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自锚式悬索桥施工测量控制技术综述解光路（中交第二航务工程局第四工程有限公司，安徽 芜湖 412000）摘 要：为克服自锚式悬索桥施工困难及风险大的缺点以及施工测量控制中的难点，着重介绍大桥施工建设期间，在保证大桥质量和精度的前提下，主要构造物所采用的测量控制方法，并经过实践证明，此类技术方法满足相关规范精度指标的要求，同时总结了自锚式悬索桥在施工测量过程中的一些注意事项，对今后同类及类似桥梁施工测量控制提供借鉴。关键词：自锚式悬索桥；施工方案；测量控制网；索塔；主缆调整；索夹安装Self Anchored Suspension Bridge Construction Control Technology of MeasurementGuanglu Xie（In the Second Harbor Engineering Bureau of the Fourth Engineering Co. Ltd, Anhui Wuhu 412000）Abstract：In order to overcome the self anchored suspension bridge construction difficulties and disadvantages of high risk and construction control measurement difficulties focuses on bridge during the construction period, in order to ensure the quality and accuracy of the bridge under the premise, main structures used in measurement control method, has been proved by practice that such techniques meet the requirements of relevant norms of precision index, and summarizes the self anchored suspension bridge in construction survey of some matters needing attention, provide a reference for future similar and similar bridge construction control survey.Keywords：Self anchored suspension bridge; construction scheme; control network; cable; cable; cable clamp installation1 引言悬索桥是一种古老桥型，按主缆的锚固形式分为地锚式和自锚式悬索桥，绝大多数悬索桥，特别是大跨度的悬索桥，都采用地锚方式锚固主缆，即主缆的拉力由桥梁端部的重力式锚碇或隧道式锚碇传递给地基，而自锚式悬索桥采用自身锚的形式锚固主缆，故不需单独设置锚碇，主缆拉力直接传递给它的加劲梁来承受；它的优点是适宜用于两岸地基承载力较差，特别是软土地基的桥位，另外，对于城市闹区跨河桥梁可以避免影响景观或无法布置庞大的主缆锚碇建筑物；缺点是桥的跨度不宜过大，为了抵抗巨大的主缆水平分力，加劲梁的截面将非常庞大而很不经济，另外这种桥式一般必须先架设加劲梁，然后再安装主缆，实践中因施工困难、风险大等原因而极少采用。当前，随着我国经济技术的快速发展，自锚式悬索桥以其独特的艺术造型和特点备受人们关注，它的缺点被逐渐克服，迅速得到发展；下面结合株洲枫溪大桥为工程背景对这类桥梁施工测量技术进行叙述。2 工程概况枫溪大桥位于株洲市建宁大桥与天元大桥之间，连接天元区与芦淞区，大桥北起黄河南路与科瑞路交叉口，终于万寿路与曲尺大道交叉口，大桥建成后不但可以缓解城区过江压力，成为两岸城区之间的快速过江通道，同时对于加快枫溪新城、航空新城区以及河西市级中心的建设和发展都有重要意义。大桥主桥为双塔单跨平面主缆自锚式悬索桥，跨径布置为（3x45+300+3x45）m，主跨为封闭单箱三室钢加劲梁，边跨为混凝土梁，主、边跨在主塔附近通过钢混结合段相连，布置图如图1，图表 1桥型总体布置图索塔横向自上向下以1000：39.788的斜率向外倾斜,塔柱顶高程122.417m；索塔由基础、塔座、塔柱和上下横梁组成，呈双柱门式框架结构，并在塔顶设高16.8m塔冠，结构图如图2，图表 2索塔一般构造图全桥钢加劲梁总长298m，桥面宽32m，桥面设2%双向横坡，底板水平；主桥平面轴线线形为直线，位于同一竖曲线内，竖曲线半径为14000m，变坡点位于主桥跨中点；整个钢箱梁共划分为27个梁段，布置图如图3，图表 3钢加劲梁总体布置图主索鞍采用全铸型结构，鞍体下设聚四氟乙烯滑板，塔顶面设有底座板，以安装主索鞍，底座板悬出塔顶外，主鞍座就位后将悬出部分切除；散索套沿纵向分为上下两半，其上下套体均采用全铸型结构，下套体与底座板间设不锈钢滑板，如图4所示，图表 4主索鞍和散索套一般构造图大桥主缆理论跨径为主跨300m，边跨85.7m，主跨理论垂跨比1:5，主缆共2根，单根主缆由33根索股组成，每根索股由91根高强平行钢丝组成，每根主缆共3003丝，竖向排列成近似正六边形，主缆架设时竖向排列成尖顶近似正六边形，紧缆后，主缆为圆形，如图5所示，图表 5主缆和索股构造图全桥吊索索夹共41对，主跨设置23对吊索索夹，其余边跨均设置为不带吊索的封闭索夹，吊索索夹吊杆基本间距横向25.5m，纵向12m，见图6，图表 6吊索索夹一般构造图3 总体施工方案及测量内容3.1 施工方案本桥为自锚式悬索桥，上部结构总体上采用先梁后缆的方案施工：（1）索塔塔柱采用翻模浇筑施工；（2）下横梁采用支架法施工，上横梁采用托架法施工；（3）主桥钢箱梁采用现场组装，水中设置拼装平台和临时墩支撑桩的单向多点顶推法架设；（4）主缆施工采用预制平行钢丝逐根索股架设的PPWS工法架设；（5）主索鞍利用塔顶吊架分块吊装就位；（6）架设猫道作为主缆架设操作平台；（7）主缆调整完成后，安装索夹及吊杆；（8）吊杆张拉后，完成体系转换进行桥面及附属设施施工；（9）在塔顶搭建操作平台，安装塔顶装饰、索鞍保护罩、避雷装置等；（10）最后拆除大临设施。3.2 主要施工测量内容主桥测量控制网的建立；索塔施工测量控制；钢箱梁顶推线性控制；索股线性调整；吊索索夹定位。 4 悬索桥施工测量难点（1）桥梁施工区域位于水域，离岸较远，测量加密点的合理选址亦是重点；（2）桥梁施工测量精度要求严格，特别是索塔及缆吊施工等上部构造属于高空作业，如何保证其高程精度要求，是一个难题；（3）上部构造在施工中受空中各种构件、支架、施工机械、门架、猫道等附属设施的相互干扰，阻碍仪器通视，不利观测；（4）上部构造在施工过程受日照、温度等气象因素影响较大，如何减弱或消除此类因素的影响也很重要；（5）缆吊系统施工测量对天气及温度要求苛刻，有效作业时间短，夜间测量工效低。5 测量控制网的建立测量控制网是确保桥梁上、下构造按照设计图纸正确、高精度地进行测量放样到实地的控制依据，控制网的合理布设和精度直接影响施工质量，因此测量控制网的建立是桥梁施工测量的首要工作。5.1 控制网等级施工前应根据其结构形式、跨径及精度要求编制方案，按表1选定控制测量等级，确定测量技术方法，并在现场由勘测设计单位对控制性桩点进行交接，根据桩点的密度、精度以及后期施工需要适当进行加密、优化，建立施工测量加密控制网。表 1控制网等级要求5.2 控制网精度要求各等级平面控制网，其最弱点位中误差不大于50mm，最弱相邻点间相对点位中误差不大于30mm；同一工程项目采用同一高程系统，最弱点高程中误差不应大于10mm；平面最弱相邻点边长相对中误差及高程每公里观测高差中误差应满足表2的要求。表 2控制网精度要求5.3 控制网点布设因考虑工程不同阶段的施工测量，布设的点位不宜离桥位距离太远或太近，距离太远或仰角太大会给桥梁上部构造施工测量精度带来影响，在选点时应充分考虑了控制点的稳固情况，宜布设成固定观测墩，如下图7所示：图表 7简易固定观测墩构造图控制网点应编号展绘于施工总平面图上，并采取有效措施妥善保护；施工过程中，应对控制网（点）进行不定期检测和定期复测，定期复测周期不应超过6个月，当发现控制点稳定性出现异常，应立即进行局部或全面复测。6 索塔施工测量索塔是悬索桥的主要构件之一，桥的跨径越大，其索塔就越高，索塔施工测量的重点是保证塔座、塔柱、横梁等各部分结构物的倾斜度、截面几何尺寸、平面及高程满足规范要求；混凝土索塔施工质量允许偏差见表3。表格 2混凝土索塔施工质量允许偏差6.1 索塔测量技术方法（1）索塔平面测量以全站仪坐标法为主，交会法和自由设站法为辅助检核；（2）索塔高程测量则以全站仪三角高程法及天顶测距法为主，以悬挂钢尺法为辅助；（3）三角高程法是高程传递最简便的方法，但由于大气折光及仰角过大的影响，测量精度逐渐下降；（4）不同的测量方法在不同的使用条件下，可以解决不同阶段不同部位的施工测量问题，不同的测量方法可以相互结合，以作其他方法的检核,6.2 索塔几何截面控制（1）索塔空间几何形态控制关键在于塔柱模板的准确定位，精确测定模板的截面尺寸、轴线特征点及模板倾斜度等重要指标，使浇筑后的塔柱空间几何形态满足设计要求；（2）索塔进行三维坐标定位时，应依据设计图纸、施工方案、塔柱节段划分以及塔柱截面几何尺寸，建立三维立体数学模型，根据所测塔柱高度计算出各节段塔柱截面几何特征点的设计坐标；（3）为方便施工现场实时测量放样，应使用可编程计算器编制测量放样计算程序，双向计算复核各特征点的三维坐标数据，截面图如图8，图表 8塔柱及劲性骨架标准截面图6.3 索塔高程控制（1）索塔施工的常规标高定位，可采用经合法机构鉴定合格的50m钢尺进行高程悬挂测量，但当塔柱施工到一定高度时，采用常规悬挂钢尺法传递高程的精度虽然可以保证，但受塔柱模板、支撑架等施工构件的影响，难以找到适合的钢尺悬挂垂直通道，有时不得不分开几段进行高程传递，同时测量值受钢尺尺长、悬挂拉力、温度、风力等因素影响，导致高程传递误差逐渐增大；（2）利用全站仪测距功能竖向进行高程传递，则省去了上述因素对高程传递的影响，精度也得到提高；（3）在全站仪天顶方向测距时，应同时测定各个气象元素，以便测距时进行气象参数修正，从而提高高程传递的精度。6.4 全站仪竖向测距法需要准备一台装有弯管目镜的全站仪，采用常规水准测量将水准基点高程传递至全站仪中心，并将全站仪望远镜旋转正对仪器天顶方向，并与悬挂点处设置的单棱镜中心处于同一铅垂线上，随后直接测量全站仪中心到单棱镜中心的竖直距离，计算高差，得到单棱镜中心的高程值，最后采用常规水准测量将单棱镜高程引测至横梁顶、塔顶等待测高程点上，示意图如图9所示图表 9全站仪竖直高程传递示意图7 钢箱梁顶推测量控制钢箱梁顶推测量控制重点:（1）钢箱梁吊装焊接前应采用水准仪配合经检定合格的钢卷尺对梁长、宽、高等相互尺寸进行检验，确保节段间衔接平顺，顶推到位后钢箱梁总体线形满足要求；（2）在钢箱梁顶推过程中,测量钢箱梁轴线及各临时墩墩顶偏位。7.2 钢箱梁线性控制制原理通过水平顶推系统施力，将梁体向前顶推出拼装平台，并按相对高程沿设计竖曲线的运动轨迹向前移动，直至完成全部钢箱梁吊装顶推，顶推以竖曲线平面内直线为前提，控制了节段与节段之间的竖向连接转角，保证钢箱梁拼装焊接时的无应力线形与设计的无应力线形保持一致，示意图如图10：图表 107.3 钢箱梁顶推定位测量方法钢箱梁在拼装时用全站仪坐标法控制箱梁轴线偏差，用水准仪根据监控指令的高程数据控制竖向线形测点布置如图11所示： 图表 11钢箱梁在顶推到位后应对轴线和高程复测，监控人员以复测的高程数据为计算依据，确定下一梁段的定位数据，其限差要求见表8：表格 37.4 钢箱梁合龙段控制钢箱梁合龙段施工是钢箱梁顶推施工最后一个环节，也是关键工序，钢箱梁想温度影响，合龙口距离变化较大，重点需要测量合龙口距离在不同时间，不同温度下的变化值，由监控单位根据变化值，确定钢箱梁合龙的最佳时间、温度及钢箱梁长度。8 主缆架设线形控制主缆的线形决定着主梁的成桥线形，其线形控制是悬索桥上部构造施工的重要测量工作之一；主缆由众多索股组成，索股分为基准索股和一般索股，其中基准索股线形决定着主缆线形，因此主缆线形控制主要就是控制基准索股的线形。8.1 索股线形测量方法索股线形控制主要是对基准索股的绝对垂度和一般索股的相对垂度进行测量调整，一般索股调整是通过与基准索股间的高差进行垂度调整，因此基准索股的绝对垂度测量是主线架设中的重要环节，其垂度测量限差见表8表格 48.1.1 基准索股测量调整前，应对塔柱偏位，主索鞍、散索鞍位移量、实际跨径进行测量，并将数据提供监控单位，由监控单位通过计算提供索股跨中点理论里程及高程；索股绝对垂度测量由于索股跨中离岸较远，且与水面高差较大，风及猫道附属设施不稳定等因素影响，无法采用水准测量法或悬挂钢尺法进行垂度测量，而基准索股上游不能架设全站仪，所以只能采用单向三角高程法进行垂度测量；为减少索股扭转对垂度测量的影响，现场加工测量工装，利用两端反射棱镜测量，取均值算出索股跨中点的实际高程，并与监控指令中的理论高程进行比较，计算出索股长度调整量，并进行跨度与索股温度的修正，利用修正后的数据进行调整。简易测量工装示意图如下：图表 12简易测量工装基准索股在绝对垂度满足设计要求后，应进行上、下游索股的相对垂度测量，采用透明塑料软管连接上、下游跨中位置，在软管内注射液体，使软管两顶端对准索股统一位置，利用钢尺测量软管内液体距离索股跨中顶面的高度，以此来控制基准索股的相对垂度。8.1.2 单向大气折光系数改正的绝对垂度测量影响三角高程测量精度最大的因素是大气折光，由于无法通过对向观测来消除大气折光的影响，在这种情况下，只能通过桥位区大气折光系数的观测实验来反算出大气折光系数。采用单向折光系数改正的单向三角高程测量公式为：式中，为A、B两点高差；为斜距中数；为垂直角中数；为仪器高；为棱镜高；R为地球曲率半径（637100m）；k为单向折光系数(一般通用值为0.14mm)。8.1.3 一般索股测量除基准索股外的索股称为一般索股，在基准索股调整完成并满足设计要求后，对基准索股进行至少3天的稳定观测，由监控人员根据复测结果确定基准索股的架设精度满足要求时，方可进行一般索股的架设，一般索股的调整是通过游标卡尺、水平尺、小钢尺等工具直接量出一般索股相对基准的长度距离，并考虑索股温度的修正后，对一般索股进行调整，一般索股调整示意图如下：图表 13一般索股调整示意图8.2 索股调整量计算基准索股的线形控制核心是索长调整量的计算，即根据需要调整的垂度量计算索长调整量（放松量或收紧量）。一般计算思路是，先建立的s/f的关系式，根据悬索的抛物线线形方程，推导出了s/f的调索公式，然后根据实际垂度差计算索长的调整量。然而基准索股在架设阶段处于自由悬挂状态，其线形为悬链线，采用基于抛物线的调索公式计算调整量，必然给调索带来误差，而基于悬链线理论公式已成功地应用于悬索桥的成桥状态计算及施工状态计算。（1）基于抛物线方程的简化调缆公式中跨：边跨：式中： 和分别为中跨和边跨的垂跨比；为边跨侧主缆的倾角。（2）基于悬链线方程的简化调缆公式中跨：边跨：其中：，已知垂度差后，需调整跨索长的调整量为：式中：为悬索自重沿其变形后长度均布的线荷载；为悬索的水平力分力；为悬索的水平方向的投影长度；为悬索的竖直方向的投影长度。9 索夹安装定位索夹是吊杆与主缆的受力连接结构，是悬索桥将荷载传递给主缆的可靠途径，其安装定位的准确决定成桥后吊杆是否处于设计位置以及主缆是否按设计受力的关键，因此精确计算索夹的安装位置，并正确地放样出索夹位置尤为重要，其偏位限差纵向不超过10mm,横向不超过3mm,上下游吊点高差不超过20mm。9.1 索夹位置数据计算由于悬索桥空缆线型与成桥线型不同，所有悬索桥索夹的基本结构数据计算复杂，需由监控单位经过计算提供基本数据，一般提供每个索夹的水平倾角或直接提供索夹天顶线交点的L1、L2长度，如图14所示。图表 14吊索索夹放样示意图如只提供每个索夹处主缆的水平倾角，按下面公式计算L1、L2长度：，式中，L1、L2为上半索夹内侧壁与主缆天顶线交点到索夹两端的距离；A、B为索夹轴线与吊索中线交点到索夹两端的距离；为空缆状态下索夹位置的水平倾角；R为空缆半径。9.2 索夹放样方法悬索桥索夹定位一般采用游标卡尺配合全站仪在塔顶直接测量距离，而自锚式悬索桥塔顶空间有限，无法在塔顶直接架设全站仪，故在两岸索塔上横梁顶面加密控制点，将全站仪直接架设在上横梁顶面，采用全站仪坐标法配合游标卡尺精确放样出主缆天顶线交点，并用游标卡尺根据L1、L2的长度精确标记出索夹两端控制点。10 结论从上述施工测量过程中，总结了一些注意事项：（1）一般桥梁施工周期长，施工控制点虽非永久性控制点，但也要保证其在施工周期内的稳定、可靠，且不宜被破坏，条件允许应主桥控制点埋设成强制对中观测墩，以减少测站仪器对中误差的影响；（2）由于塔柱受收缩徐变、倾斜度、自重及弹性压缩的影响，塔柱会随着高度增加，左、右塔柱将向轴线倾斜，并产生一定的下沉量，施工中应实时监测索塔的沉降位移，通过计算得出塔柱模板调整时预偏量及塔柱高程预抬量，以此保证塔柱竣工时空间三维状态满足规范要求；（3）钢箱梁焊接前的验收测量应回避日照温差的影响，焊接应尽量上下左右对称进行，避免焊接收缩上下左右不同步引起梁段的线形或者受力变化，同时