《工程测量》-8.9桥梁墩台定位和轴线测设

学期授课教案20XX—20XX学年度第X学期课程编号课程名称学分/学时授课专业工程测量授课班级任课教师20XX年XX月-2-教学设计项目/章节第八章第9节专业XXXX教师XXXX教学名称桥梁墩台定位和轴线测设班级XXXX时间XXXX授课形式讲授课时2时地点XXXX学情分析教学任务1.桥梁墩台中心坐标计算及定位方法；2.桥梁轴线测设方法。教学目标技能目标1.能够计算桥梁墩台中心坐标；2.能够使用仪器对墩台进行定位；3.能够对桥梁轴线进行测设。知识目标1.了解桥梁墩台中心坐标的计算方法；2.掌握桥梁墩台中心定位的测设方法；3.掌握桥梁轴线的测设方法。素质目标1.培养学生团队协作能力和认真负责的的敬业精神；2.培养学生吃苦耐劳的品质和精益求精的工匠精神；3.提高学生理论联系实际和动手操作能力。教学策略教学重点及解决措施1.桥梁墩台中心定位的测设方法；2.桥梁轴线的测设方法。教学难点及解决措施1.曲线桥梁墩台中心坐标的计算方法。教学组织班级授课√实训教学分组教学个别教学协作教学现场教学教学过程实施流程导图直线桥梁计算直线桥梁计算曲线桥梁计算桥梁墩台中心坐标计算桥梁墩台中心坐标计算极坐标法前方交会法极坐标法前方交会法桥梁墩台中心定位桥梁轴线测设桥梁轴线测设直线桥梁测设曲线桥梁测设直线桥梁测设曲线桥梁测设教学活动实施教学步骤与内容备注8.9桥梁墩台定位和轴线测设在桥梁施工阶段中，最主要的测量工作是准确地测设桥梁墩台的中心位置和它的纵横轴线，这个工作称为墩台定位和轴线测设。测设墩台中心和轴线的关键是计算出墩台中心的精密坐标。8.9.1直线桥梁墩台中心坐标计算依据桥轴线控制桩的坐标、里程和墩台中心的设计里程，便可计算出各桥墩、台设计中心在施工坐标系中的坐标，作为墩台中心施工放样的依据。图图8.33直线桥梁墩台位置对于直线桥梁，线路中线是直的，梁也是直的，梁中线与线路中心完全吻合，甚至也不需要算出其坐标，而只要根据墩台中心的桩号和岸上桥轴线控制桩的桩号求出其距离，就可定出桥墩中心的位置（如图8.33）。8.9.2曲线桥梁墩台中心坐标计算曲线桥梁的线路中心为曲线，但梁本身却是直的，线路中心与梁的中线不能完全的吻合，而是如图8.34所示。梁在曲线上的布置，是使各梁的中线连接起来，成为基本与线路中线相符合的一条折线。这条折线称为桥梁的工作线。桥墩的中心位于工作线转折角的顶点上，所谓曲线墩台中心定位，实际上就是测设这些转折角的顶点位置。图图8.34曲线桥梁测设数据示意图（一）曲线桥梁测设资料的计算在测设曲线桥梁的墩台位置时，其所需的资料有偏距、偏角、规定的桥墩上两梁端内侧缝宽及墩台中心距。图图8.35偏距1.偏距曲线桥梁设计的梁中心线的两端，并不位于线路中心线上。因直梁中心线两端若位于线路中心线上，则梁的中间部位的线路中线必然偏向梁的外侧，当车辆通过时，造成梁的两侧受力不均。为此，须将梁的中线向外移动一段距离，这段距离称为偏距，如图8.35。由于相邻两跨梁的偏角很小，可认为就是线路中线与桥墩纵轴线交点至桥墩中心的距离。所谓墩台的纵轴线是指垂直于线路方向的轴线，而横轴线是指平行于线路方向的轴线。偏距的大小一般取以梁长为弦线的中矢值的一半，这种布置称为平分中矢布置。也有的使等于中矢，这叫切线布置。当梁在圆曲线上时，如为平分中矢布置，则为（8-9-1）如为切线布置，则为（8-9-2）当梁在缓和曲线时，如为平分中矢布置，则（8-9-3）如为切线布置，则（8-9-4）式中：——墩中心距；——圆曲线半径；——缓和曲线全长；——或至计算点的距离。2.偏角即相邻两孔梁中线之间的转向角，一般用表示，为弧度单位，如图8.34和图8.35所示。3.桥墩上两梁端内侧缝宽如图8.34所示，相邻两跨桥的端点在桥墩上要留有一定的空隙。曲线桥上相邻两梁端在曲线内侧的缝宽为，应不小于一个规定的数值（例如10cm），桥台上梁端内侧与桥台胸墙的缝宽为。4.墩台中心距相邻墩台中心之间的距离称为墩台中心距。由下式计算（8-9-5）式中，为梁长；为相邻两梁端在曲线内侧缝宽的一半；为桥梁偏角；为梁的宽度（见图8.35）。当相邻两跨梁的跨距不等，或虽是等跨，但位于缓和曲线上，则所求得的值不等，导致两跨梁的工作线不能交于桥墩中心，为避免出现这种情况，应采用相同的值，因此规定了当相邻梁跨都小于16m时，按小跨度梁的要求确定值；而大于20m时，则按大跨度梁的要求确定。关于桥台的布置，桥台的中心线与相邻梁跨的中线布置在一条直线上时，称为直线布置。如图8.36所示，这种布置使得台尾处的线路中心线偏离桥台中心线一段距离，如时，就采用这种布置方法。若使台前的与相邻梁跨的相同，而使台尾的为零，则称为折线布置，如图8.37所示。当用直线布置时，就采用这种布置方法。但当这样布置时，如果台尾偏角出现负值，即台尾偏角改变方向(图8.38)，则台尾与台前采用相同的值(图8.39)。在测设曲线桥梁的墩台位置时，其所需的资料偏距、偏角及墩台中心距，在设计文件中虽已指出，但在测设前应重新进行校核计算。图8.40设计文件中给出的偏距、偏角及墩台中心距图8.40中在每个桥墩处注记了偏距和墩中心的桩号，桩号下面注记了该桥墩的偏角，两墩间注记了墩中心距长，如3号墩注记了桩号为，，偏角3°07′56″，3号到4号墩中心距为32.80m。图8.40设计文件中给出的偏距、偏角及墩台中心距（二）线路曲线要素复测在勘测时虽已获得了曲线要素及桥轴线两端控制桩的桩号和坐标等数据，但这些数据因精度较低并不能作为墩台中心放样的起算数据。在桥梁控制网平差后，必须利用控制网平差的结果重新计算曲线要素和桥轴线两端控制桩的桩号（桥轴线两端控制桩一般包含在桥梁控制网中，其坐标在控制网平差后已获得），然后根据设计文件中墩台的桩号求出其坐标的精确值进而求得墩台中心的坐标。图8.41桥梁一段位于直线段，一段位于曲线段图8.42桥梁位于曲线中间如图8.41和图8.42，两点是桥梁两端控制桩。在曲线的两侧切线上，各选取了两点，它们作为线路控制桩。由平面控制网点位布设要求可知，曲线桥梁中这些点应包含在桥梁控制网中，不能包含在网中时也采用插点（或插网）的方法获得其精密坐标。图8.41桥梁一段位于直线段，一段位于曲线段图8.42桥梁位于曲线中间若记到的方位角为，到的方位角为，则可以由下式计算线路的转折角这个转折角是精确值，与勘测设计时所用的转折角有一点数值上的差别。利用精确计算出的，而曲线设计时已给出了圆曲线的半径和缓和曲线长，即可重新计算曲线段的其它曲线要素。（三）桥梁墩台中心坐标计算精确量测出到中线直线段上任一桩点的距离，即可根据该距离确定出的桩号。然后以为起点，即可确定出曲线段上给定桩号的任意一中桩点的坐标。由于各桥台、桥墩中心的桩号及墩台中心的偏距在设计文件中均已给出，即可利用这些桩号求出各墩台的中心坐标。图8.43中，的坐标用于测设墩台中心，而的坐标则用于确定墩台的纵轴线。待各墩中心坐标算出后，通过相邻两墩坐标可反算出墩中心距和墩中心线方位角，从而可求得其偏角。它可用于对设计文件中给定的墩中心距和桥梁偏角的检核。两者不符时应查明原因。以上计算桥梁偏角的方法也可用于设计时的计算。图图8.43桥梁墩台中心坐标计算8.9.3墩台中心定位和轴线测设墩台中心和轴线上点的坐标计算出来后，就可以测设墩台中心。不过应该注意的是，在测设之前，应对放样方法的测设精度进行估算。精度估算合格后，在测设时则应按照估算时的设计放样方案进行。（一）放样误差对墩台中心定位的精度估算根据“使控制点误差对放样点位不发生显著影响”原则，桥梁工程中放样误差对放样点位的影响应小于，也即。不论墩台中心定位时采用哪种方法，都应该满足这个条件，如不满足，应考虑调整放样方案。下面我们针对极坐标法和前方交会法讲述其精度估算方法。图8.44图8.44极坐标法放样误差影响如图8.44所示，为设站点，为后视方向点，两点都是桥梁控制网点；点为待放的桥墩（台）中心点位；为待放方向的坐标方位角，为桥轴线方向的方位角。由于是估算放样误差对待放点位的影响，故可认为两控制点无误差。设和分别为的长度及观测中误差，为测角中误差，放样误差对桥轴线方向上墩台中心定位的影响值为，则：（8-10-6）式中。当从两个测站进行极坐标法放样并取平均位置作为墩台中心点位时，可以按两个测站分别计算桥轴线方向上墩台中心定位的影响值和，然后按下式近似估算出（8-9-7）2.前方交会法放样误差对桥轴线方向上墩台中心定位的影响值估算如图8.45所示，前方交会法放样时，桥轴线方向上墩台中心点位误差主要是由的观测误差所引起的。的观测误差所引起的误差，分别垂直于方向（即图8.58中方向），其方向和数值分别为（8-9-8（8-9-8）图图8.45前方交会法放样误差影响图图8.45前方交会法放样误差影响式中为测角中误差。这两个方向上的协方差显然为零，仍设放样误差对桥轴线方向上墩台中心定位的影响值为，则（8-9-9）式中为交会角。从上式可以看出，当交会角，边长较短时这一影响较小。所以有时选择节点作前方交会法放样的测站正是出于这一考虑。（二）桥墩台中心定位目前常用的方法是极坐标法和前方交会法。无论对于直线桥还是曲线桥，也无论是岸上的桥台还是水中的桥墩，都可以使用这两种方法。1.极坐标法 测设时，可选择任意一个控制点设站(当然应首选网中桥轴线上的一个控制点)，并选择一个照准条件好、目标清晰和距离较远的控制点作定向点。再计算放样元素，放样元素包括测站到定向控制点方向与到放样的墩台中心方向间的水平角及测站到墩台中心的距离。由于这三点的坐标均已获得，这几个放样元素容易算出。放样时，根据估算时拟定的测回数，按角度放样的精密方法测设出角度值，在墩台上得到一个方向点；然后在该方向上精密地放样出水平距离得墩台中心。为防止错误，最好用两台全站仪在两个测站上同时按极坐标法放样该墩台中心(如条件不允许时，则迁站到另一控制点上同法放样)，所得两个墩中心的距离差的允许值应不大于2cm。取两点连线的中点得墩中心。同法可放样其它墩台中心。对于直线桥梁，由于定向点为对岸桥轴线上点，这时只需在该方向上放样出测站到墩中心的距离即得墩中心。也可在另外的控制点上设站作检查。2.前方交会法图8.46前方交会法放样桥墩台中心前方交会法应在三个方向上进行，至于选取哪三个方向，应以交会角的大小而定，交会角应接近。如图8.46为一直线桥梁，由于墩位有远有近，若只在固定的C和D点设站测设就无法满足这一要求。因而提出在布设主网时应增设插点和节点，目的就是为了使交会角接近。图中交会墩位时，利用和点，而交会墩位时，则利用节点和。对于直线桥来说，交会的第三个方向最好采用桥轴线方向。因为该方向可直接照准而无需测角。图8.46前方交会法放样桥墩台中心设前应根据三个测站点和测设的墩台中心点的坐标，分别计算出测设元素，如图8.46中测设时，测设元素是和角(对直线桥角不必计算)。在桥墩施工过程中，随着工程的进展需要多次交会墩台的中心位置，为了简化工作，提高精度，可把交会的方向延伸到对岸，并用觇牌固定。在以后交会时，即可不再重新测设角度，只要直接照准对岸的觇牌即可。为了精密设立觇牌的位置，应按施工放样中介绍的“前方交会归化法”进行，钉好觇牌后，应再一次精密测出其角值(按精度估算中拟定的观测方案(主要为仪器精度和测回数)进行)。与计算的测设角度相比较，差值应小于3″～5″。否则应重设觇牌。待桥墩修出水面后，即可将这个方向转移到桥墩上，而不再使用觇牌。当出现示误三角形时，可按施工放样中介绍的方法进行处理。（三）墩台纵横轴线测设测设出桥墩中心后，尚需测设出墩、台的纵、横轴线，作为墩、台细部施工的依据。所谓墩、台的横轴线乃指平行于线路方向的轴线，而纵轴线乃指垂直于线路方向的轴线。对于直线桥梁，墩、台的横轴线与桥轴线重合，则利用桥轴线两端的控制桩来标志，不重新测设。墩、台的纵轴线与桥轴线垂直，测设时，应将仪器设置在墩、台中心点上，从桥轴线方向拨，即得纵轴线方向。如图8.47所示，用木桩将纵轴线方向准确地标定到地面，这些桩又称为护桩。为了消除仪器误差的影响，应取盘左、盘右两次测设的平均位置；同时为了防止护桩的丢失和损坏，在桥轴线两侧各钉两个护桩，必要时埋设石桩或混凝土桩。如果实地无法标志墩、台纵轴线方向时，可在其细部施工时再行测设。浅水中的桥墩，可暂不设纵轴线桩。在用筑岛或建筑围堰施工时，待水抽干后用交会法或用其他方法测设墩中心位置，可同时测设轴线桩。深水河上的桥墩往往用沉井或管桩基础，无法在现场测设轴线，而是在施工中控制其扭角。在曲线桥上，墩、台的纵轴线位于相邻桥跨工作线的顶角分角线上，而横轴线与纵轴线垂直。其测设方法如图8.48所示，置仪器于墩、台中心点上，自相邻的墩中心方向测设角即得纵轴线方向，同样在线路两侧各设置两个护桩；测设角即得横轴线方向，前后也应各设置两个护桩。在每一条轴线方向上同样要测设4个护桩（若其中一条恰在水中而无法设桩时，可只测设一条轴线）并对各标志桩上注明相应