蝴蝶鋼管拱橋測量定位技術

1、蝴蝶鋼管拱橋測量定位技術謝成榮 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件的空間坐標，特別是拱肋上的各特征點三維空間坐標，有效的幫助構件安裝過程的精確定位。關鍵詞：蝴蝶鋼管拱橋；三維坐標；測量定位1 測量控制網(wǎng)的布設長江大橋橋面曲線外側的傾斜拱肋（簡稱外拱）和鉛直的夾角為13.5°,內側的傾斜拱肋（簡稱內拱）和鉛直的夾角為35.5°。兩個拱肋均由封閉的橢圓形變截面鋼結構構成，安裝精度要求±4mm。 為了保證長江大橋的安裝精度，本工程選用一臺徠卡NA2自動安平水準儀和一臺徠卡TC905L型全站儀（2、2mm+2

2、ppm）進行測量控制和放樣。在主橋施工前，對主橋控制網(wǎng)重新復測和加密，結合本工程的實際情況，在主橋南北兩岸各布置兩個控制點，按三等控制網(wǎng)精度要求進行測量，觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴密平差計算出各點坐標。2 長江大橋測量定位精度分析根據(jù)設計要求，長江大橋測量定位精度要求為平面±10mm，高程±5mm，這就要求在施測過程中必須盡量減小各種測量誤差的影響。在長江大橋安裝過程中，主要通過全站儀三維坐標測量來控制安裝的精度。全站儀三角高程測量方法和水準儀測量高程原理是一致的，主要是求出已知高程點和待測點的高差。全站儀三角高程測量方法如圖1所示。在測量時為了減小誤差，盡量置儀器于后視點和待測點距離

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

4、第二次觀測高差。由上述可知，中點單覘法三角高差測量時，不需對中和量取儀器高。2.2 中誤差計算式由于DA=sAsinzA、DB=sBsinzB，由于采用中點單覘法進行三角高程測量時，儀器大致在兩置覘點的中部且一般距離較短，則可近似認為m2sA=m2sB=m2s；并顧及m2zA=m2zB=m2z，m2vA=m2vB=m2v， 由上式可得： 式中：mh中點單覘法三角高差的中誤差；ms測邊中誤差；mz天頂距觀測中誤差；mk大氣折光系數(shù)測定中誤差；mv覘標高量取中誤差；Z天頂距的觀測值；D水平距離，D=s·cosz；R測區(qū)地球平均曲率半徑；取206265.2.3 精度分析及結論設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，計算高差平均值的中誤差，通過對結果的分析，可知： （1）由于采用中點單覘法進行三角高程測量時邊長較短，故大氣折光的影響較小，其高差測量精度主要受測距與天頂距精度的影響。有時當垂直角較大時，測距精度影響甚至大于天頂距精度的影響。如DA=300 m、DB=200 m，即高差點間平距D=500 m，Z=75°，觀測精度同上時，由測距誤差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)測定誤差mk引起的高差誤差mhk=±0.14 mm；由覘標高量取誤差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）從衡量中點單覘法三角高程測量精度的指標每公里高差中誤差來考慮，前后兩高差點間平距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，在此范圍內可滿足三等水準測量的要求，且隨垂直角變小，平距D應變短為有利； （3）取每公里高差中誤差的2倍作為極限誤差，均可滿足四等水準測量的要求； （4）受外界條件限制，前后視

7、距特別短而傾角較大時，可用提高測距精度的方法來達到高程測量所需的精度。 在長江大橋測量中，由于主橋和控制點之間的距離為200米左右，相對來說，各種誤差的影響比較小些。完全可以達到高程控制在±5mm以內。3 主橋測量定位技術3.1 主橋承臺和拱腳段測量定位 在拱腳段安裝前，首先在主橋承臺拱座鋼板上精確放樣出拱座中心線及內拱和外拱相交線，復核拱座上鋼板的標高。測出拱腳段臨時支撐上鋼管中心的坐標，將測得的坐標輸入到電腦三維模型中，截出臨時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支撐上安裝工裝架，這就完成了拱肋安裝的測量準備工作。拱腳段安裝時，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外拱相交線安裝就可以準確就位了。對于拱腳段工裝部位的安裝，由于拱肋內部的結構復雜，不便直接對其軸線進行測量，我們選取拱肋內部和鋼橫梁連接的鋼板部位進行測量定位，拱腳段在安裝過程中，隨時跟蹤觀測臨時支撐的變化情況，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，首先測出臨時支撐的坐標，將測得的坐標輸入到電腦三維模型中，計算出工裝架的高度（必須考慮預拱度）后進行現(xiàn)場制作安裝工裝架。鋼箱梁分段落至臨時支撐后，首先找出鋼箱梁上錨固點連線在鋼箱梁中線兩邊對稱的點，另外找出鋼箱梁分段處控制點，事先計算出這三點的平面坐標和

9、標高，通過現(xiàn)場測量這三點的坐標，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高控制在規(guī)范內時，與支墩架剛性固定。通過測量這三點，保證了鋼箱梁的平面位置的準確和鋼箱梁錨固點位置的準確。3.3 拱肋測量安裝定位 拱肋的安裝測量準備工作和鋼箱梁相同，首先測出臨時支撐的標高，根據(jù)所測數(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)場制作安裝，如圖1所示。拱肋的安裝定位是本工程的難點，由于實際測量放樣時很難通過控制拱軸線來測量定位，即拱肋上理論錨固點不可能在測量中實際測放出來，但如果不控制好拱肋上理論錨固點的坐標，拱肋和吊桿的安裝精度就得不到保證，經(jīng)過反復探討，最終

10、決定在拱肋吊孔底部安裝棱鏡，因為拱肋錨固點和鋼箱梁上錨固點以及吊孔底部中心點這三點通過一條直線。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，注意在焊接過程中保證螺帽位置的準確性，焊接完成后套上支座和棱鏡。計算出棱鏡中心到拱肋理論錨固點的距離，在電腦中計算出棱鏡中心點的設計三維坐標。在拱肋安裝時，主要對拱肋分段的端頭和中間部位的吊桿位置進行測量控制安裝。4 監(jiān)控測量 為了保證長江大橋的順利完成，在整個安裝過程中以及支架拆除后都必須對長江大橋進行監(jiān)控測量，主要包括安裝過程中臨時支撐的變化情況，鋼箱梁和拱肋的變形情況，以及拱肋澆注混凝土過程中張拉過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計理論狀態(tài)。其中最主要是對拱肋的變化情況進行監(jiān)控，分別在拱肋1/2L段和1/8L段安裝棱鏡，觀測其在各種過程中的變化情況，經(jīng)過每次觀測數(shù)據(jù)的比較，長江大橋的安裝精度完全在設計的理想狀態(tài)。支架拆除后，鋼箱梁和拱肋由安裝狀態(tài)恢復到設計理論狀態(tài)。 5 施工總結從現(xiàn)場安裝的情況來看，鋼箱梁和拱肋的安裝精度均達到了設計要求，但在測量施工工作中必須注意以下幾點：（1）三維模型的應用，由于拱肋