斜拉橋的控制測量
2018-04-02
1 概述
斜拉橋作為現(xiàn)代化的橋梁，以其獨特的結(jié)構(gòu)形式和優(yōu)美流暢的線形，正在更多的路橋建設(shè)中被建造和使用。斜拉橋興起于上世紀(jì)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(biāo)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(jīng)過30年的迅速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)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(jìn)，不僅趕上了發(fā)達(dá)國家，而且跨進(jìn)了先進(jìn)國家的行列。并且在設(shè)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(jīng)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(fù)，嚴(yán)重制約了濟南市道路交通的發(fā)展。經(jīng)過各方面的多次論證，決定修建一座現(xiàn)代化的橋梁，考慮到橫跨京滬鐵路線的特殊性和現(xiàn)代化城市建設(shè)的需要，斜拉橋以其跨度大、橋型優(yōu)美而被列入勘設(shè)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(cè)拉通，形成一條新的城市快速大通道。該橋設(shè)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?qū)俪鞘辛⒔桓呒軜?，施工條件復(fù)雜，技術(shù)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(shù)含量高的現(xiàn)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(shù)要求。研究該橋測量控制技術(shù)，使我們了解如何在城市控制網(wǎng)中對大型建筑物進(jìn)行控制，如何將GPS技術(shù)運用到工程建設(shè)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(zhǔn)測量，同時運用測量新技術(shù)解決復(fù)雜的問題，進(jìn)一步完善斜拉橋的測控理論。
2 控制網(wǎng)的布設(shè)
2.1 平面控制網(wǎng)的布設(shè)
在布設(shè)平面控制網(wǎng)時，依據(jù)設(shè)計要求，控制網(wǎng)按照《公路勘測規(guī)范》中規(guī)定的三等網(wǎng)精度進(jìn)行施測，橋軸線相對中誤差不低于1/70000，在濟南市統(tǒng)一坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行插網(wǎng)布設(shè)。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(jīng)過大量實地勘察，最后選定幾座屬永久性、基礎(chǔ)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(shè)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(tǒng)一埋設(shè)強制對中觀測墩，觀測墩為磚混結(jié)構(gòu)，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(shè)完控制點，隨即對該網(wǎng)采用兩種方法進(jìn)行觀測，一種方法是利用GPS技術(shù)進(jìn)行三邊網(wǎng)觀測，使用的GPS接收機標(biāo)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(jìn)行邊角觀測，全站儀標(biāo)稱精度：測角1〃測距1mm+2ppm。觀測前均對相應(yīng)的接收機、全站儀及相關(guān)組件按相應(yīng)的指標(biāo)要求和檢定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面的檢驗和校正，在觀測過程中進(jìn)行相應(yīng)的氣象條件改正以及儀器乘常數(shù)和加常數(shù)的設(shè)置。在利用GPS進(jìn)行外業(yè)作業(yè)前實施衛(wèi)星可見性預(yù)報，觀測時采用靜態(tài)定位模式，使用四臺接收機進(jìn)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(biāo)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(yán)格依照《公路勘測規(guī)范》、《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》、《工程測量規(guī)范》、《精密工程測量規(guī)范》等進(jìn)行施測，確保觀測質(zhì)量的可靠性。
完成對整個控制網(wǎng)的觀測后，開始對觀測成果進(jìn)行內(nèi)業(yè)計算和結(jié)果評定。在對原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、加工與整理、分流并生成各種數(shù)據(jù)文件后，在各項質(zhì)量檢核符合要求后，以一個點的WGS-84系坐標(biāo)為起算點依據(jù)，通過GPS網(wǎng)三維無約束平差求得各點WGS-84系統(tǒng)坐標(biāo)，在無約束平差得到的有效觀測量基礎(chǔ)上，在濟南市城市獨立坐標(biāo)系下又進(jìn)行二維無約束平差。平差完成后的成果質(zhì)量統(tǒng)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(biāo)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(jié)果進(jìn)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(nèi)業(yè)計算出的數(shù)據(jù)及對成果精度的統(tǒng)計分析，可以認(rèn)為該控制網(wǎng)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(wǎng)的誤差。
2.2 高程控制網(wǎng)的布設(shè)
依據(jù)設(shè)計要求，高程控制網(wǎng)按照三等水準(zhǔn)測量進(jìn)行施測。高程采用了1956年黃海高程系統(tǒng)，從濟南市城市水準(zhǔn)網(wǎng)中進(jìn)行插點，分別在南北兩端各插入一水準(zhǔn)點進(jìn)行埋石。根據(jù)施工環(huán)境的具體情況，在一些永久性建筑物的基礎(chǔ)上埋設(shè)鋼樁，形成一條長3.6km的水準(zhǔn)網(wǎng)，使用N3水準(zhǔn)儀對該網(wǎng)進(jìn)行觀測。經(jīng)過對觀測成果進(jìn)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(biāo)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(dá)幾百公斤的鋼索導(dǎo)管，為了使這些導(dǎo)管能夠精確定位，就需要將高程準(zhǔn)確的傳遞上去，鑒于施工的難度和復(fù)雜性，用水準(zhǔn)測量的方法傳遞高程有很大的困難，經(jīng)反復(fù)的研究分析并經(jīng)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(jìn)行對向觀測，每公里中誤差僅為2.6mm，符合三等水準(zhǔn)測量規(guī)范要求，決定采用三角高程測量的方法進(jìn)行高程傳遞。因此又按照三等水準(zhǔn)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(jìn)行豎角對向觀測，對所有點進(jìn)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(zhǔn)施測） 3 施工控制
3.1 施工坐標(biāo)系的建立
該橋在勘測及控制網(wǎng)中所使用的坐標(biāo)均為濟南市獨立坐標(biāo)系統(tǒng)（稱其為測圖坐標(biāo)系）。使用該坐標(biāo)系體現(xiàn)在施工時數(shù)值較大，現(xiàn)場計算繁雜，不能直觀的反映出測控點與結(jié)構(gòu)物之間的關(guān)系，為此需要建立一個能夠方便現(xiàn)場測控放樣的局部施工坐標(biāo)系，并且使其能夠與測圖坐標(biāo)系之間相互轉(zhuǎn)換，從而能夠滿足不同方面的需求。
該橋的施工坐標(biāo)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(biāo)原點，往南主塔方向為正向建立平面直角坐標(biāo)系。例如北主塔中心測圖坐標(biāo)為X：110.5515 Y：-3058.279，南主塔中心測圖坐標(biāo)為X：-235.5441 Y：-2901.3779。依據(jù)這兩點推算施工坐標(biāo)與測圖坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換方位角為а=155°36 47″，根據(jù)兩坐標(biāo)系之間的幾何關(guān)系推出其相互之間的轉(zhuǎn)換公式。測圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)關(guān)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(biāo)；施工坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為測圖坐標(biāo)關(guān)系式
X0=110.5515+X×COSа-Y×SINа
Y0=-3058.2788+X×SINа+Y×COSа。
應(yīng)用以上兩公式，可以順利進(jìn)行施工坐標(biāo)與測圖坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，可以將所有平面控制點的測圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)，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(guān)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(yù)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(zhǔn)面，在這里主塔雖然高120米，但經(jīng)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(rèn)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(guān)系來確定。實際上當(dāng)以主塔中心為原點建立起施工坐標(biāo)系并且將水準(zhǔn)高程引至該原點時，就等于已經(jīng)建立了一個空間直角三維坐標(biāo)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(biāo)，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(biāo)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(biāo)為（X，Y，Z），當(dāng)B點位于YOZ平面上時，X=0，Y=（H1-H2）×TANa，H1、a為設(shè)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(xiàn)澆梁，采用牽索掛藍(lán)施工。在0#塊澆注完畢后，可以采用前方交會法恢復(fù)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(fù)出兩主塔中心點后的實測距離為380.008M，而設(shè)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(lán)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(shè)計中，已經(jīng)按照一定的線形設(shè)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(shè)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(lán)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(lán)的影響，使掛藍(lán)很難按設(shè)計高程施工。為了使設(shè)計與實際施工能夠保持一致，在施工時需要根據(jù)具體情況對掛藍(lán)高程進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)掛藍(lán)安裝到位，有效荷載加裝后，開始調(diào)整掛藍(lán)高程。一般是選擇夜間大氣溫度變化不大的時候進(jìn)行調(diào)整，原則上以設(shè)計高程為基礎(chǔ)，測定相鄰兩塊梁之間的相對高差，將其調(diào)整與設(shè)計高差相一致，在掛藍(lán)與相鄰梁塊之間固定以后整體調(diào)整掛藍(lán)的高程，調(diào)整依據(jù)是在設(shè)計高程上加一個預(yù)調(diào)值和掛藍(lán)預(yù)拱度調(diào)整值，既設(shè)計高程+高差調(diào)整值+預(yù)調(diào)值+掛藍(lán)預(yù)拱度調(diào)整值。這里預(yù)調(diào)值是一個十分重要的改正值，該值的準(zhǔn)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(guān)鍵因素。該值需要通過專門觀測并對成果進(jìn)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(yù)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(jìn)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(shù)據(jù)整理，經(jīng)軟件分析計算出下一次調(diào)整掛藍(lán)時的預(yù)調(diào)值。
3.4 鋼索導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)管安裝的精確與否直接關(guān)系著整個橋梁的受力，影響著鋼索的使用壽命。安裝要求嚴(yán)格，誤差要求控制在±1cm范圍內(nèi)，是整個斜拉橋施工過程中測量控制的重點。
在設(shè)計圖紙中，已經(jīng)給出了鋼索錨固點在空間中的位置及相關(guān)數(shù)據(jù)。但根據(jù)施工時的實際條件，是無法直接利用設(shè)計數(shù)據(jù)來完成對索導(dǎo)管的空間定位測量，這里可以采用這樣一種方法：依據(jù)錨固點的設(shè)計數(shù)據(jù)，計算出每一個錨固點在橋梁獨立坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)，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(guān)參數(shù)，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(nèi)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(nèi)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(yīng)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(yán)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(nèi)。 使用這種方法進(jìn)行鋼索導(dǎo)管定位時，有這樣一個問題需要解決：索導(dǎo)管在定位安裝前，已經(jīng)依據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)對每根索的解析參數(shù)事先進(jìn)行了計算，但是實際在主梁上安裝時，梁面的設(shè)計高程已經(jīng)發(fā)生了微小的變化，這種微小的變化對錨固點設(shè)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(jīng)發(fā)生了變化，如果以原來的參數(shù)進(jìn)行定位計算，那么實際所測出來的未知量Z中已經(jīng)包含了一個ΔZ值，這個值對以解析方程進(jìn)行計算的X、Y值就直接產(chǎn)生了影響，也就是使索導(dǎo)管偏離了原設(shè)計位置，可能導(dǎo)致索導(dǎo)管的管壁與鋼索產(chǎn)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(chǎn)生的影響。在索導(dǎo)管定位安裝時，首先測定主梁的實際高程，將其與設(shè)計高程做比較，確定出實測與設(shè)計高程的差值±ΔZ，給原錨固點的設(shè)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(shù)，以新參數(shù)做為計算定位測量的依據(jù)。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(zhǔn)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(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。
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(cè)埋設(shè)沉降觀測尺，使用N3水準(zhǔn)儀定期進(jìn)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(shè)兩組觀測棱鏡進(jìn)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(jìn)行交會觀測，主梁在進(jìn)行施工時，主塔的位移觀測需要隨時進(jìn)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(jìn)行對比，根據(jù)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(jìn)行觀測，以便根據(jù)觀測結(jié)果調(diào)整索力。而在主梁合攏時，需要對主塔的位移情況進(jìn)行二十四小時不間斷觀測，依據(jù)觀測點位位移情況，合理的對合攏梁端進(jìn)行配重，最終使主梁順利的實現(xiàn)合攏。
4 結(jié)束語
隨著各種新材料的運用及新技術(shù)的不斷發(fā)展，各種橋梁工程的建設(shè)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(shù)的飛躍發(fā)展，尤其是GPS技術(shù)的發(fā)展，改變了傳統(tǒng)的測量模式，使測繪控制工作發(fā)生了質(zhì)的變化。工程建設(shè)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(xiàn)在只要很少的幾個人就可完成，外業(yè)數(shù)據(jù)的采集和內(nèi)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(zhì)的飛躍。隨著測繪技術(shù)的發(fā)展，還有很多方面需要不斷的進(jìn)行創(chuàng)新和完善，比如如何在測量數(shù)據(jù)的外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)處理之間進(jìn)行實時自動信息交換，將數(shù)字化測圖系統(tǒng)運用到橋梁工程建設(shè)中，對橋梁的各個在建部位進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)控，以避免工程質(zhì)量問題等，只有緊跟科技的進(jìn)步不斷探索和創(chuàng)新，才能更好的為工程建設(shè)進(jìn)行服務(wù)，為經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展譜寫新的篇章。
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