斜拉橋的控制測量
2018-04-02
1 概述
斜拉橋作為現代化的橋梁，以其獨特的結構形式和優(yōu)美流暢的線形，正在更多的路橋建設中被建造和使用。斜拉橋興起于上世紀50年代歐洲國家瑞典，我國1975年在四川修建的云陽斜拉橋，雖然跨度只有75米，但是是我國第一座斜拉橋，標志著斜拉橋在我國的開始，譜寫了我國橋梁歷史上的新篇章。斜拉橋的橋塔一般為A型、Y型和H型，橋型一般有單塔雙面、雙塔雙面和單柱等，主梁分為鋼筋混凝土梁和鋼箱梁兩種。我國修建斜拉橋雖然比歐洲國家晚20年，但經過30年的迅速發(fā)展，現在已經在我國的大江大河上修建了100多座，成為世界上斜拉橋最多的國家。從無到有，從小到大，從落后到先進，不僅趕上了發(fā)達國家，而且跨進了先進國家的行列。并且在設計、施工、控制等方面都已形成了完整的體系。
京滬鐵路大動脈從山東省濟南市中心縱穿而過，隨著經濟的快速發(fā)展和城市改造的加快，原有的幾座橫跨鐵路線的老橋已不堪重負，嚴重制約了濟南市道路交通的發(fā)展。經過各方面的多次論證，決定修建一座現代化的橋梁，考慮到橫跨京滬鐵路線的特殊性和現代化城市建設的需要，斜拉橋以其跨度大、橋型優(yōu)美而被列入勘設范圍，最后決定在緯六路修建特大型斜拉橋橫跨京滬鐵路大動脈，將緯六路南北兩側拉通，形成一條新的城市快速大通道。該橋設計為A字型橋塔，為一座雙塔五跨雙索面PC斜拉橋，主橋全長704m，中主跨380m，主塔高120m；該橋屬城市立交高架橋，施工條件復雜，技術含量要求高，在該橋的勘測和施工階段，測量控制工作發(fā)揮了十分重要的作用。
該橋是一座技術含量高的現代化橋梁，從勘測到修建都對測量控制工作提出了很高的技術要求。研究該橋測量控制技術，使我們了解如何在城市控制網中對大型建筑物進行控制，如何將GPS技術運用到工程建設中，在什么樣的情況下可以使用高精度的電子全站儀，用三角高程測量來代替同精度的水準測量，同時運用測量新技術解決復雜的問題，進一步完善斜拉橋的測控理論。
2 控制網的布設
2.1 平面控制網的布設
在布設平面控制網時，依據設計要求，控制網按照《公路勘測規(guī)范》中規(guī)定的三等網精度進行施測，橋軸線相對中誤差不低于1/70000，在濟南市統一坐標系內進行插網布設。選點時，由于該工程位于市區(qū)，建筑物錯綜林立，通視條件受限很大，經過大量實地勘察，最后選定幾座屬永久性、基礎穩(wěn)定且相互通視條件較優(yōu)的建筑物頂部埋點（通過初測，各點相互間高差不超過±3m），按照設計要求并綜合各選定點實際情況，考慮到大部分控制點在后續(xù)施工放樣時使用頻繁，在各點統一埋設強制對中觀測墩，觀測墩為磚混結構，盡可能減小溫度及季節(jié)變化對控制點的影響。選定和埋設完控制點，隨即對該網采用兩種方法進行觀測，一種方法是利用GPS技術進行三邊網觀測，使用的GPS接收機標稱精度5mm+1ppm；另一種方法是使用高精度的電子速測全站儀進行邊角觀測，全站儀標稱精度：測角1〃測距1mm+2ppm。觀測前均對相應的接收機、全站儀及相關組件按相應的指標要求和檢定標準進行全面的檢驗和校正，在觀測過程中進行相應的氣象條件改正以及儀器乘常數和加常數的設置。在利用GPS進行外業(yè)作業(yè)前實施衛(wèi)星可見性預報，觀測時采用靜態(tài)定位模式，使用四臺接收機進行同步觀測。使用全站儀觀測時，選擇了氣象條件較優(yōu)，目標成像清晰的相同時段，最大可能的使各測站點保持同精度觀測。在采用以上兩種方法實施作業(yè)時，嚴格依照《公路勘測規(guī)范》、《全球定位系統城市測量技術規(guī)程》、《工程測量規(guī)范》、《精密工程測量規(guī)范》等進行施測，確保觀測質量的可靠性。
完成對整個控制網的觀測后，開始對觀測成果進行內業(yè)計算和結果評定。在對原始觀測數據進行編輯、加工與整理、分流并生成各種數據文件后，在各項質量檢核符合要求后，以一個點的WGS-84系坐標為起算點依據，通過GPS網三維無約束平差求得各點WGS-84系統坐標，在無約束平差得到的有效觀測量基礎上，在濟南市城市獨立坐標系下又進行二維無約束平差。平差完成后的成果質量統計為：最大點位中誤差5.9mm（G10），最小點位中誤差2.9mm（G13），平均3.9mm，邊長相對誤差最大為1/230000（G10-G14），最小為1/690000（G11-G14），各項精度指標皆優(yōu)于規(guī)范的規(guī)定。將GPS觀測與全站儀觀測所得平差結果進行對比，其對比成果見下表：
圖1 GPS控制點示意圖
通過以上內業(yè)計算出的數據及對成果精度的統計分析，可以認為該控制網能夠滿足該特大橋工程在平面控制方面對精度的需求。在以后的施工放樣中只考慮放樣時的誤差，而不需再考慮控制網的誤差。
2.2 高程控制網的布設
依據設計要求，高程控制網按照三等水準測量進行施測。高程采用了1956年黃海高程系統，從濟南市城市水準網中進行插點，分別在南北兩端各插入一水準點進行埋石。根據施工環(huán)境的具體情況，在一些永久性建筑物的基礎上埋設鋼樁，形成一條長3.6km的水準網，使用N3水準儀對該網進行觀測。經過對觀測成果進行平差計算，全長閉合差僅為-4.9mm，每公里閉合差2mm，精度指標優(yōu)于規(guī)范規(guī)定?？紤]到在該斜拉橋后續(xù)施工中，主塔高120m，塔身的不同高度分布著96個每根重達幾百公斤的鋼索導管，為了使這些導管能夠精確定位，就需要將高程準確的傳遞上去，鑒于施工的難度和復雜性，用水準測量的方法傳遞高程有很大的困難，經反復的研究分析并經過多次實驗觀測，采用測角精度為1〃的電子全站儀用三角高程進行對向觀測，每公里中誤差僅為2.6mm，符合三等水準測量規(guī)范要求，決定采用三角高程測量的方法進行高程傳遞。因此又按照三等水準測量將高程全部傳遞到平面控制點的觀測墩上。隨后用1〃級的電子全站儀在平面控制點上進行豎角對向觀測，對所有點進行閉合平差，閉合差為7.3mm，能夠滿足施工放樣對高程精度的需求。（施工放樣按四等水準施測） 3 施工控制
3.1 施工坐標系的建立
該橋在勘測及控制網中所使用的坐標均為濟南市獨立坐標系統（稱其為測圖坐標系）。使用該坐標系體現在施工時數值較大，現場計算繁雜，不能直觀的反映出測控點與結構物之間的關系，為此需要建立一個能夠方便現場測控放樣的局部施工坐標系，并且使其能夠與測圖坐標系之間相互轉換，從而能夠滿足不同方面的需求。
該橋的施工坐標系是這樣建立的：以橋軸線為X軸，以橫橋向為Y軸，以北主塔中心為坐標原點，往南主塔方向為正向建立平面直角坐標系。例如北主塔中心測圖坐標為X：110.5515 Y：-3058.279，南主塔中心測圖坐標為X：-235.5441 Y：-2901.3779。依據這兩點推算施工坐標與測圖坐標之間的轉換方位角為а=155°36 47″，根據兩坐標系之間的幾何關系推出其相互之間的轉換公式。測圖坐標轉換為施工坐標關系式為：X=（X0-110.5515）×COSа+（Y0+3058.279）×SINа，Y=（Y0+3058.279）×COSа-（X0-110.5515）×SINа，其中X0、Y0為測圖坐標；施工坐標轉換為測圖坐標關系式
X0=110.5515+X×COSа-Y×SINа
Y0=-3058.2788+X×SINа+Y×COSа。
應用以上兩公式，可以順利進行施工坐標與測圖坐標之間的轉換，可以將所有平面控制點的測圖坐標轉換為施工坐標，使得施工過程中的測控放樣更靈活、方便。
3.2 主塔施工的控制測量
該橋主塔高120米，為A字形橋塔。測量工作主要是控制其空間位置關系及塔身垂度的正確性，并且精確測定出分布在其不同位置的各種預埋件的位置。
控制垂度就是使主塔的中心軸線與主塔的中心平面位置點在鉛垂線（法線）上的方向重合。實際測量工作中，在測區(qū)面積不大的情況下，往往是以水平面直接代替水準面，在這里主塔雖然高120米，但經過推算，過主塔中心的垂線與過該點法線的垂線偏差很小，可以忽略不計。而認為兩主塔中心軸線平行且垂直于測區(qū)水平面?？臻g位置是以主塔與主塔中心垂線、橋梁中心軸線的相對幾何位置關系來確定。實際上當以主塔中心為原點建立起施工坐標系并且將水準高程引至該原點時，就等于已經建立了一個空間直角三維坐標系。因此主塔在施工過程中，只要測定其特定幾何圖形位置的空間坐標，就可以完成施工過程中的測量控制。如圖3所示：
圖中O點為坐標原點，Z軸為主塔中心垂線，X為橋梁中心軸線，Y軸為垂直于Z軸和X軸的橫橋向。從圖中可以看出，點B的空間坐標為（X，Y，Z），當B點位于YOZ平面上時，X=0，Y=（H1-H2）×TANa，H1、a為設計給定值，H2為三角高程實測值。只要測定一個高程值，就可以得到一組確定的（X，Y，Z），將其值與實測值相比就可以得到該點的正確位置。這樣，塔柱的每節(jié)滑模在立模時只需要測四個角就可以確定其正確位置。
3.3 主梁的施工測量
該橋主梁為鋼筋混凝土現澆梁，采用牽索掛藍施工。在0#塊澆注完畢后，可以采用前方交會法恢復出兩主塔中心點，使用測距儀測定兩點間距離.如該橋在恢復出兩主塔中心點后的實測距離為380.008M，而設計值是380M，相對誤差1/48000，滿足實際施工要求。后續(xù)施工以這兩點連線做為橋軸中心線控制掛藍中心軸線位置。
在主梁施工過程中，控制其高程和線形是一項十分重要的工作。在設計中，已經按照一定的線形設計，計算出了每一塊梁的理論高程，在施工中如果沒有任何外界因素影響，而以設計高程控制施工，可以保證主梁的線形要求，但在實際施工過程中，由于采用的是牽索掛藍施工，鋼索的膨脹收縮隨溫度變化而變化，鋼索越長，溫差越大，這種變化越明顯，加之施工機械和其他荷栽對掛藍的影響，使掛藍很難按設計高程施工。為了使設計與實際施工能夠保持一致，在施工時需要根據具體情況對掛藍高程進行調整。當掛藍安裝到位，有效荷載加裝后，開始調整掛藍高程。一般是選擇夜間大氣溫度變化不大的時候進行調整，原則上以設計高程為基礎，測定相鄰兩塊梁之間的相對高差，將其調整與設計高差相一致，在掛藍與相鄰梁塊之間固定以后整體調整掛藍的高程，調整依據是在設計高程上加一個預調值和掛藍預拱度調整值，既設計高程+高差調整值+預調值+掛藍預拱度調整值。這里預調值是一個十分重要的改正值，該值的準確與否，是保證主梁在施工過程中的安全及能否在最后順利合攏的一個關鍵因素。該值需要通過專門觀測并對成果進行軟件分析而得出，在每一塊梁澆注前，事先在梁前端按一定的距離分別預埋三個沉降觀測點，觀測時間選擇在日出前溫度變化穩(wěn)定時段。整個梁面上不能有任何荷載，即整個主梁處在自然受力狀態(tài)；觀測時測定環(huán)境溫度，對所有沉降點依次進行同精度觀測，觀測要求每塊梁在澆注前和澆注后各觀測一次，將觀測數據整理，經軟件分析計算出下一次調整掛藍時的預調值。
3.4 鋼索導管的定位測量
斜拉橋主梁和主塔是通過鋼索連接成一個受力整體。索導管就是為了便于安裝和維修鋼索而安裝的一定形狀的鋼管。索導管安裝的精確與否直接關系著整個橋梁的受力，影響著鋼索的使用壽命。安裝要求嚴格，誤差要求控制在±1cm范圍內，是整個斜拉橋施工過程中測量控制的重點。
在設計圖紙中，已經給出了鋼索錨固點在空間中的位置及相關數據。但根據施工時的實際條件，是無法直接利用設計數據來完成對索導管的空間定位測量，這里可以采用這樣一種方法：依據錨固點的設計數據，計算出每一個錨固點在橋梁獨立坐標系中的空間坐標，每一根鋼索的兩個錨固點連接起來便成為空間中的一條直線，如下圖（b）。再利用解析的方法計算出空間直線的解析方程和相關參數，在測量定位時，只需測出解析方程所需要的未知量，便可計算出其理論值，這樣一條空間直線只需要測定兩點，就可以確定其空間位置。如下圖（a）中，A、B兩點是鋼索的兩個空間錨固點A（X1，Y1，Z1） B（X2，Y2，Z2），從圖中可以看出直線AB在YOZ平面上的投影是A1B1，投影直線A1B1在YOZ平面內的斜率是a1=arcTAN（（Z1-Z2）/（Y1-Y2）） K1=TANa1，那么投影直線A1B1的點斜式方程為Y=K1Z+b；同樣直線AB在XOZ平面上的投影為A2B2， A2B2在XOZ平面內的斜率為a2=arcTAN（（Z1-Z2）/（X2-X1）） K2=TANa2，點斜式方程為X=K2Z+b1，這樣直線AB就可以用兩條直線方程Y= K1Z+b、X=K2Z+b1來表示。測量定位時只要測出未知量Z，就可以求得X、Y值，也就是說一個確定的Z值，對應著一組確定的X、Y值，再將該組值與實測值相比較，既可知道點位的實際偏移情況。該方法靈活簡便，極大的減小了施工時障礙物對測量控制的影響。使用高精度的儀器，測控過程中嚴格按照操作規(guī)程及施工組織工藝，完全可以將精度控制在誤差要求的范圍內。 使用這種方法進行鋼索導管定位時，有這樣一個問題需要解決：索導管在定位安裝前，已經依據設計數據對每根索的解析參數事先進行了計算，但是實際在主梁上安裝時，梁面的設計高程已經發(fā)生了微小的變化，這種微小的變化對錨固點設計的X、Y值沒什么影響，但空間直線的位置在垂直方向上已經發(fā)生了變化，如果以原來的參數進行定位計算，那么實際所測出來的未知量Z中已經包含了一個ΔZ值，這個值對以解析方程進行計算的X、Y值就直接產生了影響，也就是使索導管偏離了原設計位置，可能導致索導管的管壁與鋼索產生摩擦，從而影響鋼索的使用壽命。所以必須消除由于高程變化而對位置產生的影響。在索導管定位安裝時，首先測定主梁的實際高程，將其與設計高程做比較，確定出實測與設計高程的差值±ΔZ，給原錨固點的設計高程加上±ΔZ，X、Y值不變，采用可編程計算器重新計算解析方程所需要的參數，以新參數做為計算定位測量的依據。在定位測量的過程中隨時觀測主梁高程的變化情況，以便準確掌握主梁高程的實際位置。
3.5 位移及沉降觀測
由于該橋主塔高120m，且為雙索雙面非對稱性斜拉橋，在整個橋梁施工中需要隨時觀測主塔的位移及沉降情況，為監(jiān)控監(jiān)測提供準確可靠的數據。
在主塔施工階段主要是觀測主塔的沉降，這時在主塔的底部兩側埋設沉降觀測尺，使用N3水準儀定期進行觀測，將觀測成果整理并繪制沉降曲線圖。主塔封頂完成以后，在主塔頂部便于觀測的位置埋設兩組觀測棱鏡進行空間點位觀測，觀測的時間一般選擇在大氣溫度穩(wěn)定、日出前一段時間里，分別從兩控制點同時進行交會觀測，主梁在進行施工時，主塔的位移觀測需要隨時進行，每次在對稱梁塊澆注前觀測一次，澆注后觀測一次，將前后兩次成果進行對比，根據點位的位移情況確定主塔受力是否對稱均勻，斜拉索在張拉前后同樣要進行觀測，以便根據觀測結果調整索力。而在主梁合攏時，需要對主塔的位移情況進行二十四小時不間斷觀測，依據觀測點位位移情況，合理的對合攏梁端進行配重，最終使主梁順利的實現合攏。
4 結束語
隨著各種新材料的運用及新技術的不斷發(fā)展，各種橋梁工程的建設在不斷的向前發(fā)展，測繪控制工作也在隨著變化而不斷的發(fā)展和創(chuàng)新。電子技術的飛躍發(fā)展，尤其是GPS技術的發(fā)展，改變了傳統的測量模式，使測繪控制工作發(fā)生了質的變化。工程建設中控制測量的手段日益多樣化和簡單化，機械式測量儀器被電子型儀器所取代，原來需要多人做的工作現在只要很少的幾個人就可完成，外業(yè)數據的采集和內業(yè)計算逐步自動化和程序化，極大的縮小了工作強度和提高了工作效益，成果精度取得了質的飛躍。隨著測繪技術的發(fā)展，還有很多方面需要不斷的進行創(chuàng)新和完善，比如如何在測量數據的外業(yè)采集和內業(yè)處理之間進行實時自動信息交換，將數字化測圖系統運用到橋梁工程建設中，對橋梁的各個在建部位進行數字化監(jiān)控，以避免工程質量問題等，只有緊跟科技的進步不斷探索和創(chuàng)新，才能更好的為工程建設進行服務，為經濟建設的發(fā)展譜寫新的篇章。
參考文獻
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