东平水道钢桁梁大桥测量控制.doc

广州东平水道钢桁梁大桥测量控制技术曹剑辉 摘要：在广州东平桥钢梁架设的过程中，通过对悬臂拼装各桁的结构尺寸以及节间钢梁各测点处的高程和平面位置的精密测量，获得准确的测量数据，从而制定相应的施工手段，使钢梁架设的施工误差得到有效地控制和调整，以达到钢梁架设顺利合拢和成桥后的线形与设计预期相符合的目的。关键词：钢桁梁；钢梁架设；测量控制；极坐标法；三角高程测量； 1、前言东平水道钢桁梁大桥（以下简称东平桥）位于佛山水道与平洲水道交汇口附近，附近河道最狭窄处水面宽160米。东平水道属国家级航道，百年一遇水位3.69m，最高通航水位3.42m，线路与水流交角67，通航净高18m.主桥采用连续钢桁拱结构，孔跨为（99+242+99）m，支座中心至梁端1m，主桥全长442m。钢桁拱节间长度11米，边跨9个节间，中跨22个节间，边跨与中跨之比为0.409；边跨平行弦桁高14米，拱顶桁高9米，加劲弦高20米，拱肋采用二次抛物线，下拱圈矢跨比1/4，最大吊杆长度40.5m；横桥向采用三片主桁，桁间距214.0m。桥面为道碴桥面、四线铁路，其中两线为客运专线，线间距5.0m，另外两线为广茂线，线间距4.6m，客运专线与广茂线之间线间距9.2m。主桁采用整体节点，弦杆、拱肋、吊杆均采用箱形截面，腹杆多采用H形截面。图1 东平桥总体布置图东平桥钢梁主要采用悬臂拼装的方式进行架设，根据东平桥钢梁设计要求，无论是对悬臂拼装各桁的结构尺寸的测量，还是对节间钢梁各测点的高程和平面位置的测量，其测量精度都要达到2mm以上，属精密工程测量所要求的量级。如何对悬臂拼装各桁的结构尺寸的测量和节间钢梁各测点的高程和平面位置的数据采集达到设计要求的目标精度，是东平桥钢梁架测量控制的关键任务。2、钢梁架设方法及步骤钢桁拱边跨辅以临时墩的悬臂施工方法，中跨采用吊索塔架辅助悬臂安装、跨中合拢的施工方法。钢梁安装架设的主要施工步骤（1）、先进行钢梁架设所需各项大临设施的施工，含预拼场各个组成部分、临时支墩、跨墩门吊等等；（2）、在295#墩（298#墩）处安装支座（临时固定），利用跨线门吊架设边跨78个节间钢梁；（3）、在钢梁上弦拼装55t架梁爬行吊机；（4）、利用55t爬行吊机半伸臂拼装剩余边跨钢梁直至主墩墩顶；（5）、安装296#墩（297#墩）支座，将钢梁架设至296#墩（297#墩），在支座顶上进行抄垫但不起顶；（6）、继续悬拼钢梁过296#墩（297#墩）2个节间，待加劲弦闭合且高栓终拧后，进行顶落梁（即高程调整）和横移作业，将295#（298#）墩上的临时固定支座均释放为活动支座。296#墩顶正式支座为活动支座，在悬臂拼装时也应临时锁定为固定支座，待中跨合拢后再释放。297#墩顶正式支座为固定支座，不进行变换；（7）、继续悬拼钢梁，同时拼装吊索塔架、拆除临时支墩；（8）、当钢梁伸出296#（297#）墩5个节间（即55米）后，必须对边跨E0-E3节点33米范围内进行逐步压重和边墩顶钢梁的锚固；同时，在钢梁伸出296#（297#）墩8个节间（即88米）后，挂设并张拉设在A14节点的塔架扣索，然后继续架设钢梁；（9）、当钢梁武汉侧悬拼121米，广州侧悬拼110米后，进行中跨不对称合拢；（10）、中跨合拢完成后，进行体系转换，调整各支点标高至设计位置；（11）、对吊索进行卸载并拆除塔架；（12）、半回转架梁吊机退回至两侧边跨适当位置拆除；（13）、钢梁架设完成后，整体纵横移钢梁调整支座位置，使其固定支座位置对位正确后压浆，然后调整活动支座位置，定位后压浆；（14）、浇筑道碴槽板； （15）、安装桥面系栏杆及其他附属设施。3、钢梁架设的控制测量3.1、坐标转换在东平桥施工测量中平面坐标系统采用54坐标系统。为了方便施工放样，在此基础上建立了大桥独立坐标系，即以桥轴线里程增大方向为X轴的正方向，与X轴垂直向右为Y轴正方向即上游方向。在本段内X值即为里程值，换算公式如下： X=X0+（X-a）*COSA+（Y-b ）*SINA Y=Y0-（X-a）*SINA +（Y-b ）* COSA其中：X、Y为大桥独立坐标；X、Y为54坐标；3.2、平面控制网的布置 大型的钢桁梁大桥一般都是跨江河或者特大水道，为了使控制网图形具有足够的强度且力求图形简单，东平桥在河两岸侧布设了（DQ1、DQ2、DQ3、DQ4）四个强制归心观测墩作为钢梁架设的测量控制点，其中DQ1、DQ2位于北岸钢梁两侧上下游，DQ3、DQ4位于南岸钢梁两侧上下游。整个钢梁架设过程中这两组控制点间相互通视条件良好，为架设钢梁提供了有利的测量控制条件。采用观测墩强制对中装置大大减少了仪器的对中误差，使得钢梁架设时测得的桥轴线长度的精度能满足施工要求。 控制点布设如下图2所示。图2 东平桥控制网布设图3.3、极坐标法提高精度的主要措施对钢梁架设的测量控制采用的主要测量方法是全站仪极坐标法。极坐标法的主要误差来源于测角精度mp0。而影响测角精度的主要因素有仪器对中、目标照准、大气折光等影响，仅仅按全站仪的标称精度来衡量测角精度是不全面的。对于钢梁架设高精度要求的测量控制技术标准，为了减少仪器对中误差，采用了有强制归心装置的强制归心墩。从提高测量精度的角度来考虑，测量时选择与所测方向的夹角小的已知点为后视方向，且后视方向的边长不宜过短，否则影响较为显著。外部环境是影响测角精度的重要因素，测量时注意选择良好的大气条件和观测时段。在可供选择的控制点较多时，优先选择已知点和已知方向，使视线避开旁折光的影响。此外，已知点和待定点的高差不宜太大，否则会影响极坐标测量精度。3.4、高程控制测量对钢梁架设的竖向测量控制与平面测量控制有着同样高的精度要求。高精度跨河高程传递是高程控制测量的关键环节，东平桥跨河水准测量精度要求不低于二等水准的技术标准。要达到跨河水准测量高精度要求的技术标准，外界环境影响较为显著（大气折光，大气能见度等），采用普通的水准测量方法难以满足技术要求,因此要制定有效的方法才能达到高精度测量控制的目标要求。3.4.1高精度三角高程测量全站仪技术的日臻完善为高精度三角高程测量的实现创造了条件。大量的实践证明，如果采取适当措施，三角高程测量的精度可以达到二等水准甚至一等水准的技术标准。此外，三角高程测量具有方法简便灵活、作业速度快、效率高、受地形条件影响较少等特点，经济指标优于几何水准测量，特别是对于一些几何水准测量难以实施的测量内容，如高塔柱、跨越宽阔水面的高程测量等，优越性更加明显。目前，影响三角高程测量精度的主要因素仍是大气折光和远距离的照准精度误差。因此，如何减小上述误差，对于钢梁架设测量控制具有十分重要的意义。3.4.1.1基于自动目标识别技术的高精度三角高程测量同步对向和中间法高程测量能较好地消除大气折光的影响，但远距离照准精度问题受多种因素的制约一直未能得到很好的解决。全自动全站仪的出现为这一问题的解决提供了硬件基础。自动目标识别是新一代全自动全站仪的基本功能，克服了人眼观测的诸多缺陷，作业快速稳定，确保仪器只需要较少的测回数即可达到标称精度，避免了人为粗差的出现，由此获得精确照准的测量值。此外，其夜间观测的优越性极为明显，不仅提高了观测时段的利用率，降低了环境要求，而且更为稳定。目前该技术可确保仪器实际测角精度在1000m内达到标称值。3.4.1.2大气折光误差和大气折光差K的处理经过适宜方案的布置、一些有效观测措施的实施及良好的天气选择后，对于近地大气折光的影响，有效的解决方法之一是采用严格的同步对向观测，在两测站地形地貌相似的情况下将折光影响基本消除，并使其残差具备偶然性。此外对向观测还可大幅削弱垂线偏差的影响，使该项误差在地形起伏不大的地区（垂线偏差变化均匀）或距离较短时可以忽略。由大气折光系数周日变化特点可知，上午和下午大气折光K值的变化呈现相反的趋势，可根据大气折射率变化特性和测区环境条件等因素，有目的地选择使K较小的观测时段进行测量，从而获得较好的成果。实际观测时观测时段选择原则仍以气象条件稳定为佳，应尽量选择在大气透明度较好时作业。阴天有微风的观测条件较好，夜间最为稳定。 3.4.1.3观测方法传统的四边形观测方法虽然可实现同步对向观测，但不具备平差条件（无多余观测）。为此，对一个跨越四边形的观测方法如下：（1） 两套棱镜分别架设在DQ2、DQ4点，并测定好各棱镜高度；（2） 两台全自动全站仪分别架设于DQ1、DQ3点进行轴系误差及自动照准校测；（3） 两岸仪器同步测量，DQ1以DQ2为后视、DQ4为前视测量DQ2DQ4的高差，DQ3以DQ4为后视、DQ2为前视测量DQ4DQ2的高差，由此完成DQ2DQ4测线的测量；（4） 反过来架设仪器于DQ2、DQ4完成DQ1DQ3测线的测量；采用中间观测法架设仪器于两点之间完成DQ1DQ2、DQ3DQ4测线的测量（此时前、后视可使同一根棱镜杆，以消除棱镜高量测误差）。4、钢梁架设过程中的测量控制技术4.1、钢尺精密量距的测量技术 钢尺量距用一般方法只能达到1/10001/5000的精度。为了使量距结果的精度能提高一个数量级，达到1/100001/30000，必须注意减弱测量过程各项误差的影响。用于量距的钢尺必须送具有计量认证的检验机构进行长度检定，求出尺长改正数，并在观测结果中进行此项改正。此外，钢尺检定时的温度与实际量距时的温度不一致，为了减弱温度变化对量距结果的影响，应在观测结果中引入温度改正。钢尺是在标准拉力下进行检定的，为了减弱拉力误差，量距时应用弹簧秤来衡量对钢尺施加的拉力，使其与钢尺检定时的拉力一致2。丈量时为了减弱倾斜误差的影响，在量距之前，必须清理沿线场地，将测线上的障碍物清除，钢尺应紧贴弦杆量测平面进行丈量，丈量时尺身要水平，以保证丈量的距离为两点间的水平距离，若测段两端存在高差时，要对观测结果进行倾斜改正。钢尺丈量时钢尺两端测量人员动作配合要齐，使两边拉力要准且稳，对点与读数要及时、准确。本次对钢梁结构尺寸的丈量采用50m的检定钢尺，由于丈量距离均小于钢尺尺长，不必分段丈量，只要测线畅通，可通过增加丈量次数来提高测量精度。实际测段丈量时,按4测回往返丈量，总丈量次数不少于8次，且每次变换钢尺始端的位置，在钢尺用拉力器拉到标准拉力后，采用钢尺始终两端同时读数，始终两端读数之差即为所量数据。每测段所得的测段长之差，一般不超过2mm，否则，应重测。若每次丈量的距离之差均小于2mm,则取其平均值作为最后的测量结果。4.2、钢梁架设的线形控制东平桥钢梁是由许多的单桁杆件和桥面板用高强度螺栓拼接起来的，所以测量过程就更加复杂。首先,我们得在待拼装的各桁杆件上将节点中心分出来。由于节点中位于杆件中间，无法直接测设，所以我们将节点中投影到杆件面板上，并将各节点的空间三维坐标计算出来。如图3所示. 图3 下弦观测点布设图对于杆件E0-E1，我们实际上是通过对下弦节点投影中的定位来控制下弦节点位置。东平桥是左、中、右三桁杆件拼接而成，且左右桁距中桁距离皆为14米。首先，我们通过徕卡2003高精度全站仪控制中桁杆件节点的平面位置，再用DNA03高精度水准仪控制其标高。在绝对标高达到精度要求后控制单根杆件的两侧相对标高。相对标高的控制应该在杆件两侧设置两个标高控制点，然后调整到水平状态，再细调绝对标高。在中桁杆件定位完成后，我们再用鉴定过的50m长钢尺将两侧杆件平面位置进行粗定位。随后，依照中桁杆件标高定位方法对左右两桁杆件进行精确定位。三桁杆件皆粗定位完成后，我们用徕卡2003高精度全站仪再对各节点位置进行复核。在各节点位置精度满足要求的情况下，进行桥面板的拼装。桥面板拼装完毕，接着拼装E1-E2节间（方法同E0-E1）。当下弦杆件（E0-E1-E2）拼装完成后，将进行直腹杆的拼装，期间我们要注意下各杆件垂直度。垂直度观测时，可将经纬仪置于上个节段节点位置附近，然后对直腹杆的两条垂直边进行垂直度观测，最后取二者观测的平均值对其进行调整。等到上弦杆拼装的时候我们就要将中桁上弦杆进行精确定位，以保证垂直度方面达到标称要求。由于杆件间最大拼接误差只有2mm，所以上弦杆标高基本上是依据下弦标高利用鉴定钢尺进行传递的（必要时用倒挂钢尺的方法进行标高调整）。故我们只要对其横向精确定位即可。同理，将各上弦节点投影到上弦面板上进行定位。步骤跟下弦杆件定位一样。先将中桁杆件定位，再用鉴定过的长钢尺将两侧上弦定位。随后，进行上弦与上弦之间的平联拼装。最后，拼装完毕使用徕卡2003全站仪对其上下弦节点进行最后复核。 图4 上弦观测点位布置 依次类推，对后面各桁杆件进行定位。 图5 边跨各节点位置直到第七节间开始加劲弦安装。 图6 加劲弦观测点位布置从第七节间开始先安装加劲弦，安装步骤和方法步骤同下弦安装一样。安装完加劲弦，接着安装下弦，最后安装上弦。值得一提的是由于从第七节间开始属于悬空安装，且上弦A节点由于高度的不断加大使得其不与下弦节点标高同步，所以需进行三角高程测量。从第九节间开始加劲弦方向改为朝上，其定位方法应同上弦A节点定位方法一致。到11节间，监控单位将参与钢梁线形控制，每架设一个节间需将上三个节间各桁控制点三维坐标反馈给监控单位，监控单位经过严密分析计算给出预架节间各桁的预抛高值。又由于11节间后属于悬拼，各种因素对钢梁架设的影响较大。所以，测量控制应该将时间尽量控制在早上6点以前和晚上12点以后，等钢梁温度和周围大气温度平衡后再进行测量控制，还要避免大风等恶劣天气。14节间后将要进行拉索塔架的安装。等塔架安装完毕，需在两岸塔架上设置变形观测点。以后每架设一个节间都要对塔架进行变形观测。并及时将形变数据上报给监控单位，以指导期间的塔架索力张拉及调索工作，确保钢梁安全架设。最后，钢量架设到20节间开始准备合拢工作。合拢前需进行48小时不间断变形观测，合拢变形观测点设置在最后一个节间。分别在三桁相邻上下弦、加劲弦节点中上设置固定棱镜共计18个。每隔一个小时对各变形观测点进行一次观测，并记录下当次的观测时间和温度气压，以保证数据的精确性。最后将48小时观测数据进行分析对比计算出最佳合拢时间，确保钢梁合拢顺利完成。合拢采用顶推法施工，在顶推过程中要对两岸支座位置进行监控，以及上下弦、加劲弦的间距、高差进行不间断时时观测，并及时将监测数据上报监控小组以指导钢梁顺利合拢。5、精度分析5.1钢尺量距的精度 距离丈量的精度以相对误差表示:两点间往返测距离加上尺长改正、温度改正、倾斜改正后分别为：D往改=D往测+D尺长+D往温+D往倾D返改=D返测+D尺长+D返温+D返倾则往返测距离的精度（最弱测段是悬臂拼装上弦中桁纵向长）为： 设计测量精度要达到2mm以上,最大测段距离为28.000m,则允许误差为2/28000=1/14000,由以上分析可知,KK允,