（大地测量学与测量工程专业论文）特大型桥梁钢索塔施工测量关键技术研究.pdf

摘要 摘要 南京长江第三大桥是我国第一座主塔采用钢结构形式的斜拉桥。本文针对南京长 江第三大桥钢索塔施工中的测量关键技术，结合工程实际进行研究，以期提出行之有 效的测量方法、措施。完成的主要研究如下： ( 1 ) 根据索塔拼装的高精度要求，结合施工现场情况，在首级控制网的基础上 建立了钢索塔施工专用控制网，进行了控制网的优化设计，以满足钢索塔拼装测量的 高精度要求； ( 2 ) 针对钢索塔采取的逐段拼装的施工方法，在制作现场建立微型控制网进行 节段间的立式匹配测量，并进行误差累积管理，以检验钢塔各节段的制作加工情况， 并用于指导桥位现场的拼装； ( 3 ) 钢索塔施工现场观测条件复杂，针对不同节段、不同的精度要求和不同的 旖工条件，分别采用内控法、外控法及内外控结合的测量方法施测，以期达到预期的 精度并满足施工进度； ( 4 ) 为了减弱钢索塔夜间拼装测量时大气折光的影响，专门进行了夜间单向三 角高程大气折光的试验研究，以期对测量数据进行有效改正： ( 5 ) 钢索塔施工中，由于受到外界环境和施工误差本身的影响，已拼装的塔柱 节段与其拼装时的姿态相比将产生差异。针对钢索塔的该项特性，开发了一套适合现 场施工的精度管理方案，实时监控钢索塔的姿态，并及时对后继节段的姿态进行预测 和调整。 关键词：斜拉桥钢索塔拼装测量立式匹配大气折光垂直度 a b s t r a c t a b s t r a c t n 删i n g n l i r dy a n g z ir i v e rb r i d g ei st h ef i r s tc a b l e - s t a y e d 嘶电ei nc h i n ao fw h i c h t h em a i nt o w e ri si nt h ef o r mo fs t e e ls t r u c t u r e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ec r u c i a ls u r v e y t e c h n o l o g ya p p l i e d i n t h ec o n s t r u c t i o n o f s t e e l 。p y l o n ，a n d i nc o m b i n a t i o nw i t h r e q u i r e m e n t so fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e ss o m e r e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n ei no r d e rt oa d v a n c e e f f e c t i v es u r v e ym e t h o d sa n dm e a s u r e m e n t s t h ef o l l o w i n ga r et h ek e yr e s e a r c h e s ： ( 1 ) a c c o r d i n g t ot h e p r e c i s i o nr e q u i r e m e n t o ft h e s t e e l p y l o n sa s s e m b l y a n dt h e c i r c u m s t a n c e si nt h ec o n s t r u c t i o n s i t e ，t h e c o n t r o ln e t w o r kf o rt h ec o n s t r u c t i o no f s t e e l p v l o n ，w h i c hi sb a s e do nt h ef i r s t d e g r e ec o n t r o ln e t w o r k , i sb u i l t a n dt h ec o n t r o l n e t w o r kd e s i g ni sa l s om a d et om e e tt h e r e q u i r e m e n t o fh i g h - p r e c i s i o nw h e nt h e s t e e l - p y l o n i sa s s e m b l e d 但) i nv i e wo ft h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d sw h i c ha r ea p p l i e dw h e nt h es t e e l - p y l o ni s a s s e m b l e ds e c t i o n b y s e c t i o r lm i n i a t u r ec o n t r o ln e t w o r kn e e d st ob eb u i l ti nt h e c o n s t r u c t i o ns i t e t h e nt h ev e r t i c a lm a r c h i n gs u r v e y i n gb e t w e e ns e c t i o n sa n dt h ee r r o r a c c u m u l a t i o nm a n a g e m e n ta r ec a r r i e do u tt oe x a m i n et h em a n u f a c t u r i n gc i r c u m s t a n c e so f e v e r ys t e e l p y l o n s s e c t i o na n da l s o t h e y w i l lb eu s e dt od i r e c tt h e a s s e m b l yi n t h e c o n s t r u c t i o ns i t e ( 3 ) t h eo b s e r v a t i o r l a lf a c t o r si nt h ec o n s t r u c t i o ns i t ea r ec o m p l i c a t e d s oi n n e r c o n t r o l l i n gm e t h o d ，o u t e rc o n t r o l l i n gm e t h o da n d t h em e t h o dc o m b i n e di n n e rc o n t r o l l i n g m e t h o da n do u t e r c o n t r o l l i n g m e t h o da r e a p p l i e dr e s p e c t i v e l ya c c o r d i n g t od i f f e r e n t s e c t i o n s d i f f e r e n t p r e c i s i o nr e q u i r e m e n t sa n dd i r e n tc o n s t r u c t i o nf a c t o r s s oa st o a c h i e v et h ee x p e c t e d p r e c i s i o na n d c o n s t r u c t i o np r o g r e s s ( 4 ) c o n s i d e r i n gt h a ta t m o s p h e r er e f r a c t i o nh a ss o m ee f f e c to nt h es t e e l p y l o n sf i x i n g s u r v e yd u r i n gt h eh i g h t ，t h es t u d yo ft h ea t m o s p h e r er e f r a c t i o no fo n e - w a yt r i a n g u l a t e d h e i g h te x p e r i m e n ta tn i g h ti se s p e c i a l l yd o n e i no r d e rt oe f f e c t i v e l yc o r r e c tt h ed a t a ( 5 ) i nt h e c o u r s eo fs t e e l p y l o n s c o n s t r u c t i o n , d i f f e r e n c ew i l la p p e a rc o m p a r i n gt h e a s s e m b l e ds t e e l - p y l o n sw i t ht h ea s s e m b l i n go n e sb e c a u s eo ft h ee f f e c to ft h ee x t e r n a l e l l v i r o n m e n ta n dt h ec o n s t r u c t i o ne r r o r s i nv i e wo ft h i sk i n do fs p e c i f i cp r o p e f l yo ft h e s t e e l - p y l o n ，ap r e c i s i o nm a n a g e m e n tp r o g r a mf o rt h ec o n s t r u c t i o ni sd e v e l o p e di no r d e rt o m o n i t o ra n dc o n t r o lt h es t e e l - p y l o n sp o s t u r ea n do r e d i c ta n da d i u s tt h ep o s t u r eo ft h e f o l l o w i n gs e c t i o n s i nt i m e k e yw o r d s ：c a b l e - s t a y e db r i d g e ，s t e e l p y l o n ，f i x i n gs u r v e y , v e r t i c a lm a t c h i n g ， a t m o s p h e r er e f r a c t i o n ，v e r t i c a ld e g r e e 一一一一 墨二皇堕堕 一 - - _ _ _ _ - l _ - _ _ - - _ _ - - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一 第一章绪论 随着超静定结构i q 计算理论和制作斜拉索的新材料、新工艺的发展，被遗忘了近一 个世纪的斜拉桥得以重新确认，并在国内外迅猛发展。与其它类型的桥梁相比，斜拉桥 主要有塔、梁、索3 大部分组成，是一种墩塔高、主梁跨度大的高次超静定结构体系n l 的桥梁。其中主塔不但要承受自重及通过斜拉索传递来的主梁桥面系的重量，还要承受 由桥面系竖向荷载和水平荷载而引起的巨大弯矩。主塔是斜拉桥的基本承重构件和重要 组成部分，其施工测量的重点是保证塔柱各部分的倾斜度、垂直度和外形几何尺寸，以 及一些内部构件的空间位置。 斜拉桥主塔相对高度大，一般位于江河主航道附近，距离岸边较远，要完成如前所 述的测量任务，若直接利用岸上的施工控制网点来进行，无论是在精度上、还是在速度 上都无法满足施工的需要。因此，通常根据塔柱的结构特点、结合施工现场情况，对于 不同的施工阶段，在不同的施工部位建立相应的局部施工控制。本文针对南京长江第三 大桥钢索塔的拼装过程中测量关键技术作了具体的研究。 1 1 钢索塔概况 1 1 1 工程简介 南京长江第三大桥( 以下简称南京长江三桥) 位于长江江苏境南京区段，在现有南 京长江大桥上游约1 9 k i n 处，距长江入海口约3 5 0 k m ，是交通部“五纵七横”国道主干 线之一上海至成都( g z 5 5 ) 国道于南京跨越长江的快速过江通道。该桥的建设将为 皖北至苏南、皖南提供便捷的陆上交通，对加强江苏省、安徽省以及西部地区的联系起 重要作用。 工程于2 0 0 3 年9 月全线正式开工，2 0 0 5 年2 月完成钢索塔的拼装工作，计划2 0 0 6 年9 月实现全线通车。根据目前的施工情况，预计2 0 0 5 年l o 月即可实现全线通车。 南京长江三桥的主桥为钢索塔钢箱梁双索面五跨连续斜拉桥，其跨径布置为 6 3 + 2 5 7 + 6 4 8 + 2 5 7 + 6 3 = 1 2 8 8 m ，主跨为6 4 8 m ( 大桥概貌见图1 1 ) ，在己建同类桥梁中居国 内第一，世界第三。主塔为“人”字型塔，塔柱高2 1 5 m ，其外侧圆曲线部分半径7 2 0 m ， 设四道横梁，其中下塔柱及下横梁为钢筋混凝士结构，下横梁以上部分为国内首次采用 的全钢结构索塔柱。下塔柱高3 6 3 1 8 m ，塔柱截面横桥向宽度为6 2 8 4 m ，顺桥向宽 度为8 o 1 2 o m ；钢塔柱高1 7 8 6 8 2 m ，截面尺寸上下相等，横桥向宽5 0 m ，顺桥内宽 6 8 m 。 河海大学硬士研究生论文 图1 1 南京长江第三大桥立面图 除钢混结合段外，每个钢塔柱共分为2 1 个节段，节段长7 7 1 1 4 2 m ，节段间连接 采用端面金属接触、m 2 4 高强螺栓弘1 连接。钢塔总重约1 2 0 0 0 吨。钢塔牲概貌及节段种 类见图1 2 。 1 1 2 钢索塔的特点 斜拉桥的主塔( 即索塔) 是全桥的主要承重构件，具有建筑高度大、空间结构复杂 等特点。钢索塔簏工一般分为工厂分段加工和现场吊拼安装两大施工阶段。同混凝土索 塔比较，钢索塔有以下特点； ( 1 ) 从设计计算上讲，由于钢材材质较均匀，计算应力与实测应力间关系较明确 且容易掌握；钢材弹性模量固定，变形计算精确；各种不利因素( 比如收缩、徐变) 较 少，计算结果与实际情况接近一致p l ： ( 2 ) 从制造上讲，由于在机加工厂房内分节制作，且进行节段预制与试拼装，尺 寸精度可以控制到非常精确，但对加工工厂的设备、加工精度及检测手段要求很高； ( 3 ) 从安装上讲，由于构件较轻，可分段吊装；施工工期短，现场工作量与高空 作业量较少，但对构件拼装精度要求较高，且作业空间狭小，干扰较大，对现场精密工 程测量提出较高的要求； ( 4 ) 从使用上讲，由于结构较轻，对抗震有利，也可以减轻下部结构的规模。 此外，索塔下塔柱混凝土部分于2 0 0 4 年8 月封顶，而整个钢索塔于2 0 0 5 年2 月完 成吊拼安装的工作，用于拼装的时间仅有7 个月，时间紧、任务重，甚至不存在由于出 现大的偏差而返工的可能，且施工期跨越夏、秋、冬三个季节，外界环境对施工产生很 大影响，因此给现场的拼装漠5 量提出高速度、高标准的同时也给出了极大的难题。 第一章绪论 钢塔立面图 钢塔侧视图 一；i ；照。 擞。“叠辫i j 婴翌 ： r 2 1 t l 江侧 靡 j 一 | 一、 一】 一 、上椭槊三池n 皑 冀 女皿。 址“ 。 * j l、然。 耋 r 州 蚺g * “ 它】1 1 lt 埘机 刊 m 忆o ! 圭； 学撰 r t s ) t 1 8 1 i 亭 1 5 h 。 “ l 3 打1 3 i 2 ； f 1 2 ；： 睡弧蚺， 毒 垂 毫 睾 、 一j j ； 要 t 毫 、 。|t 、i 图1 2 南京长江第三大桥钢索塔概貌 3 钢塔柱节段统计表 节段号 长度重量 ( 啪) ( k g ) i 0l ? 3 ：j 0 0 3 2 4 0 5 1 。1s o n j ? , 0 5 7 5 t 28 0 0 0 r 3 r 0 0 0i i 2 2 1 1 4 8 0 0 0 i1 3 8 1 i t 5 8 0 b ol1 3 8 i i t 68 0 0 0 “。s 11 1 ?8 0 0 01 1 3 8 l i t 8 8 0 0 0l i 0 8 】i t 9 8 0 0 0l i 。臻1 1 t i o 8 0 0 01 1 3 8 l i t ? 矗m“f ! 9 3 7 n 2 8 7 0 0j i j | j 8 3 1 】0 7 8 e o1 0 5 4 s i t 1 4 8 3 j ：j 4 3 6 t 1 5 9 6 0 0i 3 0 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是课题研究的一个重点；施工过程中外界环境诸如温度、大气折光等对钢索塔拼装测量 的影响显著，如何减弱甚至避免此类影响亦是课题亟需解决的问题。上述对针对钢索塔 施工测量技术的研究，在国内至今仍无先例。 1 ，2 2 研究的目的和意义 作为国家“十五”重点工程，南京长江三桥是联系南京长江两岸主发展轴上城镇的 重要纽带，对于连通江南、江北的绕城线，形成南京市“沿江成束、跨江成环、南北放 射、内外沟通”的公路总体构架具有非常重要的意义。因此，南京长江三桥的建设对于 完善国道、省道干线公路网，加强江苏省与邻近省份的联系，促进江苏省、南京市的改 0 连 第一章绪论 革开放和区域经济发展将发挥重要作用。 南京长江三桥建设规模宏伟，主桥为双塔双索钢箱梁斜拉桥，跨越着宽阔的水面， 且桥梁结构复杂，其主塔为国内首次采用钢结构“人”字型索塔，翻开了我国桥梁建设 史的新篇章，具有重要的社会意义和历史意义。钢索塔采用“厂房加工现场拼装” 的方法施工，是目前国内首次应用的桥型结构及施工技术。钢索塔的现代施工工艺对测 量的精度和施工控制的方法提出了特高的要求，常规大桥混凝土塔柱的测量控制已难于 满足施工要求。因此，必须结合现代测绘技术研究开发一套行之有效的工程施工测量的 新方法和新技术，来解决工程实际中的技术难题，保证大桥施工的高质量、高效率，实 现建设世界一流水平的精品工程。 索塔是斜拉桥的重要组成部分，作为国内第一座钢索塔，可借鉴的经验非常少，因 此钢索塔的施工是整个南京长江三桥工程建设中的重点、难点。对于钢索塔测量技术的 研究，借鉴混凝土索塔的施工经验，可以解决钢结构索塔施工中的一系列测量技术难题， 直接关系到整个工程的质量和进度，对保障大桥施工的顺利进行具有重大意义，也为今 后同类型的桥梁索塔藤工测量提供参考。 1 3 本文研究的主要内容 本文针对钢索塔施工中的测量关键技术，做了以下几个方面的研究： i ) 钢索塔平面专用控制网的设计及实施； 2 ) 钢索塔高程专用控制网的设计及实施； 3 ) 钢索塔拼装测量方法及精度研究。 其中对于钢索塔的拼装测量重点从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 钢索塔采用节段拼装的方法施工，因此需在制作现场进行节段间的立式匹配 测量。针对立式匹配研究了精密微型控制网的建立和立式匹配的施测方法，并提出立式 匹配误差累积管理的概念，对匹配节段从高度偏差、轴线偏差等几个方面进行累积管理， 从而获取己匹配节段的状态，指导后继2 占段在机加工厂房内的修正加工： ( 2 ) 根据钢索塔夜间拼装测量的特点，研究了夜间单向大气折光系数的变化规律， 以期对观测数据实施有效的改正； 。5 河海大学硕士研究生论文 ( 3 ) 随着钢索塔的逐段拼装，由于受各种因素的影响，包括旌工的影响、外界环 境的影响以及测量误差本身的影响等，已拼装的塔柱节段与其拼装时的姿态相比将产生 差异。针对钢索塔的这一特性，开发了一套适合现场施工的精度管理方案，实时监控钢 索塔的姿态，并及时对后继节段的姿态进行预测和调整。 第二章平面专用控制网的设计与实施 第二章钢索塔平面专用控制网的设计与实施 2 1 首级平面控制网摄况 斜拉桥是一种墩塔高、主梁跨度大的高次超静定结构体系桥梁，对每个结点位置的 要求十分严格，结点坐标的变化将影响结构内力的分配和成桥线型。建设这种桥梁对施 工测量有着十分严格的要求，其主要任务是满足高塔柱的垂直度、主梁线性和形体等要 求。要完成上述测量任务，首先应在斜拉桥设计方案被批准后，施工准备工作开始之前着 手建立桥梁首级施工控制网，它是全桥施工测量的基准。施工控制网的精度应结合桥梁 结构、桥式和跨度等进行分析。以满足最高精度项目的要求，在具体布设时，应考虑到点 的位置、密度和足够的稳定性，力求网形简单而又有足够的强度。当有较长的引桥时， 一般应将桥梁施工平面控制网布设城主、副网的形式忡l 。南京长江三桥首级平面施工控 制网的主网布设成以桥轴线为公共边的双大地四边形，副网在主网的南北两侧各布设两 个以桥轴线为公共边的双大地四边形( 如图2 1 a ) 。其全桥平面控制系统分别有抵偿坐 标系和桥轴坐标系2 套坐标成果，主桥控制网采用桥轴坐标系，以桥轴线南岸端点n t 0 1 坐标( x = 1 0 0 0 0 0 0 0 m ，y = 1 0 0 0 0 0 0 0 m ) 为起算坐标，n t 0 1 - - n t 0 2 方位角为1 8 0 。，作为 起算方位角；采用1 9 5 6 年黄海高程系统；边长投影到大桥桥面平均4 7 o m ( 1 9 5 6 年黄 海高程) 高程面。 对于斜拉桥这种空间结构复杂且精密的深水特大桥梁的施工控制网而言，要保证测 量放样的最终精度必须限制其视距，但由于南京长江三桥工作环境的特殊性( 在宽阔的 长江上) ，建设初期要满足这样的要求几乎是不可能的。同时主塔的施工放样精度要求 从水下基础到上部结构逐渐降低，空问结构的精密测量可在桥墩出水后通过控制网的加 密甚至提高来进行：且当南北主墩塔基础出水后，桥轴线上造成观测不通视，主轴线上 的控制点无法为主塔提供施工测量，另外4 个控制点又离主轴线较远，用于施工测量效 果不好。而且随着施工的进展，原有个别控制点被大型机械所损坏，补救方法只能通过 增设插点加密施工控制网，以缩短观测边长，减少定位误差，供经常性旌工放样使用。 因此，在两岸桥轴线两侧1 5 # 、1 8 # 辅助墩上( 上、下游两侧) 各建立2 个控制点( t 8 、 t 9 、j m 0 2 、j m 0 4 ) ，同时在南岸上下游方向被破坏点位附近各建立两个新控制点( j 1 0 3 、 j m 0 5 ) 纳入首级平面控制网，构成如图2 1 b 所示网形，以满足施工测量的精度。主桥 首级施工控制平面网加密后精度统计如下： 1 ) 主桥首级施工控制网采用边角全测的布网方式，按二等精度施测，桥轴线边 河海大学硕士研究生论文 长相对中误差j m 0 1 j m 0 2 为1 1 9 7 00 0 0 ，小于规定的1 3 0 00 0 0 ； 2 )最弱边边长相对中误差n t o i n t 0 3 为1 5 1 00 0 0 ，小于规定的1 1 2 00 0 0 3 ) 最弱点位中误差n t 0 5 为1 3 8 m m ，小于规定的2 m m 。 舳 | 1 j l ，一 纷。 一 & x t f i u 6 又 长江 一 l 、一 铴 、 j h m 、 x n i 砺 b 主桥首级加密控制网 a 酋级平面控制网 图2 1 南京长江三桥首级平面施工控制网 2 2 钢索塔平面专用控制网精度设计 2 2 1 钢震塔施工精度要求 南京长江三桥主塔钢结构部分由t o 段( 钢混结合段底座定位件及底座) 、t i t 2 1 节段( t o 段p a ：塔柱部分) 和横梁等构成。斜拉桥主塔施工过程中，除应保证各部位的 几何尺寸正确外，更重要的应该保证主塔局部测量系统和全桥总体测量系统的接轨。钢 塔柱各节段已在机加工车间精确加工，拼装前其几何尺寸已经确定，因此钢索塔施工测 量的重点是保证塔柱整体垂直度和各构件空间位置。主要工作包括：钢索塔各节段空间 位置的测设、轴线测量纠偏、顶面倾斜度测设以及塔柱空间尺寸的复核。根据南京长江 三桥设计规范，主塔施工精度应满足： 主塔垂直度差小于1 4 0 0 0 ： t o 段轴线点平面位置偏差小于土2 0 r m 。 第二章平面专用控制网的设计与实施 2 2 2 平面专用控制网精度设计 为满足钢索塔高精度测量的需要，其平面专用控制网必须有足够的精度。现根据定 位精度要求最高的t o 段的容许误差来分析该控制网的必要精度。为了精确定位t o 段， 需在下横梁上建立平面专用控制点，以极坐标法定位t o 段的平面位置。根据极坐标法 的原理可知： ? = m 控2 + m 口2 + 川s 2 + m 标2 + m 对2 ( 2 一1 ) 式中m 控为平面专用控制点的点位误差；m 对为在控制点上架设仪器和棱镜的对中误差， 由于使用强制对中装置，可取删对s 0 2 m m ；卅标为将放样点固定在地面上的标定误差， 为了减弱标定误差，采用专门加工的对中设备，即在机加工车间内将对中杆底部尖端磨 尖，调整并精确测定对中误差，可使埘标s0 5 r a m ；m 。、m 。分别为测设极角和极距的误 差，且： m 。；塑s ( 2 2 ) m s 2 = a 2 + p 5 ) 2( 2 - 3 ) 由于专用控制网的施测采用高精度t c a 2 0 0 3 全站仪，根据其标称精度，取m 。= 0 8 ”， a 一1 、6 = 1 ，j d = 2 0 6 2 6 5 ”；若在下横梁处建立控制点，则距离s - ：3 0 m 。考虑到a s2 r a m ， 带入式( 2 一1 ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) ，得： m 控= 1 6 1 m m 因此，钢索塔平面专用控制网点需满足1 6 0 r a m 的点位精度要求。 2 3 钢索塔平面专用控制网布网方案设计 索塔施工测量通常有外控法和内控法1 7 】两种。当施工现场比较宽阔时，一般采用外控 法，即在塔柱附近架设全站仪利用三维坐标法施测i s ：当施工场地窄小且测量精度要求 较高时，通常采用内控法，即在塔柱内部或距离塔柱很近的控制点架设全站仪旖测。在 斜拉桥主塔施工测量中，外控法适用于塔离岸较近的情况，一般在3 0 0 米以内。由于南 京长江三桥主塔相对高度大，且位于水域的主航道附近，距离岸边较远，若直接利用现 有的施工控制网点来进行施工放样和控制，无论是在精度上还是在速度上都无法满足钢 索塔高精度施工的要求，因此采用内控与外控相结合的旅工测量方法。具体来说，位于 钢索塔底部的t 0 段精度要求特高，测置场越仅限予下糖浆上，成露 瘸内控法测量；t o 河海大学硕士研究生论文 段以上各节段定位精度逐段递减，利用内控、外控相结合的方法进行拼装测量。 钢索塔各节段拼装测量的关键在于节段纵横轴线的定位。通常情况下，应在索塔的 岸侧( 测量纵轴线) 和上( 下) 游侧( 测量横轴线) 布设控制点施测。岸侧的测量在现 有的过渡墩顶面布设控制点即可。为了提供江侧的测量，专门在江侧做了一个试验观测 墩，试验墩底部钢筋打入江面以下4 5 m 处的江底基岩内。对试验墩的定期观测可知，由 于江水的影响，该墩仍有显著的抖动，不适合作为观测墩进行测量；且试验墩造价高达 3 0 0 万元，如应用到实际中则南北塔的上下游两侧共需建造4 个此类观测墩，因此无论 从控制网的稳定性还是经济性来说都不适宜在江中建造观测墩。 鉴于上述原因，在进行控制网的网形设计时，先要考虑塔柱节段测量点的布设。根 据节段的空间形状，在节段岸侧壁板上布设如图2 2 所示4 个测量点，a 、b 、c 三点确 定岸侧壁板的空间位置，d 点作为辅助点进行检核；b 、c 两点的连线与壁板顶面边缘平 行，可同时确定节段的垂直度。此时便可利用位于岸侧过渡墩上的控制点来确定节段的 空间位置。除了壁板上的4 个测量点，整个节段空间位置还需结合节段顶面端口轴线测 量点来确定，具体内容在第四章展开研究。 综合考虑南京长江三桥的实际情况，在主塔钢筋混凝土部分( 下塔柱及下横梁) 完 成后，通过岸上施工控制网在主塔下横梁上布设平面和高程控制点，与原主桥首级控制 网一起构成钢索塔施工专用控制网，以满足钢索塔高精度拼装测量的需要。 钢索塔的拼装过程按精度要求分为t o 段的拼装、t 1 段的拼装及t l 段以上部分的拼 装，且从工期上考虑，t 0 段拼装结束后、t l 段拼装开始前进行下横梁的浇注，因此以 南塔为例，在下横梁浇注前后分别在下横梁底部及其顶部桥轴线两侧布设两次各两个控 制点( 如图2 3 ) ，使控制基准逐级向上传递，以满足钢索塔不同拼装过程的测量需要。 b c d a 图2 2 节段岸侧壁板测量点 、一长江 图2 3 南塔下横粱控制点示意图 塞三兰_ 三笪墅曼里苎型堕堕垦生兰壅堕 长江 = 弋夕 传统的桥梁施工平面控制网大多采用三角网，近1 0 年来，由于高精度测距仪和g p s 曹出现? 普及，桥梁网的建网方式亦有采用测边网、边角网和g p s 网施测。考虑到南京 篓兰三篓现堂施工条件复杂，对g p s 接收机的接收效果产生难以消除的影响，因此钢索 要烹竺旅工平面控制网首先剔除g p s 网。而有实际控制网施测经验的人员都知道，欲使 控制网中的观测元素达到设计的精度等级，测距比测角更容易达到目的，且测距的i 姜 擘钡! 角高得多p 1 。又由于桥梁为线状建筑物，因此桥粱网的纵横向比例常常失调，导致翥f 兰! 老! 兰? 点，即测边网的纵向精度较高，而横向精度则较差，因此高精度的桥梁网， 更多地采用边角网的形式。 ” 南京长江三桥钢索塔平面专用控制网分为南、北主塔两个控制网体系( 如图2 4 ) ， 每个控制网有8 个控制点，各有6 个已知点，其中n t 0 4 、n t 0 6 、j m 0 3 、n f 0 5 为两个控 制网公用点，南q 塔下横粱上新建的两个控制点为未知点。采用边、角全茹磊三蕃 网形式，按国家二等三角测量的精度要求实施。使用精密全站仪徕卡t c a 2 0 0 3 钡! j ；和； 竺篓芝的标称精度为测角精度o 5 ”，测距精度( 1 翮+ l p p 神。为提高观测；二磊聂 耋。耋苎观测使用河海大学开发的t c a 2 0 0 3 全站仪配套软件，采用全圆测回法进行9i 回曼鍪竺测；边长测量2 测回( 基线边至少4 测回) ，并进行往返测量。观测中的限差为： 二测回中2 。值的t t 差 9 o ”：同一方向各测回较差6 o ”；三角形允许的最大闭合 麦3 5 “；捌角中误差m 口l 0 ”；往返边长观测不符值2 ( 1 + 1 s ) 。 。竺景蛩竺擘器的先验精度和设计图形数据，对该控制网进行间接平差计算，得到未 知点的设计精度( 见表2 1 ) 。 。一 河海大学硕士研究生论文 表2 1 边角网待定点设计精度 束知点独立观测未知点联测 点名长轴短轴设计中误差长轴短轴设计中误差 ( 皿m )( )( )( m m )( 叫)( 口) 南塔控制t 6 ( t t o ) 1 1 30 9 21 4 5o 8 80 6 51 0 9 网点t 7 ( t 儿)1 1 30 9 21 4 50 ，8 80 6 51 _ 0 9 北塔控制t i l l ( h l 3 ) 1 3 60 9 81 6 70 9 20 6 9 1 1 3 网点 h l 2 ( h l 4 ) l l3 6o 9 81 6 70 9 2o 6 9 1 1 3 根据表2 1 边角网设计精度，北塔控制网点的点位中误差略大于的l 。6 0 r a m 精度 的要求。若将同一系统中两个未知点相联测( 如t 6 、t 7 联测，t i o 、t 1 1 联测) ，则其设 计精度可达到要求。可见加测了两个未知点之间的短边，使得控制网网形得到了很大的 加强，同时若适当提高测边及方向观测精度，待定点均可以满足钢索塔平面专用控制网 的精度要求。 2 4 钢索塔平面专用控制网的施测及数据处理 2 4 1 提高精度的措施 为达至0 专用控制网商精度的要求，必须采取措旖以提高外业观测的精度： ( 1 ) 为避免仪器对中误差，岸上及过渡墩顶面控制点都建有混凝土观测墩，墩高 1 2 m ，基础厚度0 6 m ，观测墩基础下埋入1 2 m 深的钢管4 根，以加强观测墩的稳定性， 且观测墩顶部均设置强制对中底盘及保护罩；考虑到在主塔下横梁处埋设混凝土观测墩 会破坏下横梁的结构，影响旆工进度，因此下横梁处控制点观测墩是采用三角铁制作的 全金属结构，与塔柱焊接固定，其顶面设置强制对中底盘，并搭设遮阳蓬； ( 2 ) 为尽量减弱大气折光的影响，需要严格控制观测时段。外业观测选在云层较 厚的阴天进行，且分为上午、下午气象条件较为稳定的两个时段，以减少折光、对流和 下垫面不均匀等因素对观测的影响； ( 3 ) 观测仪器选用高精度的莱卡t c a 2 0 0 3 全站仪，标称精度为测角o 5 ”，测距 ( i n a n + 1 p p m ) ，全站仪的加乘常数应定期检测，并在距离测量中加以校正，观测时精确 量取测站点和目标点的干温、湿温、气压，进行气象改正，往返各观测4 测回，以提高 测边精度；角度观测选用河海大学开发的t e a 2 0 0 3 全站仪配套软件，采用全圆测回法进 行9 测回自动观测，避免了人为照准误差； 1 2 第二童平面专用控制网的设计与实施 ( 4 ) 仪器高量取采用精密水准尺小角度法测得 m l ，即在测站点附近立一水准标尺， 通过经纬仪观测水平视线在标尺上的读数，根据两点间的己测水准高差计算仪器高。目 标高量取采用精密水准尺等视线法量取，即水准尺立于目标点强制对中基座上的水准标 志点上，将水准仪的横丝对准棱镜中心，记下测微分化读数；再将水准仪轻微水平旋转 对准水准尺，读取此时横丝附近的水准尺读数；然后用横丝精确卡准该读数，记下此时 测微分化读数，则两次测微分化读数的差值加上水准尺读数值即为目标高。这种方法测 定的仪器高和目标高比直接量取的准确，可达到0 2 m m 的精度； ( 5 ) 对测得的斜距进行高差改平，并投影到平均4 7 0 m ( 1 9 5 6 年黄海高程) 的桥 面平均高程面上，以提高平面控制网边长的精度。 经过高差改平后的起算边长和实测边长归化至椭球面上的大地线长度公式为1 1 0 1 - - 】： 虹一盎( 2 - 4 ) 式中a s = s d 为边长归化改正数，d 为经高差改平后的实测边长，s 为椭球面上相应的 大地线长度，拄。为桥面平均高程4 7 0 m ，r 为归化边长方向法截弧曲率半径，取其概值 6 3 7 0 k m 。 2 4 2 先验精度评定 先验精度评定是在外业观测后、平差数据处理之前对外业观测成果进行精度预先估 计，观察外业观测成果是否符合设计精度要求。 c _ 1 z l 对水平角观测值，在计算各三角形角度闭合差后按菲列罗公式卅f ：、上掣 ，得 yj 刀 出各控制网测角中误差分别为0 5 4 ”、0 6 9 ”、o 6 1 ”、0 6 3 ”，均满足二等三角测量 测角中误差的要求。同时根据规范要求，对网中的大地四边形、中点多边形进行极条件 自由项的检核，共有1 2 个独立极条件，均小于限差，且小于1 2 限差的达8 3 。对边 角网余弦条件闭合差进行检验，亦均满足规定的要求。对边长往返测观测值( 己归化至 4 7 m 处) ，计算各边往返测距离的较差，计算结果均满足限差要求。 2 4 3 控制网数据处理 钢索塔平面专用施工控制网采用经典l d - - 乘间接平差模式，选用河海大学开发的 二维测量平差软件进行数据处理。控制网坐标系统采用南京长江三桥桥轴坐标系，边长 投影到大桥桥面平均4 7 0 m ( 1 9 5 6 年黄海高程) 高稷面。 河海大学硕士研究生论文 南北塔专用控制网平差后的单位权中误差( 测角中误差) 分别为0 5 0 ”和- - o 5 9 ”， 且点位中误差均小于1 6 0 r a m 的精度要求；桥轴线相对中误差为1 6 3 70 0 0 、1 6 1 00 0 0 。 各控制点的点位中误差如表2 2 所示。 裹2 2 平差后备点点位中误差 南塔控制点北塔控制点 点名中误差( )点名中误差( m ) 1 0 5 - 4 - 0 9 8 t 6h l l 1 0 50 9 8 t 7 t l 2 1 0 21 1 l t 1 0h l 3 1 0 21 1 1 t l lh l 4 2 5 小结 我国在近2 0 年的时间里，大型斜拉桥的旃工技术由起步阶段进入了世界前列，积 累了丰富的施工经验。但是南京长江第三大桥钢结构的主塔形式在国内尚属首例，其施 工特点对控制网提出了极高的精度要求。本工程采用的控制网设计理论和先进的测量手 段，有效地保证了旖工控制网的精度和可靠性，满足了工程旌工的实际需要，具有一定的 理论和实用价值，对今后同类型的桥梁专用控制网的施工起到了参考作用。通过对钢索 塔平面专用旖工控制网的网形设计、施测及精度分析，可以得出以下结论： ( 1 ) 专用施工控制网的合理布设既要保证桥梁主轴线放样和主梁架设，也应有利 于旅工放样和监测的方便性； ( 2 ) 为保证工程质量和方便工程施工，结合大型斜拉桥工程的结构形状和施工特 点，施工控制网应选用合理的坐标系统和投影高程面。本工程采用的桥轴坐标系统和桥 面平均高程投影面不仅方便了施工放样，而且对关键部位的旖工精度十分有利。 ( 3 ) 专用施工控制网的控制点间距离变化较大，点位精度要求却很高，因此在控 制 回设计时，应十分注意控制网的网形，尽量提高控制网的图形强度。尤其是本工程中主 塔下横梁顶部两个未知点之间进行联测，极大地提高了控制网的强度和控制点的点位精 度。 ( 4 ) 控制点宜采用混凝土观测墩并安装强制对中底盘以消减仪器对中误差，特殊 场地处应采取相应措施制作带有强制对中底盘的观测墩( 如本工程下横梁处控制点) ， 且点位应力求选址在稳固且易长期保存处。 - 1 4 - 第三章钢索塔高程专用控制网的设计与实施 第三章钢索塔高程专用控制网的设计与实施 3 1 首级高程控制网概况 在大型斜拉桥建设中，高程传递是一项非常重要的基础工作。由于大型斜拉桥施工 多在宽阔的江面上进行，其复杂的观测环境及现场施工的影响使得一般的高程传递方法 在这里遇到了极大的困难，精度大大降低。对于此类特殊环境下的高程传递应使用特殊 的测量方法。 南京长江三桥位于长江江苏境南京区段，属长江中下游平原地区，地势平坦，江面 开阔，南北岸距离约1 8 0 0 m ，给高程过江传递带来很大困难。高程控制网的设计主要考 虑两岸基准统一，点位稳固可靠，施工便利，检测、复测容易等因素。考虑到桥址地形地 貌以及现场施工要求等具体情况，主桥首级高程控制网按二等水准精度布设( 如图3 1 ) ， 采用1 9 5 6 年黄海高程系统，边长投影至大桥桥面平均高程4 7 o m 处，高程控制点采取 复合标的形式，& 口水准标石建于平面观测墩基础上。 图3 1 首级高程控制网 陆地上水准点之间的联测按国家二等水准测量的精度指标，使用高精度自动安平水 准仪n i 0 0 7 以精密几何水准方法施测。为使两岸高程统一，布设了双线跨河水准路线， 即在上、f 游两处各布设一条跨河水准路线的方式将两岸水准路线连成一个闭合环，以 提高跨河水准测量的精度和观测成果的自检能力。由于n t 0 4 - - n t 0 3 和n t 0 6 n t 0 5 两处 1 5 河海大学硕士研究生论文 跨河长度均超过1 7 0 0 m ，为达到高程控制网二等精度的要求，利用两台瑞士产w i l dt 3 经纬仪采用经纬仪倾角法 ”1 同时对向观测。 3 2 钢索塔高程专用控制网设计方案 3 ，2 1 网形布设 对于大跨径桥梁高程施工控制网，若水中有已建成或已出水