（大地测量学与测量工程专业论文）大跨径斜拉桥主梁施工监控测量内容与方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 大跨径斜拉桥属于高次超静定结构，是由塔、梁、索三者共同组成的一个 平衡体系，任何一方面状态的改变都会影响结构内力分配和主梁线形的变化。 为确保主梁施工安全，使合拢线形尽可能地接近设计线形，施工中对主梁安装 线形、测量手段、测量精度以及测量数据处理方法等提出了更高的要求。 本文从跨径桥梁主梁施工阶段引起主梁线形变化的主要因素和变形产生的 原因入手，研究大跨径桥梁主梁施工阶段主要监控测量内容，其中包括主梁竖 向挠度监控测量、主梁中心线水平偏位测量、索塔塔顶的摆动扭转变形测量、 索塔基础沉降变形监测及合拢口合拢前连续变形监控测量；在选择适合于主梁 施工监控测量的方法中，本文根据不同监控测量内容的特点，全方位的对各种 监控测量方法进行对比分析；根据主梁施工各项指标的精度要求，论文从平面、 高程和空间三维定位方面对预先所选用的方法进行精度估算公式的推证，以期 为所选用方法能保证主梁施工监控测量精度，满足施工监控要求提供依据。 本文对安庆长江大桥钢箱梁吊装施工监控进行了实例分析；分析的内容包 括精密水准测量方法测量悬臂端主梁高程、极坐标法测索塔塔顶的偏移和扭转 变形、跨河水准测量测联测两索塔内水准基点等监控测量。实例分析验证了本 文所确定的监控测量内容与方法的可行性。 关键词大跨径斜拉桥；主梁施工；监控测量；精度估算 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a bs tra c t l a r g e s p a nc a b l e - s t a y e db r i d g e ，a sak i n do fh i 曲- o r d e ri n d e t e r m i n a t es t r u c t u r e ， w h i c hi sab a l a n c es y s t e mc o m p o s e db yt o w e r , g i r d e ra n dc a b l ec o m p o s e i ft h e b a l a n c ec h a n g e s ，t h e n ，t h es t r u c t u r a li n t e m a lf o r c ea n dl i n e a rs h a p eo ft h em a i ng i r d e r w o u l db ea f f e c t e d t h e r e f o r e ，t h el i n e a rs h a p eo ft h eg i r d e r , s u r v e ym e a s u r e s ， p r e c i s i o no fs u r v e ya n dm e t h o do fp r o c e s s i n gd a t a ，m u s tb em o r es e r i o u st oi n s u r et h e a c c u r a c yo ft h el i n e a rs h a p ea n ds e c u r et h ec o n s t r u c t i o nw o r k i n g a b o v ea l l ，t h et h e s i si l l u m i n a t e st h ep r i m a r yf a c t o r sa n dt h ec a u s e so ft h el i n e a r s h a p et r a n s f o r m a t i o ni nt h ep e r i o do ft h em a i ng i r d e rc o n s t r u c t i o n t h e n ，t h ep a p e r s t u d i e st h ep r i m a r ym o n i t o r i n ga n dm e a s u r i n gm e a s u r e s ，i n c l u d i n gt h ev e r t i c a l d e f l e c t i o nd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ，c e n t e r l i n ee x c u r s i o nm o n i t o r i n go ft h eg i r d e r , t h e w a v e ro fc a b l e t o w e lt o r s i o nd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ，s e t t l e m e n td e f o r m a t i o n m o n i t o r i n go fc a b l e - t o w e ra n dc o n t i n u o u s l yd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n go ft h ec l o s u r e g a pb e f o r ef o l d e d t h et h e s i sa n a l y s e ss e r i e so fm o n i t o r i n ga n dm e a s u r i n gm e t h o d s ， b a s e do nd i f f e r e n tc h a r a c t e r s t h e p a p e r d e m o n s t r a t e st h e p r e c i s i o n f r o m t h r e e d i m e n s i o n a lo r i e n t a t i o nb yf o r m u l ad e d u c t i o n a n dt h ea i mi sp r o v i d i n ge n o u g h s u r v e ya c c u r a c yt oi n s u r eh i 曲q u a l i t yo fc o n s t r u c t i o nf i n a l l y i nt h ee n d ，t h et h e s i si l l u m i n a t e ss u r v e ya n dm o n i t o r i n gd a t u mo ft h eh o i s ta n d i n s t a l l a t i o no fs t e e l b o xg i r d e ro fa nq i n gy a n g t z er i v e r t h es u p e r v i s i o ns u r v e y m e a s u r e si nt h i sp r o j e c ti n c l u d ep r e c i s el e v e l i n gf o ra l t i t u d eo ft h em a i ng i r d e ri n c a n t i l e v e r , p o l a rc o o r d i n a t em e a s u r i n gm e t h o df o rt h ew a v e ro fc a b l e t o w e ra n d t o r s i o nd e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ，r i v e r - c r o s s i n gl e v e l i n gf o rb e n c h m a r k i n gp o i n t si n t w oc a b l e t o w e r s t h es u p e r v i s i o ns u r v e ym e a s u r e s ，w h i c hh a v eb e e np u tf o r w a r db y t h ea r t i c l e ，h a v eb e e nt e s t e da n dp r o v e di np r a c t i c e k e y w o r d s ：l a r g e - s p a nc a b l e s t a y e db r i d g e ；t h eg i r d e rc o n s t r u c t i o n ；m o n i t o r i n ga n d m e a s u r i n g ；a c c u r a c ye s t i m a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：兹奈石 日期：刎占，么，夕 指导老师签名：磁驯 吼伪卵一6 ：- i ( 7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 系统地研究主梁施工监控测量内容，对各挠度变形的影响因素进行综合 分析，阐述监控测量的目的与意义。根据监控测量项目的具体要求及特点，结 合不同测量方法的适用范围，选择适合大跨径斜拉桥主梁施工监控测量的方法； 2 对主梁施工监控测量中所涉及的测量方法进行精度估算，结合对安庆长 江大桥主梁施工监控测量成果的分析，验证所选用方法的可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 概述 第1 章绪论 1 1 1 桥梁在交通运输中的地位 建立四通八达现代化交通网，大力发展交通运输事业，对于加强全国各族 人民的团结、发展国民经济、促进各地经济发展、促进文化交流和巩固国防， 都具有非常重要的意义。在公路、铁路、城市和农村道路以及水利建设中，为 了跨越河流、沟谷或其他线路等各种障碍，必须修建各种类型的桥梁与涵洞， 因此桥涵是交通线路中的重要组成部分。特别是在现代高等级公路以及城市高 架桥道路的修建中，桥梁往往是保证全线早日通车的关键。在经济上，一般来 说桥梁和涵洞的造价平均占公路总造价的1 0 - - - 2 0 ，而且随着公路等级的提 高，其所占比例还会有所加大。在国防上，桥梁是交通运输的咽喉，在需要快 速机动的现代化战争中具有非常重要的地位。 随着科技的进步，工业水平的提高，社会生产力的高速发展，人们对桥梁 建筑提出了更高的要求。现代高速公路上迂回交叉的立交桥，高架桥不但是规 模巨大的工程实体，而且犹如一道地上“彩虹”。纵观世界各国的大城市，常 以工程宏伟的大桥作为城市的标志与骄傲。桥梁已作为一种空间艺术结构物存 在于社会之中。 1 1 2 国内桥梁发展简介 我国是世界上文明发达最早的国家之一，在世界桥梁建筑史上我们的祖先 写下了不少辉煌灿烂的篇章。 浮桥方面：据史料记载，在距今约三千年的周文王时，我国就在宽阔的渭 河上架过大型浮桥。由于该类桥型具有架设简便快速特点，所以它常用于军事 活动。汉唐以后，浮桥的运用日趋普通。 现代桥梁中广为修建的多孔桩柱式桥梁，在我国春秋战国时期就普遍在黄 河流域和其他地区采用，不同的只是古桥多以木桩为墩柱，上置木梁、石梁。 石梁桥方面：在秦汉时期，我国已广泛修建石梁桥。世界上现在尚保存着 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的最长、工程最艰巨的石梁桥，就是我国于公元1 0 5 3 年1 0 5 9 年在福建泉州建 造的万安桥( 也称洛阳桥) 。此桥长达8 0 0 m ，共4 7 孔，位于“波涛汹涌，水深 不可测的海口江面上。此桥以磐石铺遍桥位江底，是近代筏形基础的开端； 并且独具匠心地用养殖海生牡蛎的方法胶固桥基，使之成为整体，是世界上绝 无仅有的造桥方法。近千年前就能在这种艰难复杂的水文条件下建成如此长的 桥，实属中外桥梁史上的一个奇迹。1 2 4 0 年建造的福建漳州虎渡桥，也是令人 惊奇的一座梁式石桥。此桥总长约3 5 0 m ，某些石梁长达2 3 7 m ，沿宽度由三根 石梁组成，每根宽1 7 m ，高1 9 m ，质量达2 0 0 t ，该桥一直保存至今。历史记载， 这些巨大石梁是利用潮水涨落浮运架设的。 拱桥方面：举世闻名的河北省赵县的赵州桥( 又称安济桥) ，是我国古代石 拱桥的杰出代表。该桥在隋大业初年( 公元6 0 5 年左右) 为李春所创建，是一 座空腹式的圆弧形石拱桥，跨径3 7 0 2 m ，宽9 m ，拱矢高7 2 3 m 。在拱圈两肩各 设有两个跨度不等的腹拱，这样即减轻自重。节省材料，又便于排洪、增加美 感。除赵州桥外，我国还有其他著名的石拱桥，如北京永定河上的卢沟桥，颐 和园内的玉带桥和十七孔桥，苏州的枫桥等。我国石拱桥的建造技术在明朝时 曾流传到日本等国，促进了与世界各国人民的文化交流，并增进了友谊。 吊桥( 悬索桥) 方面：近代大跨径吊桥( 悬索桥) 和斜拉桥也是由古代的 藤、竹吊桥发展而来的，在各国有关桥梁的历史书上，大都承认我国是最早建 筑吊桥的国家。在唐朝中期，我国就从藤索、竹索发展到用铁链建筑吊桥，而 西方在1 6 世纪才开始建造铁链吊桥，比我国晚了近千年。至今仍保留下来的古 代吊桥有四川泸定桥县的大渡河铁索桥( 1 7 0 6 ) ，灌县的安澜竹索桥( 1 8 0 3 ) 等。 泸定铁索桥跨长l o o m ，宽约2 8 m ，由1 3 条锚固于两岸的铁链组成。而安澜桥 是世界上最著名的竹索桥，全长3 4 0 m ，分8 孔，最大跨径约6 1 m ，全桥由2 4 跟 竹索组成，其中桥面索和扶栏索各半，每根竹索粗0 1 6 7 m ，用细竹篾编织而成。 在我国古桥建筑中，尚值得一提的是广东潮安县横跨韩江的湘子桥( 又名 广济桥) 。此桥始建于公元1 1 6 9 年，全桥长5 1 7 8 5 m ，总共2 0 个墩台1 9 孔，上 部结构有石拱、木梁、石梁等多种形式，还有用1 8 条浮船组成的长达9 7 3 0 m 的开合式浮桥。设置浮桥的目的，一方面是适应大型商船和上游木排的通过， 另一方面也避免了过多的桥墩阻塞河道，以至加剧桥基冲刷而造成的水害。这 座世界上最早的开合式桥，论石桥之长、石墩之大、桥型之多、施工条件之难 和工程历时之久，都是古代桥梁史上所罕见的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 我国古代桥梁建筑曾取举世公认的成就。但自1 8 4 0 年鸦片战争后，由于帝 国主义列强的侵入，社会制度的腐朽，民不聊生，桥梁建筑的发展也停滞不前。 解放前，我国交通事业落后，可供通车的公路里程少，质量低劣。公路桥梁绝 大多数为木桥，年久失修，破烂不堪。虽然也修过一些公路钢桁梁桥、吊桥合 钢筋混凝土拱桥，但与世界上桥梁建筑的技术水平相比，仍处于非常落后的状 态。 中华人民共和国成立后，随着社会主义社会建设的向前发展，桥梁建设同 各条战线一样，也出现了突飞猛进的局面。1 9 5 7 年，第一座长江大桥武汉 长江大桥的胜利建成，结束了我国万里长江无桥的状况，标志我国的现代化桥 梁技术水平提高到了一个新的起点。大桥的正桥为三联3x1 2 8 m 的连续钢桁梁， 双线铁路，上层公路桥面宽1 8 m ，两侧各设2 2 5 m 人行道，包括引桥在内全桥总 长1 6 7 0 4 m 。1 9 6 9 年我国又建成了举世瞩目的南京长江大桥，这是我国自行设 计、制造、施工，并使用国产高强钢材的现代化桥梁。正桥除北岸第一孔为1 2 8 m 的简支钢桁梁外，其余为9 孔3 联，每联为3 1 6 0 m 的连续钢桁梁。上层为公 路桥面，下层为双线铁路。包括引桥在内，铁路部分全长6 7 7 2 m ，公路部分为 4 5 8 9 m 。桥址处水深流急，河床地质极为复杂，大桥桥墩基础的施工非常困难。 南京长江大桥的建成，显示了我国的建桥事业已达到了世界先进水平，也是我 国桥梁史上又一个重要标志。 目前，我国最大跨度的公铁两用钢桥，为1 9 9 3 年建成的九江长江大桥，主 跨为2 1 6 m 。 我国的拱桥有悠久的历史。2 0 世纪5 0 至6 0 年代修建了大量经济美观的石 拱桥，其中跨径最大的是云南省的南盘江长虹桥，跨径1 1 2 5 m 。之后跨径记录 一再刷新，1 9 9 0 年建成的湖南省凤凰县乌巢河大桥跨径达到1 2 0 m 。除石拱桥外， 我国还创建和推广了不少新颖的拱桥结构，如1 9 6 4 年创建的双曲拱桥，它具有 用料省、造价低、施工简便和外形美观等优点，很快在全国公路上得到应用和 推广，对加快我国公路桥梁的建设速度，起了很大作用。此外，全国各地还因 地制宜创建了其他一些各具特色的拱式桥梁，其中推广较快的有江、浙一带修 建的钢筋混凝土桁架拱桥和刚架拱桥、其特点是上部结构自重小，适合于在软 土地基上建造；山东的两铰平板拱、河南修建的双曲扁拱、山西与甘肃修建的 扁壳拱、广东修建的悬砌拱、广西修建的薄壳拱、湖南修建的圬工箱形拱和石 砌肋板拱等新桥型在结构或施工上也各具特色。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 在拱桥的施工技术方面，除了有支架施工外，对于大跨径拱桥，目前广泛 采用无支架施工、转体施工、刚性骨架施工法等。1 9 9 7 年建成的万县长江大桥， 此桥是用钢管混凝土劲性骨架作为拱架施工的箱形拱桥，全长8 5 6 1 2 m ，主跨为 4 2 0 m ，跨径居目前世界上同类型桥梁之冠。矢跨比为1 5 ，拱上结构为1 4 孔3 0 m 预应力简支t 梁( 南5 孔，北8 孔) 。桥面连续，宽2 4 m ，设2x7 5 m 行车道和 2 3 0 m 人行道。主桥下为i i 一( 2 ) 级航道。 钢筋混凝土预应力的梁式桥，在我国也获得了很大发展。对于中小跨径的 桥梁，已广泛采用装配式的钢筋混凝土及预应力混凝土板式或t 型梁桥的定型 设计，不但经济适用，并且施工方便，能加快建桥速度。1 9 7 6 年建成的洛阳黄 河公路大桥，为跨径5 0 m 的预应力混凝土简支梁桥，全长达3 4 k m 。目前，我国 最大跨径的预应力混凝土简支梁桥是1 9 8 8 年建成的浙江瑞安飞云大桥，跨径 6 2 m 。 除简支梁桥以外，近年来我国还修建了多座现代化的大跨径预应力混凝土 悬臂梁桥和连续梁桥。1 9 8 0 年建成的重庆长江大桥，为主跨1 7 4 m 的t 型刚构桥。 1 9 9 1 年建成的云南怒江桥，为主跨1 5 4 m 的连续梁桥。1 9 9 6 年建成的黄石长江 公路大桥，主跨为2 4 5 m 的连续刚构桥。而1 9 9 7 年建成的广东虎门大桥，由东 引桥、主航道桥、中引桥、辅航道桥及西引桥五部分组成、大桥全长4 5 8 8 m ，桥 宽3 2 m 。辅航道桥为主跨2 7 0 m 的连续刚构桥，为当今同类型桥梁的世界最大跨 径。它标志我国预应力混凝土桥梁的建设水平已跨入世界先进行列。 近年来在世界桥梁建筑中蓬勃发展的现代斜拉桥，是结构合理、跨越能力 大、用材指标低且美观的先进桥型。1 9 7 5 年我国开始建造斜拉桥。从云南省云 阳汤溪河桥到上海市的南浦大桥、杨浦大桥，历时1 8 年建造了3 0 余座，跨径 从7 6 m 到6 0 2 m 。1 9 9 3 年建成的当时世界上跨进最大的结合梁斜拉桥杨浦大 桥，主跨为6 0 2 m 。杨浦大桥的成功兴建，标志我国的斜拉桥技术已迅速赶上了 世界的先进水平、不但促进了全国范围内建造大跨度斜拉桥的新高潮，也迎来 了建造大跨度悬索桥新形势。目前我国己成为世界上拥有斜拉桥最多的国家， 在世界前1 0 大著名斜拉桥排名榜上，中国有6 座。跨度6 0 0 m 以上的斜拉桥全 球仅有6 座，中国占了4 座。其中南京长江二桥( 2 0 0 1 年) 以主跨6 2 8 m 创当时国 内斜拉桥之最，之后的南京长江三桥再次将主跨跨径加长到6 4 8 m 。2 0 0 7 年竣工 香港昂船洲大桥，主跨跨径已突破1 0 0 0 m ，达1 0 1 8 m 、2 0 0 8 年5 月建成通车的江 苏苏通大桥，主跨跨径为1 0 8 8 m ，刷新世界同类型桥梁之最。建成后的苏通大桥 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 将拥有四个世界之最：一是跨径最大，目前世界上已建大跨径斜拉桥有日本多 多罗大桥主跨8 9 0 m 、香港昂船洲大桥主跨1 0 1 8 m ，苏通大桥跨径1 0 8 8 m ，建成后 将成为世界最大跨径斜拉桥；二是基础最深：主墩基础由1 3 1 根长约1 2 0 m 、直 径2 5 m 2 8 m 的钻孔灌注桩组成，承台长11 4 m 、宽4 8 m ，是世界规模最大、入 土最深的桥梁桩基础；三是“最高桥塔”：苏通大桥桥塔为高3 0 0 4 m 的混凝土 塔，昂船洲大桥桥塔高6 m ，比多多罗大桥( 2 2 4 m ) 高7 6 4 m ，为世界最高桥塔； 四是“最长拉索 ：苏通大桥最长拉索为5 7 7 m ，最大重量为5 9 t ，比多多罗大 桥斜拉索长1 0 0 多米，为世界最长斜拉索。苏通大桥建成后，具有十分重的经 济战略意义。建设苏通大桥对完善国家和江苏省干线公路网、促进区域均衡发 展，缓解过江交通压力、改善长江安全航运条件等都具有十分显著的作用。苏 通大桥的建造，将缩短南通与上海和苏南距离，使南通直接进入上海经济圈， 接受上海经济的辐射和产业转移，为南通和江苏苏中、苏北地区的工业化、城 市化和现代化建设注入新的活力。同三( 黑龙江省同江市至海南省三亚市) 国 道将从苏通大桥通过，为太平洋西岸黄金走廊的畅通创造条件。 1 1 3 国外桥梁发展简介 纵观国外桥梁建设发展的历史，对于促进和发展现代桥梁有深远影响的是 继意大利文艺复兴后1 8 世纪在英国、法国和其他欧洲国家兴起的工业革命。它 推动了工业的发展，从而也促进了桥梁建筑技术方面空前的发展。 1 8 5 5 年起，法国建造了第一批应用水泥砂浆砌筑的石拱桥。大约在1 8 7 0 年， 德国建造了第一批采用硅酸盐水泥作为胶结材料的混凝土拱桥。2 0 世纪初，法 国建成了戴拉卡混凝土箱形拱桥跨度达1 3 9 8 m 。目前最大跨径的石拱桥是1 9 4 6 年瑞典建成的绥依钠松特桥，跨度为1 5 5 m 。 钢筋混凝土桥的崛起，要追溯到1 8 7 3 年法国的约瑟夫莫尼尔首创建成的一 座拱式人行桥。由于有石拱桥的技术和建筑艺术为基础，加之钢筋混凝土突出 的受压性能，所以钢筋混凝土拱桥的兴起，一开始就十分引人注目。从1 9 世纪 末到2 0 世纪5 0 年代间，钢筋混凝土拱桥无论在跨越能力、结构体系和主拱圈 的截面形式上均有很大发展。由法国费莱西奈教授设计，于1 9 3 0 年建成的3 孔 1 8 6 m 拱桥和1 9 4 3 年瑞士建造的跨径2 6 4 m 的桑独桥，均达到了很高的技术水平。 后者作为此中拱桥的跨度纪录，一直保持到1 9 6 4 年澳大利亚悉尼港柏拉马塔河 桥的问世。1 9 8 0 年南斯拉夫用无支架悬臂施工方法建造了跨径为3 9 0 m 的克尔克 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 大桥，突破了3 0 5 m 的世界纪录。 国外在发展钢筋混凝土桥的同时，也修建了一些钢筋混凝土梁式桥，但限 于材料本身所固有的力学特性，梁式桥的跨径远逊于拱桥。直至1 9 2 8 年法国著 名工程师费莱西奈经过2 0 年研究，使预应力混凝土付诸实施后，新颖的预应力 混凝土梁首先在法国与德国以异乎寻常的速度发展起来。 1 9 世纪8 0 年代以后，特别是9 0 年代以来，随着高速公路交通的迅速发展， 要求行车平顺舒适，连续粱桥得到了迅速的发展。1 9 世纪5 0 年代前，预应力混 凝土连续梁虽是常被采用的一种体系，但由于当时主要采用满堂支架施工，费 工费时，限制了它的发展，跨径都在百米以内。5 0 年代后，悬臂施工方法的出 现加速了连续梁桥发展步伐。结构的悬臂体系和悬臂施工方法相结合产生了t 型刚构，但是这种结构由于中间带铰，加之对混凝土徐变、收缩变形估计不足， 又因温度影响等因素使结构在铰处形成明显折线变形状态，对行车不利，在这 种情况下预应力混凝土连续刚构桥应运而生，并得到较快的发展。 2 0 世纪7 0 年代，随着对刚构体系受力特性认识的不断深入和悬臂施工方法 的日趋完善，大中跨径预应力连续刚构方案获得了新的竞争力，逐步在 1 2 0 m 3 0 0 m 跨径范围内占主导地位。迄今为止，世界上建成主跨大于2 0 0 m 的 预应力连续刚构桥已经超过3 6 座。目前国外公路桥梁中跨径最大的预应力混凝 土连续刚构桥为挪威s t o l m a s u n d 桥及其姊妹桥r a f ts a n d 桥，主跨跨径分别为 3 0 1 m 和2 9 8 m ：铁路桥跨径最大的是葡萄牙n e wd o u r o 桥，主跨达2 5 0 m 。 现代大型桥梁中，斜拉桥己成为大跨径桥梁的主要桥型之一，并在跨度 2 0 0 - - , 8 0 0 m 范围内占据着绝对优势。自1 9 5 5 年第一座当代钢斜拉桥( 斯特罗姆 松德桥) ( s t r o m s u n d7 4 7 m + 1 8 2 6 m + 7 4 7 m ) 在瑞典建成之后，历经半个世纪， 斜拉桥技术得到空前发展。世界己建成主跨2 0 0 m 以上的斜拉桥有2 0 0 余座，其 中跨度大于4 0 0 m 的有4 0 余座。日本1 9 9 9 年建成的多多罗桥( t a t a r o 桥， 2 7 0 m + 8 9 0 m + 3 2 0 m ) ，成为当时斜拉桥跨度之最，是世界斜拉桥建设史上的一个重 要里程碑。 1 2 国内外对斜拉桥施工监控研究现状 大跨径斜拉桥在跨径2 0 0 m - 、一8 0 0 m 中占据绝对优势，其主梁施工的监控测量 的研究也焕发出新的生机与活力，国内外不少工程界研究人员都活跃在这一领 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 域中，积极探索斜拉桥监控测量的方法。并运用了各种科学的方法和手段，对 这件监控测量方法进行分析，对大跨径斜拉桥监控测量的发展做出很大贡献。 斜拉桥是自然界开放体系，各种自然条件极其变化都会引起斜拉桥变形， 如斜拉桥地基的工程地质、水文地质、大气温度、地基的变形、温度和地下水 位的周期性变化等都会引起斜拉桥的规律变化；而由于斜拉桥自重、车辆载荷、 风载及其引起的震动同样会造成斜拉桥的变形。斜拉桥监测的关键参数主要包 括：载荷监测，包括风、地震、温度和交通负荷；几何监测，指监测斜拉桥各 部位的静态位置和静态位移；结构的静动力反应，如频率、振型、位移、应变、 阻尼模态等。进行健康监测的工作主要就是围绕这些项目的测量和健康状况的 评价而进行的。监测工作包含了极其广阔的内容，具体包括：传感器技术研究、 信号提取及传输、数据采集、数据处理、数据存储、损伤定位和评价及斜拉桥 综合状况指标及其评价软件等。各国工程技术人员和科研工作者在这些领域开 展了大量的工作；在参数监测方面，采用各种传感器对斜拉桥的应变及变形等 参数进行监测，并研制了多种参数测量系统；在数据采集和远程运输方面，采 用将监测网络系统连接到i n t e r n e t 上，实现方便和真正的远程监测；另外，通 过运用各种方法和模型还形成了一定的评价标准。 自1 9 5 5 年第一座现代钢斜拉桥在瑞典建成开始，国内外许多专家学者不断 对大跨径斜拉桥的变形成因及监控方法进行大量的研究。2 0 世纪9 0 年代以后 进入一个颠峰状态。1 9 9 5 年刘成龙“特大形桥梁施工高程控制网布设与跨河水 准测量试验 ，提出在特大形桥梁中，如何讲跨河水准测量方法进行优化，以满 足高程控制网中点与点之间在1 o 1 5 k m 间的跨河水准测量；1 9 9 6 年徐亚利的 “桥梁挠度测量方法的探讨”针对大跨度铁路桥梁静态挠度测量方法提出利用 加速度计和测量桥梁的倾角的方法计算桥梁的挠度；2 0 0 0 年刘成龙“大跨径悬 索桥施工索塔变形成因分析与监测”，对高索塔变形成因进一步进行分析，并系 统、全面地阐述了高索塔的变形成因；2 0 0 3 年连泉岳“大跨径桥梁施工控制网 精密三维坐标定位方法研究”，阐述了如何利用全站仪进行精密三维坐标定位的 方法。2 0 0 2 年黄腾、黄张裕发表的“斜拉桥钢箱梁施工实时测控技术”，主要阐 述在南京长江二桥主梁安装中，如何根据施工全过程中实际发生的各项影响桥 梁内力与变形的参数，结合施工过程中实测的各阶段卞梁内力与变形数据，以 施工测控模型，随时分析各施工阶段中卞梁内力和变形与设计预期值的差异， 并找出原因，提出修正对策，确保全桥建成时斜拉桥的内力状态及外形曲线与 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 设计值尽可能相符。 随着斜拉桥监测研究工作的进行，出现了许多用于位移及挠度测量的方法 和仪器。总结起来，挠度测量方法主要有三类：机械式测量方法，如悬丝法；电 测式，如电磁波测距法；光测式及光机电结合测量方法。而采用的测量仪器、 仪表主要有：百分表、千分表、加速度计、水准仪、经纬仪等。这些仪器目前 在我国的斜拉桥监测及验收鉴定中仍然广泛使用，在长期的测量工作中，许多 专业检测人员对测量技术进行了改造和革新也是基于上述几种。近年来，许多 桥梁工作者提出了一些新的挠度测量方法，这些方法与传统方法相比，有所突 破，其中有许多非接触测量方法，解决了过去测量方法中不能解决的问题，这 些方法在实践应用上也都有各自的优点和优势，但还有许多不尽人意之处：或 成本高、精度低；或维护困难、不适于长期使用；或使用条件苛刻、实用性不 强、或准备工作时间过长，安装不大方便，在复杂多变的外界条件下，仪器可 能会发生故障。总之找不到合适的实用结构挠度监测方法，必然会影响到大跨 径斜拉桥施工监控测量的发展。 1 3 斜拉桥监控测量组织安排、目的和意义 1 3 1 斜拉桥监控组织安排 斜拉桥监控是一项集测试、计算、分析、决策于一体的智能行为，必须要 有完善的组织上的保证。 图1 - 1 监控组织机构及其工作关系 如图1 1 所示：一个完整的斜拉桥监测监控项目，首先应该成立起指导作用 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的监测监控专家组，其成员由包括教授级高工在内高级技术人员组成；其次根 据具体项目的工作内容和特点，成立监测监控小组，在这个监测监控小组中至 少应包括变形测量、温度测量、应力测量、索力测量等；最后还需要有监控计 算小组对监测监控的成果进行分析处理。 考虑到斜拉桥的施工工艺很复杂，难度也较大，因此，除了上述监测监控 组织机构的保证之外，尚应成立集管理、设计、施工、测试等工程技术人员共 同参加的技术工作组。其主要任务是实施监控管理，工作流程详见图卜2 。 图1 2 监控管理工作流程 斜拉桥施工监测监控是一个“施工一测量一计算分析一修正一预告的循 环过程，最根本的要求是在确保结构安全施工的前提下，要做到主梁线形和内 力符合设计规定的允许误差范围。而测量是施工监测监控中的重要环节，它包 括几何指标参量的测量和力学指标参量的测量两部分一。 1 3 2 斜拉桥测量目的、意义 大跨径斜拉桥特点是单跨跨径大，为满足结构、力学等设计要求，斜拉桥 的基础也会显得相对较大较笨拙，为控制好这些部位在施工中的精度，施工期 间需要一个整体的测量监控。斜拉桥施工阶段的控制是一个系统工程，主要包 括二部分。一部分是数据采集系统，即监测；另一部分是数据分析处理系统， 即监控。前者是利用事先在塔、梁和拉索等主要部位埋设数种性能各异的传感 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 器和相关的测试仪器获得大量的数据，包括几何参量和力学参量。监控则是利 用高效计算机程序，对数据进行分析处理，并确定下一个阶段的施工参数。根 据数据采集手段不同可分为力学监控测量和几何监控测量。力学监控测量指利 用力学测量仪器采集相关的力学指标参量，再根据这些数据，分析斜拉桥在当 前状态下的一种受力状况，为下步的施工控制提供数据分析与技术指导；几何 监控测量是采用各种测绘仪器采集相关的几何指标参量，分析斜拉桥所处的线 形状况是否满足设计与计算的要求，并为下道工序提供预报与指导。二者有机 结合，调整控制斜拉桥的内力和线形，实现桥跨结构内力和线形同时达到设计 预期值。 很多学者对监控测量模型进行研究，并取得很多的成果，但纵观以往的研 究成果，这些研究大多从微观角度，针对某个具体的监控内容，较少从宏观角 度出发、系统提出大跨径斜拉桥主梁施工中的监控测量内容。斜拉桥监控测量 是利用一定的测量手段去获取斜拉桥主梁施工的各项挠度变形值，并通过数据 的计算、分析、处理获取所需的各种挠度最或然值，最终指导施工、做出预报， 任何一个挠度变形分析不到位，都有可能造成施工质量的问题。 本课题的创新性就在于从宏观桥梁监控测量出发，研究主梁施工监测测量 内容，对主梁施工各种挠度变形的影响因素进行综合分析，论述监控测量目的 和意义。根据监控测量项目的具体要求及特点，结合不同测量方法的适用范围， 选择适合大跨径斜拉桥主梁施工监控测量的方法；并对测量方法进行精度估算， 并结合安庆长江大桥主梁施工，验证所选用方法的可行性。 1 4 本文的研究内容 本课题研究目标是在众多监测手段中寻求最优化的测量方法，提高监控精 度，尽可能缩短每期观测、数据处理与分析时间，做到最有利于梁体施工安全 和最好的合拢状态。 研究内容：研究主梁施工中监控测量的内容与方法；分析各项挠度变形形 成原因与影响因素；同时对监控测量方法进行精度估算。 拟解决的关键问题：通过理论分析，研究大跨径斜拉桥施工主梁施工监控 测量的内容。结合主梁施工精度要求，分析不同测量方法的使用范围，选择适 合监控测量的方法。对测量方法进行精度估算，分析所选用方法的可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章大跨径斜拉桥主粱施工监控测量内容与方法 2 1 大跨径斜拉桥概况 斜拉桥是高次超静定结构，每个节点位置的变化都会使施工线形偏离设计 值，导致结构内力重新分配，使成桥内力偏离设计值。主梁、索塔和拉索之间 刚度相差十分悬殊，受拉索垂度、温度变化、风力、日照的影响、施工临时荷 载、混凝土收缩徐变等复杂因素干扰，使力与变形关系变得十分复杂，施工中 虽可以采用多种计算方法，算出各施工阶段或步骤的索力和相应的梁体变形， 但根据理论计算所给出的索力、线形指导施工时，结构的实际变形却未必能达 到预期效果。斜拉桥在施工中表现出来的这种理论与实际的偏差具有累积性， 如不及时加以有效控制和调整，随着主梁悬臂施工长度增加，主梁标高最终会 显著偏离设计目标，造成合拢困难，影响成桥的内力和线形。斜拉桥施工监测 监控是保证斜拉桥达到设计要求的重要手段，公路斜拉桥设计规范 ( j t j 0 2 7 - 9 6 ) 明确规定了斜拉桥施工必须进行相关的监控测量。 斜拉桥是依靠固定于索塔的斜拉索支撑梁跨的组合体系梁桥。与悬索桥不 同，斜拉桥直接锚固于主梁上，拉索承受巨大拉力，拉索的水平分力使主梁受 压，因此塔、梁均为压弯构件。斜拉桥主梁通过拉紧的拉索与塔直接相连，增 加主梁抗弯、抗扭刚度，在动力特征上优于悬索桥。现代大型斜拉桥主要是索、 梁、塔三大部分组成( 如图2 - 1 ) ，这种结构体系对每个节点要求十分严格，节 点的坐标变化都将影响结构内力的分配和成桥线形。测量工作是斜拉桥施工的 重要组成部分，从施工控制网的建立、观测与数据处理，到斜拉桥基础和上部 结构的施工放样与检测，钢梁拼装过程中形态测控等，贯穿斜拉桥整个建设过 程。大跨径斜拉桥结构与施工工艺复杂、周期长、质量要求高，同时对测量人 员素质、测量仪器精度、测量方法、数据处理方法、梁段形态监控测量方法等 提出很高要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 么j 一么勃 阿研雨丽删 研i 图2 1 ：现代大型斜拉桥一般构造 斜拉桥测量监控分为控制测量与施工测量控制两部分。控制测量分为平面 控制和高程控制两种，根据布网的顺序及控制范围不同，又可分为首级控制网 和加密网；首级平面控制网控制全桥线形，起整体控制作用。随着测绘仪器不 断进步与发展，首级平面控制网以g p s 建网为主；加密网则根据施工需要，以 首级网为基础，在施工区域内布设的局部控制网，加密网根据布设时间与上级 网点不同，依次分为首级加密网、二级加密网等。加密网分布范围较小，通常 以g p s 网或边角网为主。高程控制网若在陆地上，则以精密水准测量为主；跨 江、河或海的高程网，更多采用跨河水准测量完成，目前三角高程测量亦可达 到三等水准测量精度等级，以杭州湾跨海大桥为例，南北两岸水准点的联测， 仍采用陆地上精密水准测量，但是对于海中优先墩的高程控制网，则采用三角 高程测量代替跨海水准测量，并取得良好的效果。安庆长江大桥高程控制网， 则由精密水准测量与跨河水准测量联合完成。 2 2 主梁竖向挠度监控测量 2 2 1 主粱竖向挠度变形监控测量目的 主梁挠度变形监测是大跨径斜拉桥变形监测一个重要内容。主梁竖向挠度 变形监测指在吊装、安装、挂索一张、精匹配、拉索二张等各个施工工况下， 对悬臂端梁段进行高程测量，计算这些梁段在不同工况下挠度变化情况。其目 的是通过不同工况监测数据，为监控提供单位提供挠度变化趋势模型计算初始 数据，通过对已产生挠度变形量，验证计算模型正确性，对主梁安装挠度变化 模型进行修正，更加合理地指导后续梁段施工。主梁竖向挠度变形也是对设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 是否合理的一个验证，确保主梁施工安全，使成桥后竖向线形最大程度上接近 设计线形叭m 1 5 1 7 侧。 2 2 2 主梁竖向挠度变形原因分析 图2 2 钢箱梁吊装施工作业流程 如图2 - 2 所示为安庆长江大桥有所区主梁吊装施工作业流程。安庆长江大 桥无索区( 0 ”块区) 、过渡墩到辅助墩区的钢箱梁安装采用托架施工，利用1 2 0 0 t 浮吊将直接将该施工区域的所有梁段一次性吊装至托架上，再根据监控指令调 整到位，最后焊接完成外，其他有索区钢箱梁则采用桥面吊机吊装施工，流程 中每个工况的交替变化，将引起主梁已经安装完成的梁段项面高程发生变化， 这种变化称为主梁竖向挠度变形。挠度变形量的大小与方向是否与理论计算的 变形相吻合，直接关系到钢箱梁安装质量，并影响到最终合拢精度，影响主桥 成桥后线形及索塔、斜拉索与主梁的受力情况，关系到成桥后运营安全。主梁 竖向挠度变形影响因素是多方面共同作用产生的，合理分析这些影响因素，选 择合适的主梁顶面高程调整时间，直接影响钢箱梁吊装施工质量。主梁施工各 工况( 特别是精匹配、拉索二张阶段) 需要对挠度变形进行监测，找出竖向挠 度变形规律，将外界环境对精匹配安装影响降低至最小值。基于上述分析，要 求主梁精匹配阶段选择在外界环境、温度相对恒定条件下进行，通常要求精匹 配、拉索二张工况在晚上2 0 ：0 0 之后至次日6 ：0 0 进行，并且将上一梁段安装完 成后的高程、索力等结果作为一个参考值，分析、计算下一梁段吊装的理论值 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 并做出预报，指导下梁段施工。造成主梁悬臂端主梁顶面高程变化的原因有： 1 造成主梁不同施工工况下悬臂端梁项高程的变化主要产生原因是主梁顶 面荷载变化和作用于梁上索力变化。主梁顶面荷载变化指主梁项面荷载的增减 和荷载所处位置变化。主梁项面荷载的增减因素很多，挂索一张阶段悬臂端前 端所增加拉索重量和索盘重量，精匹配阶段悬臂端两片主梁间增加连接板重 量，吊装阶段悬臂端前端增加主梁重量都是引起梁项荷载变化的因素；荷载位 置变化主要体现在桥面吊机前移，焊接设备随着施工截面前推而前移等。索力 变化集中在两个工况：挂索一张与精匹配拉索二张：外界环境温度变化也会影 响斜拉索索长变化，从而造成索力变化。所有这些都是引起主梁顶面高程变化 的主要因素。 2 日照及外界环境变化引起同一工况下主梁项面高程变化。大跨径斜拉桥 主梁包括混凝土箱梁和钢箱梁，当早上太阳升起的时候，随着外界气温的升高， 梁项、底板温度也会随之上升，由于顶板直接处于阳光照耀下，吸收热量要高 于底板，顶板温度上升速度高于底板，产生顶、底板间温差；在热胀冷缩作用 下，梁顶的热胀伸长量大于梁底，使悬臂端梁段产生向下弯曲挠度变形。主梁 受日照不同影响产生的竖向挠度变形随着每天日出日落的变化，呈以2 4 小时为 一个周期变化过程，悬臂端越长，这种变化量越大，变化趋势越明显。 3 索塔的摆动扭转变形也会直接通过斜拉索的牵扯作用于索塔两边的主 梁上，使主梁发生竖向挠度变形。 2 2 3 主梁竖向挠度变形监控测量方法 主梁竖向挠度变形监控测量属高程测量范畴。目前常用与测量高程的方法 有单向三角高程测量差分法、液体静力水准测量和几何水准测量等。单向三角 高程测量差分法是利用全站仪测量测站点至被测点间的距离和高差，求取被测 点的高程，这种高程测量方法适用于测量点位相对较少、分布较远或点与点间 虽然距离较近但高差较大。主梁顶面竖向挠度变形监测中，每个工况至少需要 测量索塔两侧悬臂端前端5 片梁段监测点的高程，特点是测量点位多，点与点 之间高差变化较小、相距很近( 一片梁长的距离) ，不适合选用单向三角高程差 分法进行高程测量。液体静力水准测量是利用同类液体在具有相同参数下，液 体的自由表面处于同一水准面的原理，测定观测点高程的一种水准测量方法， 这种方法其测量精度不高，主要用在特殊条件下进行工程水准测量，而不用于 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 建立等级高程控制，比如：有辐射危险、爆炸危险或者蒸气、尘埃等污染的情 况下监视设备的稳定性。另外为保证建筑物上观测点位置长期观测，应用固定 设置液体静力水准仪是合适的，我国丹江口水利枢纽的重力坝的横向走廊道里 就用固定设置的液体静力水准仪。但对于精度要求高，点位变化快的主梁顶面 高程测量，同样不适合采用该测量方法。 安庆长江大桥主梁挠度变形监测采用精密水准仪( n 3 ) + 配套因瓦水准尺精 密几何水准测量方法，严格按照二等精密水准测量要求进行施测。该方法最大 特点是测量速度快，测量精度高。主梁竖向挠度变形监控测量包括水准基点联 测与变形监测点高程测量两部分。施工中水准基点联测一般分为几个阶段联测 复核进行，变形监控点的测量是根据施工工况的变化