个测量标志点的X坐标计算公式：=D5-B5/2*SIN(G5),J1 单元格输入底板三个测量标志点的X 坐标计算公式：=D5+B5/2*SIN(G5),K1 单 元 格 输 入：=7446.1+D5,L1 单 元 格 输 入：=12.5-E5*SIN (10/180*PI ()),M1 单 元 格 输 入：=E5*COS(10/180*PI())+C5,N1 单元格输入：=7446.1+I5,O1 单元格输入：=R5+A5/2*SIN (260/180*PI ()),P1 单元格输入：=S5+A5/2*COS(260/180*PI()),Q1 单元格输入：=I5,R1 单元格输入：=L5+H5/2*SIN(350/180*PI()),S1 单元格输入：=M5+H5/2*COS(350/180*PI()),T1 单元格输入：=I5,U1 单元格输入：=R5+A5/2*SIN(80/180*PI()),V1 单元格输入：=S5+A5/2*COS(80/180*PI()),W1 单元格输入：=J5,X1 单元格输入：=AA5+A5/2*SIN (260/180*PI ()),Y1 单元格输入：=AB5+A5/2*COS(260/180*PI()),Z1 单元格输入：=J5,AA1 单元格输入：=L5+H5/2*SIN(170/180*PI()),AB1 单元格输入：=M5+H5/2*COS(170/180*PI()),AC1 单元格输入：=J5,AD1 单元格输入：=AA5+A5/2*SIN(80/180*PI()),AE1单元格输入：=AB5+A5/2*COS(80/180*PI())。至此从N1 到AE1 依次计算出主拱ZN1 节段右侧拱肋前端测量标志点①～⑥的设计坐标。这里计算的坐标是成桥后设计坐标,在实际测量放样时,还应根据监控单位给出的监控数据与设计坐标进行叠加得到安装过程中测量放样需要的施工坐标。

4.4 拱肋安装的监控量测

拱肋节段要按设计和施工技术规范的要求进行控制,在制造过程中对桥梁的三维线形控制要求高,现场安装吻合难度较大。在制造前综合考虑桥面线形的起拱度、横坡度、焊接收缩、钢构件制作及安装精度等因素,及时与监控单位根据吊装方案提出架设时的线型参数,保证测量放样的准确性。采用合理的方法,用“施工→监测→判断→修正→预告→施工”的循环过程进行不断的参数修正,使最终成桥状态线形和应力达到理想状态。

桥梁安装施工中的误差主要有：a.设计参数的误差；b.施工工艺的误差；c.施工测量监测的误差；d.结构分析计算模型的误差。其中施工测量监控的测量误差主要与测量仪器本身的精度（包括对中整平）、测量观测方法、数据采集方法、周围环境等有关。为了减小测量误差,项目设置了强制对中观测墩,选择高精度的测量仪器进行节段安装和监控量测,保证了其线形控制的精确性。在拱肋节段安装定位前先计算测量标志点的设计坐标,监控单位在节段安装前提交预抛高控制指令表,由监理单位签发并交施工单位执行,在各施工阶段完成后,施工单位将监控单位需要的相关数据回馈给监理单位签认后交监控单位,以便决定下一施工工序的控制指令。中跨、次边跨拱圈拱肋监控点设置在两侧拱脚、1/4 跨径拱肋、拱顶、3/4 跨径拱肋处,边跨拱圈拱肋监控点设置在拱脚及拱顶处。施工监控测量在每天气温稳定,日照影响不大的时间段内进行,并尽量减少温度变化和施工震动等不利因素的影响。采用在在观测墩架设全站仪加测量反射片的方式进行全桥拱肋监控点的观测,每条拱肋线形要进行平行独立测量。在测量过程中,要在每个工序施工的前后对所有的测量监控点进行精确测量,也要对因为温度变化和阳光照射等因素引起的挠度进行测量。在施工到一定阶段后,将进行拱肋和主纵梁标高通测和联测,在桥梁体系转换前后及合龙前后进行通测,每个施工阶段安装完成后均要结合理论值及实时动态监测数据对主纵梁线形和拱肋线形进行评估分析并计算下节段坐标预调值。

5 结论

泗河大桥为中承式提篮钢箱拱桥,主桥上部结构为自平衡结构体系,施工技术难度高、工序复杂、安装过程繁琐,节段安装测量精度和线形监控测量精度要求高。结合在宽滩浅水环境下设立高精度测量观测墩及全过程的监控量测手段,最终实现了拱肋线形的精确控制。