（大地测量学与测量工程专业论文）预应力混凝土桥梁施工测控技术研究及应用.pdf

摘要 摘要 随着科技的进步和桥梁建设事业的发展，各种技术先进的桥梁工程纷纷涌现。预应 力混凝土桥梁具有整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能好、桥型漫计较成熟等 优点，是目前桥梁建设技术的重要发展方向。大型桥梁工程的兴建，对测控手段、测控 精度以及数据处理方法等方面提出了更高的要求。 本文结合苏通大桥旋工测量实例，对桥梁施工控制网数据处理问题、桥梁基础施工 测量技术、短线法节段预制和箱梁拼装的测控技术进行研究分析，主要内容如下： 1 根据桥梁重要部位的最高施工测量精度，推导出首级施工控制网点位必要精度， 对大桥施工控制网平差处理中投影带、投影面及中央子午线的合理选择进行分析。 2 分析了跨江高程传递的方法及精度，结合苏通大桥跨江精密高程传递，对定权方 法进行研究，分别用胁砌e 一方差分量估计法和偶然中误差比值法，分析跨江高程传递 中权的合理确定问题。 3 讨论了加密控制点常用的各种布设方法和精度，结合实例对全站仪法和g p s 法 加密控制点的精度进行对比。介绍打桩船的工作原理，讨论了g 路肿x 放样中坐标转 换参数的求解，对g 路册k 放样精度进行分析，并与全站仪实测结果比较。 4 根据钢护筒圆周上的测点坐标，研究了附参数的条件平差法计算护筒中心，实验 并分析了护筒上测点位置选择对精度的影响。研究了大型钢吊箱沉放定位过程中的测量 控制方法与定位检测方法，并对定位检测精度进行了分析。 5 阐述了长线法和短线法箱梁预制方法，研究了短线法箱梁预制节段的形态测控方 法，包括预制场局部坐标系的建立、箱粱控制节点的坐标转换、预制节段的测控方法、 节段预拱度控制等，编制了预制节段形态测控的数据处理和分析程序，并进行了实际应 用和分析。 6 研究了箱梁在墩顶悬拼的形态测控方法和精度，编制了箱梁拼装形态测控数据处 理和分析程序，并进行了实际应用和分析。 关键词：桥梁控制测量施工测量g p r z k 技术钢护筒短线法 预制拼装形态测控线形控制 a b 吼r a 乱 a b s t r a c t w i f ht h ep r o g r e s so ft e c h n o l o g ya n dt h ed e v e 】o p m e n to fb r i d g ec o n s i r l i c t i o n ，t h e r em u s h r o o m e da w h o l ev a r i e t yo fs 1 一a d v a n c e d b r i d g ep r o j e c t s b e i n g 甜r b u t e dt ot h ea d v a n t a g e so fe x c e i l e n ti n t e g r a l e d q u a l i t y ，n r mc o n 矗g u r a t i o nr i g i d i t y ，j i n l ed i s t o r t i o n ，a s e j s m a l i cc a p a b i l j t ya n ds o p h j s t i c a t e dd e s g n ，t h es k 川 o fp r e s t f e s s e dc o n c r e t eb r i d g ed o m i n a t e si nt h e6 e l do fb d g ec o n s t r u c t i o n t h ed e m a n df o rm e a s u r i n g m e t h o da n da c c u r a c xd a t a - p r o c e s s i n gm e t h o d ，e t c i sb e c o m i n gh i g h e rw i t ht h er a p i dc o n s 订u c t i o no fh u g e b r i d g ep r o j e c t s i na c c o r d a n c ew i t ht h en e l de x p e r i m e n to fs u t o n gb r i d g eb a s ec o n s i r u c t i o n ，t h i sa r t i c l es t u d i e sa n d a 1 1 a l y z e st h ed a t ap m c e s s i n gp r o b l e mo f b r i d g ec o n 蛐m c t l o nc o n t m ln e t w o r k ，t h ec o n s t n l c t i o nm e a s u r e m e n t s k i l lo ft h eb r i d g ef b u n d a t i o na n dt 1 1 em e a s u r e m e n tc o n t m lt e c h n 0 1 0 9 yo fs h o nl i n e p r e c a s t e da n d f h b r i c a s t e df b rt 1 1 er o o f b e a m s t h em a i nr e s e a r c hn n d i n 笆sa r ea sf b l l o w s ： 1 t h en e c e s s a i ya c c u r a c yo ft h ep r i m a r yc o n s t r u c t i o nn e t 、v o r kp o i n tp o s j t i o nj sd e d u c e df r o mt h e h 追h e s tm e a s u r i n ga c c u r a c yo f t h ec r i t i c a lp a nc o n s t n l c t i o n t h ec h o i c eo fp r o j e c tz o n e ，p e r s p e c t i v ep l a l l e a n dc e n t r a lm e f i d i a ni sa 1 1 a l y z e di nt h ep r o c e s so f c o n s 仃u c t i o nc o n t r o ln e t w o r ka d j u s 廿n e n t 2 t h em e t h o da n dt h ea c c u r a c yo f h e i 曲tt r a n s f e ra r ea n a l y z e d c o m b i n i n gw i t ht h ep r e c i s eh e i ；l l t t r a n s f e ro fp a r t1 e a p i n go v e r s u t o n gbr j d g e ，t h e m e t h o d so fc o n 矗n nw e i 曲ta r e a n a l y z e d t h e r a t i o n a l i z a t i o no fh e i g h t 廿a n s f e rw e i g h ti su n d e rac o n c r e t ea n a l y s i sb ym e a i l so f “h e l m e r t ”v a r i a i l c e c o n s t i t i l t i o ne s t i m a t i o nm e t h o d ，a c c i d e m a im e a ns q u a r ee r r o rc o m p a r i s o nm e t h o dr e s p e c t e 1 弘 3 t h ea c c u m c ya 1 1 dt h ev a r i o u s1 a y o u tm e t h o d so fd e n s i 可c o n t r o lp o i m se n c r y p td 戚n gc o n s t r i l c t i o n a r ed i s c u s s e d t h ea c c u r a c yc o m p a r i s o no ft o t a ls t a t i o ni n s t n l m e n tm e 血o da n d ( 甜强m e t h o di sa l s o 0 0 n d u c t e d w i t h 也ea n a l y s i so ft h ep i l ed r i n gb a r g ep r o c e s sp r i n c i p l e sa n dd i s c u s st h ee q u a t i o n so ft h e 6 只孓r c 0 0 r d i n a t e sc o n v e r s i o nt e c h n o i o g yp a r a m e t e r s ，t h e1 a y o u ta c c u r a c yo ft h eg 啪m e m o di s a n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t hm em e a s u r e dr e s u l t so f t o t a ls t a t i o ni n s 廿u m e n t 4 a c c o r d i n gt ot l l es u e y e dc o o r d i n a t eo fs t e e lp i p ec i r c l e ，t h ea d j u s t r 工l e mo f c o n d i t i o ne q u a t i 。n sa n d t h ep o s i t j o no fc i r c u m f e r e n c e sp o i n t si ss t l l d i e d ，t h ec h 。i c eo ft h ep i p ec i r c l ep o i m s p o s i t i o na r ea n a l y z e d 锄de x p e r i i i l e n t e df o rt h ei n n u e n c et op r e c i s i o n t h em e a s u r e m e n tc o n t r o la n do r i e n ta t i o nc h e c km e t h o dt o t 1 1 es i n k0 f t h es t e e ls u s p e n s i o n - b o xa r es t u d l e d ，a n da n a l y z e dm eo r i e n t a t l o nc h e c kp r e c i s i o n 5 e x p a t i a t e dt h em e t h o do f b o x b e a i np r e f a b r i c a t e d b y 血ew a yo fl o n 鲥n ea n ds h o r 卜l s 如d j e d t h ec o n f i g u r a t i o nm e a s u r e m e n tc o n t r 0 1m e t h o do ft h eb o x - b e 枷p i e c ew h i c hp r e f 曲r i c a t e db yt h ew a yo f s h o n _ 】i n e ，j n c l u d j n g 】o c a lc o o r d j n a t es y s t e m sl a y o u ti np r e c a s t i n gp l a c e ，t h ec o o r d i n a t ec o n v e r s i o no f c o n t r o in o d eo nb o x - b e a r n ，t h em e a s u r e m e n tc o n t r o lm e t h o do fm eb o x - b e a i 工lp i e c e ，t l l ej o i nd e g r e e so f c o n 打o lp i e c e ，e t c t h eb o x 七e 砌p f e c a s t e d1 j n es h a p ec o n 廿0 jp r o c e d u r ei sw o r k e do u t ，a n da p p l i e di n e x a i n p l ea n a l y s i s 6 s n 】d j e dt h ec o n n g u r a t i o nm e a s u r e m e n tc o n t r o 】m e m o do ft h eb o x b e a mp j e c ew h i c hp u tt o g e t h e r c 锄t i l e v e l t h eb o x _ b e a mf 曲r i c a t e dc o n 矗g u r a t i o nm e a s u r e m e n td a t ap r o c e d u r ei sw o r k e do u t ，a n da p p l i e d i ne x a m p l ea i l a l y s i s k e yw o r d s ：b r j 姑e c o n t r 0 1m e a s u r e m e n t ，c o n s 仃u c l i o nm e a s l l r e m e n t ，g p 尺t e c h n i q u e ，s t e e lp i p e ， s h o n _ 1 i n em e t l l o d ， p r e c a s tf a b r i c a s t e d ，c o n f i g u r a t i o nm e a s u r e m e n tc 衄仃0 1 ， 1 i n e s h a p e c 彻t r o l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 冬剜 学位论文使用授权说明 2 帅6 年 6 月乡日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 奎翊 2 。0 6 年 月岁日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 随着经济的不断发展，我国桥梁建设事业已进入了快速发展阶段，大型桥梁不断涌 现。预应力混凝土桥梁结构体系具有变形小、结构刚度好、伸缩缝少、行车平顺舒适、 养护简单、抗震能力强等优点，得到了广泛的推广和应用。此类桥梁的施工方法很多， 有支架现浇法、悬臂浇筑法和悬臂拼装法、顶推法、移动模架法等，其中悬臂浇筑和悬 臂拼装施工法应用最为广泛【1 。对于大跨度预应力混凝土连续梁桥来说，悬臂浇筑和悬 臂拼装施工方法的出现促进了连续梁桥这种古老结构体系的发展，特别是预应力混凝土 桥梁悬臂拼装的施工方法，它具有技术可行、经济合理、机械化程度高等优越性，使预 应力混凝土连续梁桥有了更为广阔的发展前景。悬臂拼装法在欧洲、日本、美国及前苏 联等工业化国家直应用很广，从桥梁施工朝着构件生产工厂化( 特别是高强混凝土的 应用) 、结构装配化和旌工机械化的发展方向来看，悬臂拼装法必然是今后预应力桥梁 主要施工方法之一【2 j 。 桥梁先预制然后再悬臂拼装的施工方法，是将梁体横桥向划分为若干个节段，在工 厂或工场预制并留好预应力孔道，待下部结构施工完成后把梁段运到工地进行悬臂拼 装，通过施加预应力成为整体桥梁。桥梁节段的分段长度根据结构的受力要求及施工机 具灵活划分，由于在施工工艺、施工周期、工程造价、施工期间对环境影响等方面有一 定的优势，该施工方法在桥梁建设中已越来越受到重视。桥梁节段的预制方法主要有长 线法和短线法两种，短线法在国外已被广泛采用，苏通大桥引桥段7 5 m 跨连续梁桥首次 采用该方法，大大缩短了桥梁节段的预制周期，且具有相当高的预制精度。 大型桥梁建设是一个多学科交叉融合的系统工程，测量工程是其中重要的组成部 分，从施工测量控制网的建立、观测与数据处理，到桥梁基础和上部结构的施工放样与 检测，箱梁预制和拼装过程中的形态测控等，贯穿于桥梁整个建设过程。大型桥梁结构 和工艺复杂、施工周期长、水上作业多、质量要求高，对测量人员素质、测量仪器标准、 测量方法和精度、数据处理与分析方法、梁段形态测控方法与措施等提出了很高的要求。 大型桥梁整个建设阶段的测量工作内容丰富，理论和技术含量高，是工程测量和精密工 程测量领域一个重要的研究课题。 1 2 本文研究的目的和意义 近十几年来，随着我国经济的快速发展，公路桥梁建设也得到了迅速发展，大跨度 跨河跨江跨海桥梁、城市高架道路桥梁、城市轨道交通桥梁越来越多，桥梁建设进入了 发展的高峰期 3 。在桥梁建设方面，预应力混凝土大跨度桥梁是目前桥梁建设技术的重 要发展方向，研究跨越长江和海湾的大跨度桥梁建造技术是我国桥梁建设发展的重要任 务之一。已经建设竣工的江阴长江大桥、南京长江二桥、南京长江三桥、润扬长江公路 河海大学硕士学位论文 大桥以及在建的苏通长江公路大桥等，在设计和施：i 二方面已经取得了较大的成功，积累 了丰富的实践经验，体现了我国当前桥梁建设的发展水平。目前，特大型桥梁的跨河跨 江跨海宽度越来越大，结构和施工工艺越来越复杂，对于这些大型跨江跨海大桥建设， 有许多测控技术问题值得深入研究【4 j 。 首先，大型桥梁跨越水域很宽，首级施工控制网的建立与观测技术要求高、实施难 度大、观测周期长，首级控制网观测精度的选择是否合理，将影响控制网的技术设计、 观测仪器的配备标准、观测时间和观测强度，影响桥梁的施工测量精度和全桥的质量。 对首级施工控制网的数据处理和分析方法进行研究，如投影带和投影面的选择、观测值 权的确定等，将使数据处理结果更适用、更严密、更可靠。 其次，由于施工区域水域宽，首级控制网点在桥梁基础施工阶段很难满足施工放样 要求，研究二级控制点的加密技术、方法和精度，对保证施工放样顺利进行具有非常重 要的实际意义。由于桥梁基础结构和施工工艺不同，各个施工阶段的精度要求不同，根 据基础施工的不同时期和不同方法，研究和分析基础施工放样及定位检测的方法和精 度，可以保证放样及检测的有效实施，保证施工放样的准确性和定位检测的可靠性。 再次，预应力混凝土桥梁预制拼装施工方法有许多优点，其中短线法箱粱预制技术 在国外已得到普遍应用，但在国内，苏通大桥引桥段7 5 珊跨连续梁桥才首次采用该方法， 事实证明大大缩短了箱梁预制拼装时间。研究箱梁预制过程的形态测控方法，如局部坐 标系的建立、局部坐标系与桥梁坐标系的转换、控制节点的测量和预拱度控制方法等， 可以控制预制节段的线形，保证箱梁预制精度。研究箱梁悬臂拼装过程的形态测控方法 和精度分析方法，可以控制悬臂梁段的线形，保证桥梁拼装的质量。 桥梁工程尤其大型桥梁工程是地方乃至困家的重要交通工程，在桥梁的整个建设过 程中，包含大量的测量工作，对桥梁不同施工阶段的测控理论和技术进行研究，不仅具 有理论意义，更具有实用价值【5j 。 1 - 3 国内外研究现状 1 3 1 桥梁施工控制网的发展状况 改革开放以来，为了迅速发展铁路、公路交通事业，在我国江河上修建了许多不同 类型的桥梁，这些桥梁在勘查设计、建设施工等不同阶段都需要进行大量的测量工作。 为确保桥墩位置的定位精度和桥梁架设的质量，需建立桥梁控制网为旖工放样和检测提 供基准。建立桥梁施工控制网是桥梁建设重要的前期工作，控制网的精度直接关系到整 个建桥工程的质量【6 j 。以前，桥梁平面控制网常采用经纬仪和测距仪等仪器进行观测， 控制网主要为测角网、测边网和边角网等，观测周期长、测量人员劳动强度大，随着测 量仪器的更新，测量方法有了很大的改进，桥梁平面控制网的布设也更加灵活。高精度 全站仪的出现使常规控制网的测角和测边更加方便快捷，提高了工作效率；g p s 定位技 术的出现使布网更加简单、观测不受时间和通视条件的限制，具有传统测量方式不可比 拟的优越性。目前，建立高等级平面控制网的三角测量、三边测量、边角测量以及导线 第一章绪论 测量方法已逐渐被g p s 测量方法所替代， 布测中得到广泛应用，如青岛海湾大桥 7 1 、 苏通长江公路大桥等。 g p s 技术在各种大型桥梁的首级平面控制网 广东湛江海湾大桥【8 1 、荆州长江公路大桥9 1 、 对于平面控制网的必要精度，通常采用以下两种分析方法：一种是根据桥式及桥长 ( 又称为跨越结构) 的允许误差分析和确定控制网的精度：另一种是根据桥墩或重要施工 部位的放样容许误差来分析和确定控制网的精度。在平面控制网数据处理的研究中，由 舵脑幽推证的严密士括砌p 方差分量估计法1 1 叫可以合理确定控制网中不同类观测值的 权；沙月进将上招砌p “方差分量估计应用到某桥梁施工控制网中，控制网的点位精度得 到了显著提高【l i 】；孙大路对平面控制网平差中不同类观测值的定权问题也进行了研究， 提出了一种包含观测值权确定的平差方法，即把各类观测值的精度也作为待定的数引入 平差模型，然后用逐次趋近的解算，连同坐标未知数一起解出，最后通过方差检验，判 断其迭代收敛【1 2 】。 对于高程控制网，陆地上仍以精密水准测量为主，跨江高程传递可视实际情况采用 光学测微法、倾斜螺旋法、经纬仪倾角法、测距三角高程法等。吉金堂对以上四种跨河 水准测量的方案选择及其精度进行了详细的分析【l3 1 ，实际作业中可根据技术要求、场地 条件、仪器情况及跨江( 河) 条件选择适当的观测方案。南京长江二桥( 跨江距离约 1 5 0 0 ) 精密高程控制网中的跨河水准测量采用倾斜螺旋法，广东虎门大桥( 跨江距离 小于5 0 0 川) 跨江水准测量则采用光学测微法，苏通大桥( 跨江距离约6 0 0 0 m ) 跨江水 准测量采用测距三角高程法【l 。 随着计算机技术的发展，测量平差理论与方法的研究更加深入，平差计算的手段完 全进入了程序化阶段，针对常规测量控制网和g p s 控制网，研制了许多专业化、商业 化的平差软件，大大提高了平差计算的效率和准确性。 1 3 2 桥梁基础施工测量技术的发展状况 桥梁基础施工测量技术的发展离不开测量仪器的发展，以前桥梁基础施工测量中常 用光学经纬仪、光学水准仪等仪器，如钢护筒或钢吊箱的沉放定位主要采用倾斜经纬仪 法，承台或墩柱角点的放样采用经纬仪前方交会、后方交会等方法，测量工作量较大， 效率较低。 随着桥梁建设规模的增大、工程结构的日趋复杂和机械化施工，过去的测量仪器和 施工放样方法已不能满足要求。电子学、仪器学的发展，产生了全站仪、自动安平水准 仪、电磁波测距仪、g p s 等高精度、高性能的测量仪器，并在桥梁施工测量中发挥了巨 大的作用。现在，桥梁基础部分如承台的放样方法主要采用全站仪极坐标法或前方交会 法；钢吊箱的沉放定位可采用g 路r 硪技术辅以全站仪检核的方法；钢护筒定位也开 始采用g p 哥r z k 技术，在打桩船上安置三台或两台孓r 丁k 接收机和打桩机桩位构成 固定的几何关系，实时测定打桩船的位置和方位进行桩位放样，g 黔r z k 技术的出现大 大提高了基础施工放样的效率【l 引。 河海大学硕： 学位论文 目前几何水准测量仍旧是桥梁高精度高程传递的基本方法。精度为1 o 3 m 卅砌? 的 自动安平水准仪得到广泛应用，电子水准仪的出现，使几何水准测量向自动化、数字化 方向迈进。全站仪高精度和高灵敏度垂直度盘读数的自动补偿功能，使三角高程测量精 度得到提高，操作更为简单，对精度要求不高的基础部分，可用三角高程测量方法进行 高程放样或检核。 1 3 3 桥梁预制拼装测控技术的发展状况 2 0 世纪6 0 年代，桥梁预制拼装技术首先出现在法国，采用长线法预制箱梁节段， 使桥梁施工速度加快，成桥线形好，因此被迅速推广到世界各地【l “。2 0 世纪7 0 年代以 来，随着预制工艺、运输能力、吊装设备、粘合材料、平衡防倾技术及长拉锚固工艺的 发展，一些发达国家对预制拼装法的应用已极其自如。1 9 7 8 年美国建成的p 一足混凝土 斜拉桥，全长7 6 3 聊，采用长线法预制长8 1 垅、宽2 4 _ 2 m 、重达2 5 4 f 的粱段拼装而成； 1 9 8 0 年建成的南斯拉夫克尔克i 桥系主跨3 9 0 m 的拱桥，亦采用预制拼装法修建；澳大 利亚的里普桥，全长3 3 0 历，主跨1 8 3 m ，全部采用长2 0 埘以内、重5 0 f 以内的预制构件 拼装而成，被国际桥梁界誉为大跨度混凝土桥梁标准装配化施工的典范。在我国的桥梁 建设方面，1 9 6 5 年交通部公路规划设计院与江苏省公路部门合作，建成了预制拼装的连 续刚构试验桥一盐河公路桥；1 9 7 0 年5 月建成的成昆线旧庄河一号桥为国内第一座采用 长线法预制节段然后拼装施工的铁路桥梁i l7 j ；此后一大批预应力混凝土梁桥都采用了长 线法预制拼装箱梁的施工方法，如福建乌龙江大桥、佛开高速公路九江大桥以及广东九 江斜拉桥、湖北勋阳汉江斜拉桥等。近年来，此法更是被广泛应用，如珠澳莲花大桥、 石长线湘江铁路大桥的正桥、香港红坳高架桥、台湾高铁以及台湾第二高速等一系列桥 梁工程，都应用了长线法预制拼装箱梁的施工方法。 短线法是随着计算机软件的发展在长线法基础上改进的一种方法，短线法预制的梁 段比长线法要小，梁段便于大规模预制，测量控制精度更高，成桥线形更好，在国外桥 梁施工中已得到了广泛的推广和应用。例如，1 9 9 6 年建成的英国塞文河二桥，孟加拉的 贾木纳桥、委内瑞拉的罗慕洛贝兰科特高架桥、香港西部通道后海湾大桥高架桥【1 目、 香港迪士尼基建工程【1 9 】等都采用了短线法预制箱梁然后拼装的施工方法。 预制拼装施工方法出现的同时，也提出了分段施工中成桥状态的线形控制问题。分 段施工中，桥梁结构的变形涉及到各个施工阶段，特别是成桥状态的几何线形，线形控 制不好会直接影响桥梁的结构稳定和结构强度。随着设计计算水平的提高和施工安装方 法的改进，追求和实现理想的桥梁结构几何线形已经成为衡量桥梁建设水平的一项重要 指标，越来越受到桥梁工程界的重视。1 9 7 7 年，作为当时世界最大跨径的混凝土斜拉桥 法国3 2 0 埘的伯劳东纳桥合拢时，由于拼装施工中结构变形计算精度不够以及施工 误差等原因，最后只有采用压重的方法才强迫主跨合拢。我国四川某单塔索面混凝土斜 拉桥在分段施工中，采用水箱放水减载来维持浇筑主梁混凝土时的重力平衡，再加上施 工不仅纵向分段，横向又分两批，工序过于复杂，使桥面变形不易控制，导致成桥后主 第一壹绪论 梁几何线形呈波浪形【20 1 。此后，各国桥梁工程师广泛关注施工误差和误差调整方法，同 济大学在2 0 世纪8 0 年代初率先开展了这方面的研究，葛耀君对分段施工桥梁的线形控 制问题进行了研究，并分析了短线法和长线法在施工方式、预拱度控制方面的不同。1 9 9 3 年，作为当时世界上最大跨度的斜拉桥上海杨浦大桥合拢时，6 0 2 m 的主跨仅仅出 现了2 c m 的误差，桥梁线形控制精度很高【2 】1 ；1 9 9 5 年建成通车的8 5 6 m 主跨的法国诺曼 底斜拉桥【2 “、1 9 9 9 年建成通车的主跨8 9 0 m 的日本多多罗斜拉桥由于加强了预拱度控制 措施都没有遇到合拢段高差的问题，相继顺利合拢【2 ”。 1 4 本文研究的主要内容 本文针对预应力混凝土桥梁，从控制网平面及高程数据处理、桥梁基础施工放样及 检测、短线法箱梁预制和拼装的形态测控等几个方面进行研究，并结合苏通大桥施工测 控实例进行分析。研究的主要内容如下： 1 ) 对桥梁首级控制网的布测和数据处理问题进行研究。根据桥梁重要部位施工精 度要求，推导施工测量的必要精度，得出桥梁首级平面控制网的必要精度。研究大型施 工控制网的投影带和投影面的合理选择问题、精密跨江高程传递的方法及其精度、数据 处理中观测值权的确定方法等，并结合苏通大桥首级控制网实例进行计算与分析。 2 ) 对桥梁基础旌工阶段的施工放样和检测方法进行研究。研究几种常用的控制点 加密方法及其精度，讨论g p r 丁k 在打桩船系统中的应用技术，根据苏通大桥基础施 工放样和检测方法，分析放样和检测所能达到的精度，对g p s 、全站仪放样和检测的结 果进行对比分析。 3 ) 研究采用附参数条件平差计算圆形物体中心坐标的方法，模拟试验研究圆周上 测点的分布对圆心坐标精度的影响，并将此方法用于计算和分析苏通大桥钢护筒定位检 测。结合苏通大桥主塔墩钢吊箱沉放实例，阐述了采用g 路r z k 技术跟踪监测钢吊箱 沉放定位的方法和用全站仪极坐标法进行检核的方法。 4 ) 阐述长线和短线两种制梁方法，根据苏通大桥采用的短线法箱梁预制方法，对 预制节段的形态测控技术进行研究，如测量塔和控制节点的布置、局部坐标系统转换、 箱粱控制节点的数据采集和精度控制等，编制预制线形测控程序对节点数据进行处理和 分析。 5 ) 对箱梁拼装中的形态测控技术进行研究。分析用于拼装检测的墩顶加密控制点 的平面和高程精度，阐述箱梁拼装线形测控方法，编制成桥线形测控程序，对苏通大桥 某段拼装后的桥梁线形进行分析。 河海大学硕士学位论文 第二章控制网数据处理分析 2 1 首级平面控制网布网精度分析 在一些大型桥梁建设中，首级平面控制网的设计精度各不相同，如润扬长江大桥首 级平面控制网的设计精度为控制网最弱点点位误差不大于士2 研m ，苏通长江大桥首级平 面控制网设计精度为各相邻点点位中误差不大于土5 卅m 、桥轴线相对中误差不低于l 7 0 万。为大型桥梁而建立的施工测量控制网，究竟应以什么方法确定布网精度，目前尚无 规范规定。传统的桥梁控制网的精度设计，一般都是估算桥轴线的相对精度，据此确定 控制网的必要精度，这种精度设计方法对常规的简支梁桥或连续梁桥比较适用，而对特 大型桥梁则不很合理。对斜拉桥施工而言，位置精度要求最高的是塔上或梁上斜拉索锚 管后锚点的几何位置，因此应从放样这些几何位置中心的允许误差米分析桥梁施工控制 网的必要精度口4 】【2 5 1 。 大型桥梁竣工时的实际误差主要由测量误差和施工误差引起，设m 为点位总误差， 确为首级控制网最弱点点位误差，鸭为加密控制点点位误差，聊，为施工放样所产生的 误差，m 。为施工的瀑差，则 m = 6 f 虿而而i ( 2 1 ) 根据桥梁旋工规范【2 6 ，大型桥梁建筑物平面位置偏离轴线的最高限差为士1 0 m 肌， 在桥轴坐标系中，设顺轴线和垂轴线方向上的偏差相同，则点位的综合允许偏差为 2 。= 1 4 1 4 m w ，若取2 倍点位中误差作为允许偏差，可以近似认为： 吖拿限鲫m 施工放样时，控制点到放样点的距离一般不超过5 0 0 m ，若使用丁2 0 全站仪( 标 称精度测角o 5 ”，测距1 + 1 印坍- d ) 采用极坐标法进行放样，根据极坐标点位误差公式( 公 式3 _ 3 0 ) 可得朋，3 m 。 根据大型桥梁( 如江阴长江公路大桥、南京长江二桥和润扬长江公路大桥等) 的实际 施工经验，重要建筑物的施工误差可取为卅。s 4 脚m 。 若所有施工放样都可以在首级控制点上进行，则式( 2 1 ) 中的m ，为零，可得到首级 控制网最弱点点位误差佩5 m 州，即桥梁首级平面控制网必要精度应达到最弱点点位 误差士5 m m 。当放样点距首级控制点较远时，一般通过加密控制点进行施工放样，采用 合适的加密方案，加密控制点可以获得较高的精度，若设矾“聊，根据式( 2 1 ) 可求得 坍3 5 3 m m ，即桥梁首级平面控制网必要精度应达到最弱点点位误差士3 5 朋埘。 事实上，许多在建的或己建成的大型桥梁，其首级平面控制网采用了精密的测边网、 边角网或g _ 阳网，网点的精度都很高，如南京长江三桥控制网最弱点点位精度达到 士2 7 删m ，苏通大桥控制网最弱点点位中误差达到士2 6 聊m 。施工测量方面的误差可以通 第二章控制网数据处理分析 过多种途径进行控制，如尽量直接采用首级控制点进行放样、加密控制点时避免使用首 级控制网中的最弱点等，如果施工误差能够得到有效控制，点位的综合偏差将会比允许 值小得多。 2 2 投影带和投影面的选择 2 2 1 投影面和投影带选择的基本出发点 工程测量控制网是施工放样的依据，为了便于施工放样工作的顺利进行，要求由控 制点坐标直接反算的边长与实地测得的边长相等，因此由投影改正产生的长度变形不得 大于施工放样的精度要求。在满足工程测量基本精度要求的前提下，为使得测量结果一 测多用，应采用国家统一3 。带高斯平面直角坐标系，将观测结果归算至参考椭球面上， 使之与国家测量系统统一，使二者的测量成果可以相互利用27 1 。 当边长的两次归算投影改正不能满足要求时，为保证工程测量结果的直接利用和计 算的方便，可以采用下面三种方法实现： 1 ) 通过改变上( 只，为归算边高出参考椭球面的平均高程) 从而选择合适的高程 参考面，将抵偿分带投影变形，这种方法通常称为抵偿投影面的高斯正形投影： 2 ) 通过改变( 为归算边两端点横坐标平均值) ，从而对中央子午线作适当移 动，来抵偿由高程面的边长归算到参考椭球面上的投影变形，这就是通常所说的任意带 高斯正形投影； 3 ) 通过改变珥，又改变来共同抵偿两项归算改正变形，这就是所谓的具有高程 抵偿面的任意带高斯正形投影。 2 2 2 桥梁工程投影面和投影带的选择 对于投影面和投影带的选择，不同的工程有不同的要求，对测图控制网和一般工程 控制网来说，由投影面和投影带综合引起的长度变形一般控制在1 0 2 5 硎肌m 。大型桥 梁工程是精密工程，不但要求投影面和投影带各自产生的变形要小，其综合影响也必须 控制在有限的范围内。 地面实测距离归算到参考椭球面上的变形影响为量： 幽：一皂j ( 2 2 ) 1 r 式中，以为归算边高出参考椭球面的平均高程，s 为归算边长度，r 为归算边方向参 考椭球法截弧的曲率半径。归算边长的相对变形为： 塑：一生 r 7 ，、 占月 、一。 将参考椭球面上的边长归算到高斯投影面上的变形影响为厶，： 1r 、，、2 厶2 2 吉l 挚i ( 2 _ 4 ) 式中，而= j + 她，即晶为投影归算边长，为归算边两端点横坐标平均值，如为参 河海大学硕士学位论文 考椭球面平均曲率半径。投影边长的相对投影变形为： ，、2 竖：土f 逝l( 2 s ) 2 l r ，j 上述两种投影变形即为投影面和投影带选择所产生的变形，对于大型桥梁来说，从 基础到桥面、索塔等不同施工阶段，高差变化较大，仅选择参考椭球面一个投影面显然 不能满足施工放样要求，为了使控制点坐标反算距离与实测距离尽量保持一致，全站仪 实测的边长也不用任何投影改正，在控制网平差时，一般先选择合理的投影带和中央子 午线经度，再根据具体情况选择合适的投影面。 2 2 3 实例分析 苏通大桥位于东经1 2 0 。5 9 ，北纬3 1 0 4 7 。大桥首级施工控制网为口级s 网，参 考椭球为克拉索夫斯基椭球( 肼4 ) ，独立坐标系中央子午线经度为1 2 0 。5 9 。 依式( 2 2 ) 计算不同高程面上每公里长度投影变形值，依式( 2 3 ) 计算不同高程 面上的相对变形，见表2 1 。大桥桥位区高程异常乒6 2 2 坍，观测点平均高程约8 m 。 表2 1 不同高程面上相对变形 h 。 m 7 0 2 8 2 21 1 2 21 3 8 22 1 2 23 6 2 2 量，卵m一1 1 0 21 2 9 0一1 7 6 12 1 7 0一3 3 t 3 15 6 8 6 厶s l 沁 1 9 0 0 0 0l 7 8 0 0 01 5 7 0 0 01 4 6 0 0 01 3 0 0 0 01 1 8 0 0 0 由表2 1 可见，i 血，l 值与以成正比，随巩增大而增大。 根据( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 两式分别计算每公里长度投影变形值以及相对投影变形值见表 2 2 ，测区平均纬度b = 3 1 。4 57 ，如= 6 3 7 5 9 岛钾。 表2 2 不同距离投影变形 y 。7 k m 11 03 05 08 01 0 0 z 虹，聊m0 0 1 21 2 31 1 13 0 77 8 71 2 3 o s 、? s1 8 3 1 0 1 8 1 0 0 0 0l 9 0 0 0 01 3 2 0 0 01 1 2 7 0 0 0l 8 1 0 0 从2 2 可见，l 血2 | 值与虼平方成正比而增大，离中央子午线愈远，其变形愈大。 由表2 1 可知，当选择投影面为正常高8 删面时，品为一1 1 0 2 聊”，由表2 2 可知， 当y 。为3 0 女m 时，血，为1 1 1 m m ，此时地面观测值向高斯面上归算产生的变形得到抵偿。 但在实际应用时，往往是选取测区中央所在的经度为中央子午线经度。 表2 3 列出了采用国家3 。带投影、中央子午线经度1 2 0 。和采用任意带投影、测区中 央子午线经度为1 2 0 0 5 9 的投影长度变形。 8 第二章控制网数据处理分析 表2 3 选取不同中央子午线的投影长度变形 归算边经度此( m )渤)d ( c 埘尼) 1 2 0 09 3 7 7 5 4 84 8 6 46 6 1 5 s t o j s t 0 2 1 2 0 。5 9 6 4 8 74 8 6 4o 0 0 3 3 1 2 0 09 1 8 3 9 9 34 3 3 8 6 9 6 2 0 3 s t 0 7 s t 0 8 1 2 0 。5 9 1 2 8 6 8 9 54 3 3 8 6 9 0 0 1 2 注：衄一测距边两端点横坐标的增量，d 一每公里投影长度变形。 分析表2 3 可以发现，若按国家统一坐标系采用3 。带投影，那么桥轴线s 册j s m 2 边的长度变形为6 6 1 5 。，z ，岛竹，已经大大超过工程测量上要求的2 ，5 c 聊砌，而采用任意带 投影，选择经过测区中央的1 2 0 。5 9 j 为中央子午线，这时桥轴线恰好位于选取的中央子 午线附近，长度变形为o 0 0 3 3 c 删是m ，变形很小。大桥控制网西侧边缘上的s 功7 _ s 阳8 边在1 2 0 0 和1 2 0 。5 9 两条中央子午线下的投影变形分别为6 2 0 3 c ，渤? 和o 0 1 2 c 觥m ，可 以看出测区边缘在以1 2 0 0 5 9 ，为中央子午线的变形仍很小。 为了大桥不同施工阶段的使用，苏通大桥选择“正常高0 m 面”实现与道路的连接， 选择“正常高8 m 面”用于桥梁基础放样，选择“正常高7 6 m 面”用于主桥桥面旌工放 样。 2 3 跨江水准测量精度分析 2 3 1 基本方法及其精度 国家一、二等水准测量规范规定：当水准路线跨越江、河，视线长度超过1 0 0 0 埘 时，应根据视线长度和仪器设备情况，选择适当的跨河水准测量方法【28 1 。目前采用较多 的跨河水准测量方法主要有光学测微法、倾斜螺旋法、经纬仪倾角法、测距三角高程等 几种方法。 1 ) 光学测微法 光学测微法跨河水准测量与常规的光学测微法精密水准测量在作业方法上有类似 之处，所不同的是，跨河水准测量中，前视距离( 仪器至对岸远标尺距离) 远远大于后视 距离( 仪器至本岸近标尺距离) ，两者有时相差几十倍。因此在对远标尺和近标尺的观 测中，仪器误差、观测误差及外界环境的影响将有较大差异，二者需区别分析。设本岸 近标尺观测的精度为，主要受仪器误差、观测误差和外界影响等诸多因素的影响。 对岸远标尺观测中，水准管气泡居中误差取碍，远标尺觇板安置误差脚，照准误差他； 大气折光引起的高差中误差可认为。，与跨河( 江) 距离密切相关。综合以上因素可 以推导光学测微法跨河水准测量一测回高差中误差为： 一= 孵+ 圭( 聊? + 嵋+ 嵋) + 嵋 ( 2 - 6 ) 河海大学硕士学位论文 式中”为观测组数。 2 ) 倾斜螺旋法 倾斜螺旋法是使用两台水准仪( f 角互差应小于6 ”) 对向观测。用倾斜螺旋或气泡 移动来测定水平视线上、下两标志的倾角，计算水平视线位置，从而求出两岸高差。考 虑大气折光与仪器f 角的综合影响，可得倾斜螺旋法一测回观测( 一个对向观测) 精 度计算公式为： 弼= 去( 碡+ m ：) + 嘲 ( 2 7 ) 式中，为本岸近标尺观测精度，m 。为半测回中远标尺读数中误差。 3 ) 经纬仪倾角法 经纬仪倾角法是使用两台精密经纬仪对向观测。用垂直度盘测定水平视线上下标志 线的倾角，计算水平视线位置，从而求出两岸高差。顾及大气折光及仪器f 角影响时， 两岸对向观测一测回的高差中数中误差为： 嘏= 去( 瑶+ m j ) + 嘲 ( 2 8 ) 式中，为本岸近标尺观测精度，卅。为半测回中远标尺读数中误差。 4 ) 测距三角高程法 测距三角高程测量与常规的三角高程测量并无质的区别，跨河三角高程测量误差由 以下几种组成： 观测天顶距的偶然误差。设天顶距的观测精度为珊，对两岸高差的影响为： 码：冬 ( 2 9 ) m 2 芦万 旺。9 仪器的系统误差。主要包括垂直度盘的分划误