蝴蝶鋼管拱橋測(cè)量定位技術(shù)

1、蝴蝶鋼管拱橋測(cè)量定位技術(shù)謝成榮 黎韶良(中交四航局第一工程有限公司，廣東，廣州510500)摘要：利用主橋三維模型獲取的各分段構(gòu)件的空間坐標(biāo)，特別是拱肋上的各特征點(diǎn)三維空間坐標(biāo)，有效的幫助構(gòu)件安裝過(guò)程的精確定位。關(guān)鍵詞：蝴蝶鋼管拱橋；三維坐標(biāo)；測(cè)量定位1 測(cè)量控制網(wǎng)的布設(shè)長(zhǎng)江大橋橋面曲線外側(cè)的傾斜拱肋（簡(jiǎn)稱外拱）和鉛直的夾角為13.5°,內(nèi)側(cè)的傾斜拱肋（簡(jiǎn)稱內(nèi)拱）和鉛直的夾角為35.5°。兩個(gè)拱肋均由封閉的橢圓形變截面鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成，安裝精度要求±4mm。 為了保證長(zhǎng)江大橋的安裝精度，本工程選用一臺(tái)徠卡NA2自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀和一臺(tái)徠卡TC905L型全站儀（2、2mm+2

2、ppm）進(jìn)行測(cè)量控制和放樣。在主橋施工前，對(duì)主橋控制網(wǎng)重新復(fù)測(cè)和加密，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，在主橋南北兩岸各布置兩個(gè)控制點(diǎn)，按三等控制網(wǎng)精度要求進(jìn)行測(cè)量，觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)密平差計(jì)算出各點(diǎn)坐標(biāo)。2 長(zhǎng)江大橋測(cè)量定位精度分析根據(jù)設(shè)計(jì)要求，長(zhǎng)江大橋測(cè)量定位精度要求為平面±10mm，高程±5mm，這就要求在施測(cè)過(guò)程中必須盡量減小各種測(cè)量誤差的影響。在長(zhǎng)江大橋安裝過(guò)程中，主要通過(guò)全站儀三維坐標(biāo)測(cè)量來(lái)控制安裝的精度。全站儀三角高程測(cè)量方法和水準(zhǔn)儀測(cè)量高程原理是一致的，主要是求出已知高程點(diǎn)和待測(cè)點(diǎn)的高差。全站儀三角高程測(cè)量方法如圖1所示。在測(cè)量時(shí)為了減小誤差，盡量置儀器于后視點(diǎn)和待測(cè)點(diǎn)距離

3、大致相等，稱之為中點(diǎn)單覘法，這種測(cè)量方法有以下幾個(gè)特點(diǎn)：a 不需量取儀器高；b 采用適當(dāng)方法，可不量取覘標(biāo)高；c 測(cè)站選在中部時(shí)，可減弱大氣折光的影響；d 減少勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)速度等。2.1、 中點(diǎn)單覘法三角高程測(cè)量原理及精度分析2.1.1 高差計(jì)算公式的推導(dǎo) 如圖1所示，為求A、B兩點(diǎn)間的高差，將全站儀置于A、B兩點(diǎn)大致中間位置的D點(diǎn)處，則故A至B點(diǎn)的高差為：式中：s經(jīng)氣象改正后的斜距；z天頂距的觀測(cè)值；V覘標(biāo)高；R測(cè)區(qū)地球平均曲率半徑；K大氣折光系數(shù)。由于前、后視高差觀測(cè)是在相近條件下進(jìn)行的，可認(rèn)為其折光系數(shù)，kAkB，令kA=kB=k，代入式（3）得：式中：hAB第一次觀測(cè)高差；hAB

4、第二次觀測(cè)高差。由上述可知，中點(diǎn)單覘法三角高差測(cè)量時(shí)，不需對(duì)中和量取儀器高。2.2 中誤差計(jì)算式由于DA=sAsinzA、DB=sBsinzB，由于采用中點(diǎn)單覘法進(jìn)行三角高程測(cè)量時(shí)，儀器大致在兩置覘點(diǎn)的中部且一般距離較短，則可近似認(rèn)為m2sA=m2sB=m2s；并顧及m2zA=m2zB=m2z，m2vA=m2vB=m2v， 由上式可得： 式中：mh中點(diǎn)單覘法三角高差的中誤差；ms測(cè)邊中誤差；mz天頂距觀測(cè)中誤差；mk大氣折光系數(shù)測(cè)定中誤差；mv覘標(biāo)高量取中誤差；Z天頂距的觀測(cè)值；D水平距離，D=s·cosz；R測(cè)區(qū)地球平均曲率半徑；取206265.2.3 精度分析及結(jié)論設(shè)ms=

5、77;10 mm、mz=±1.8、mk=±0.05、mv=±1 mm，取不同的平距D和天頂距Z，計(jì)算高差平均值的中誤差，通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析，可知： （1）由于采用中點(diǎn)單覘法進(jìn)行三角高程測(cè)量時(shí)邊長(zhǎng)較短，故大氣折光的影響較小，其高差測(cè)量精度主要受測(cè)距與天頂距精度的影響。有時(shí)當(dāng)垂直角較大時(shí)，測(cè)距精度影響甚至大于天頂距精度的影響。如DA=300 m、DB=200 m，即高差點(diǎn)間平距D=500 m，Z=75°，觀測(cè)精度同上時(shí)，由測(cè)距誤差ms引起的高差誤差mhs=±2.59 mm；由天頂距誤差mz引起的高差誤差mhz=±2.22 mm；由大氣折光系

6、數(shù)測(cè)定誤差mk引起的高差誤差mhk=±0.14 mm；由覘標(biāo)高量取誤差mv引起的高差誤差mhv=±1.00 mm；高差平均值的中誤差為：這與傳統(tǒng)的三角高程測(cè)量（直返覘法）精度主要受天頂距精度的影響是不同的。 （2）從衡量中點(diǎn)單覘法三角高程測(cè)量精度的指標(biāo)每公里高差中誤差來(lái)考慮，前后兩高差點(diǎn)間平距D的最有利范圍為400 mD800 m，即200 m前后視距400 m，取每公里高差中誤差的2倍作為極限誤差，在此范圍內(nèi)可滿足三等水準(zhǔn)測(cè)量的要求，且隨垂直角變小，平距D應(yīng)變短為有利； （3）取每公里高差中誤差的2倍作為極限誤差，均可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量的要求； （4）受外界條件限制，前后視

7、距特別短而傾角較大時(shí)，可用提高測(cè)距精度的方法來(lái)達(dá)到高程測(cè)量所需的精度。 在長(zhǎng)江大橋測(cè)量中，由于主橋和控制點(diǎn)之間的距離為200米左右，相對(duì)來(lái)說(shuō)，各種誤差的影響比較小些。完全可以達(dá)到高程控制在±5mm以內(nèi)。3 主橋測(cè)量定位技術(shù)3.1 主橋承臺(tái)和拱腳段測(cè)量定位 在拱腳段安裝前，首先在主橋承臺(tái)拱座鋼板上精確放樣出拱座中心線及內(nèi)拱和外拱相交線，復(fù)核拱座上鋼板的標(biāo)高。測(cè)出拱腳段臨時(shí)支撐上鋼管中心的坐標(biāo)，將測(cè)得的坐標(biāo)輸入到電腦三維模型中，截出臨時(shí)支撐處拱肋斷面圖形和工裝架型式，根據(jù)截出的工裝架形式和尺寸在臨時(shí)支撐上安裝工裝架，這就完成了拱肋安裝的測(cè)量準(zhǔn)備工作。拱腳段安裝時(shí)，拱座上拱肋的安裝比較容易

8、控制，只需根據(jù)拱座上彈出的拱座中心線和內(nèi)外拱相交線安裝就可以準(zhǔn)確就位了。對(duì)于拱腳段工裝部位的安裝，由于拱肋內(nèi)部的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便直接對(duì)其軸線進(jìn)行測(cè)量，我們選取拱肋內(nèi)部和鋼橫梁連接的鋼板部位進(jìn)行測(cè)量定位，拱腳段在安裝過(guò)程中，隨時(shí)跟蹤觀測(cè)臨時(shí)支撐的變化情況，保證了拱腳的安裝精度。拱肋工裝架示意圖如下：3.2 鋼箱梁平面位置和高程控制 在鋼箱梁安裝前，首先測(cè)出臨時(shí)支撐的坐標(biāo)，將測(cè)得的坐標(biāo)輸入到電腦三維模型中，計(jì)算出工裝架的高度（必須考慮預(yù)拱度）后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)制作安裝工裝架。鋼箱梁分段落至臨時(shí)支撐后，首先找出鋼箱梁上錨固點(diǎn)連線在鋼箱梁中線兩邊對(duì)稱的點(diǎn)，另外找出鋼箱梁分段處控制點(diǎn)，事先計(jì)算出這三點(diǎn)的平面坐標(biāo)和

9、標(biāo)高，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量這三點(diǎn)的坐標(biāo)，定出鋼箱梁的余量并切割，余量切割完成后，將分段重新吊起，待鋼箱梁平面位置和標(biāo)高控制在規(guī)范內(nèi)時(shí)，與支墩架剛性固定。通過(guò)測(cè)量這三點(diǎn)，保證了鋼箱梁的平面位置的準(zhǔn)確和鋼箱梁錨固點(diǎn)位置的準(zhǔn)確。3.3 拱肋測(cè)量安裝定位 拱肋的安裝測(cè)量準(zhǔn)備工作和鋼箱梁相同，首先測(cè)出臨時(shí)支撐的標(biāo)高，根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)在電腦三維圖中截出拱肋的斷面形式和工裝架的形狀，現(xiàn)場(chǎng)制作安裝，如圖1所示。拱肋的安裝定位是本工程的難點(diǎn)，由于實(shí)際測(cè)量放樣時(shí)很難通過(guò)控制拱軸線來(lái)測(cè)量定位，即拱肋上理論錨固點(diǎn)不可能在測(cè)量中實(shí)際測(cè)放出來(lái)，但如果不控制好拱肋上理論錨固點(diǎn)的坐標(biāo)，拱肋和吊桿的安裝精度就得不到保證，經(jīng)過(guò)反復(fù)探討，最終

10、決定在拱肋吊孔底部安裝棱鏡，因?yàn)楣袄咤^固點(diǎn)和鋼箱梁上錨固點(diǎn)以及吊孔底部中心點(diǎn)這三點(diǎn)通過(guò)一條直線。在拱肋吊裝前，先找出吊孔底部中心的位置，在其位置焊接棱鏡支座的螺帽，注意在焊接過(guò)程中保證螺帽位置的準(zhǔn)確性，焊接完成后套上支座和棱鏡。計(jì)算出棱鏡中心到拱肋理論錨固點(diǎn)的距離，在電腦中計(jì)算出棱鏡中心點(diǎn)的設(shè)計(jì)三維坐標(biāo)。在拱肋安裝時(shí)，主要對(duì)拱肋分段的端頭和中間部位的吊桿位置進(jìn)行測(cè)量控制安裝。4 監(jiān)控測(cè)量 為了保證長(zhǎng)江大橋的順利完成，在整個(gè)安裝過(guò)程中以及支架拆除后都必須對(duì)長(zhǎng)江大橋進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量，主要包括安裝過(guò)程中臨時(shí)支撐的變化情況，鋼箱梁和拱肋的變形情況，以及拱肋澆注混凝土過(guò)程中張拉過(guò)程中拱肋及鋼箱梁的變化情況，支架拆除后拱肋鋼箱梁是否獲得設(shè)計(jì)理論狀態(tài)。其中最主要是對(duì)拱肋的變化情況進(jìn)行監(jiān)控，分別在拱肋1/2L段和1/8L段安裝棱鏡，觀測(cè)其在各種過(guò)程中的變化情況，經(jīng)過(guò)每次觀測(cè)數(shù)據(jù)的比較，長(zhǎng)江大橋的安裝精度完全在設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)。支架拆除后，鋼箱梁和拱肋由安裝狀態(tài)恢復(fù)到設(shè)計(jì)理論狀態(tài)。 5 施工總結(jié)從現(xiàn)場(chǎng)安裝的情況來(lái)看，鋼箱梁和拱肋的安裝精度均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但在測(cè)量施工工作中必須注意以下幾點(diǎn)：（1）三維模型的應(yīng)用，由于拱肋