大跨度橋梁鋼索塔安裝測量方法及精度分析

何廣源，吳迪軍，李書銀， 葉世儒

(1. 中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430050；2. 中鐵大橋局集團(tuán)第四工程有限公司, 江蘇 南京 210031)

一、引 言

馬鞍山長江公路大橋連接馬鞍山和巢湖兩市，橋位位于馬鞍山河段江心洲，主橋長10.9 km?？玳L江主航道的主橋?yàn)槭澜缟献畲罂鐝降娜煽鐟宜鳂颍骺缈鐝綖?080 m。中塔離兩岸大堤的距離超過1100 m，塔柱結(jié)構(gòu)為鋼混疊合結(jié)構(gòu)，塔高175.3 m，其中混凝土塔高47.5 m，鋼索塔高127.8 m。中塔施工放樣是該橋施工測量的難點(diǎn)和關(guān)鍵所在。與混凝土塔相比，鋼索塔更容易受日照、溫度、風(fēng)等外在因素的影響而產(chǎn)生形變，因此，鋼索塔施工測量的難度更大。本文以馬鞍山長江公路大橋中塔柱鋼索塔施工測量為例，探討大跨度橋梁鋼索塔安裝測量控制方法及技術(shù)措施。

二、鋼索塔安裝測量方法

馬鞍山長江公路大橋中塔柱鋼索塔分T1—T21共21節(jié)，其中T5、T11、T16為調(diào)節(jié)段。每節(jié)鋼索塔節(jié)段在車間加工預(yù)拼后再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場安裝，其形狀和大小已經(jīng)成型，只有在調(diào)節(jié)段才能進(jìn)行微調(diào)。因此，整個(gè)鋼索塔安裝測量控制的關(guān)鍵在于首節(jié)T1節(jié)段的放樣定位精度和各調(diào)節(jié)段的安裝調(diào)整。

塔柱的垂直度和形體質(zhì)量是反映塔柱施工質(zhì)量的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，也是各節(jié)段及部件施工的總體體現(xiàn)[1-2]。由于鋼索塔形體已經(jīng)事先在工廠制作時(shí)確定，因此，塔柱垂直度是反映塔柱施工質(zhì)量的最重要指標(biāo)。其次就是塔柱的高程控制，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)提出的精度要求是，安裝過程中節(jié)段四角高差限差要求：橫橋向≤1 mm，順橋向≤2 mm；柱傾斜度誤差不大于塔高的1/4000；最終索塔高程誤差要求≤10 mm。

根據(jù)鋼索塔的設(shè)計(jì)和施工要求，測量控制的重點(diǎn)是：通過對鋼索塔頂面軸線點(diǎn)和四角點(diǎn)的測量來實(shí)現(xiàn)垂直度和平整度的控制目標(biāo)。鋼索塔頂面測量控制點(diǎn)分布如圖1所示，其中，X1、X2、Y1、Y2為鋼索塔安裝施工軸線測量控制點(diǎn)，a、b、c、d為鋼索塔頂面四角高程、高差測量點(diǎn)。

圖1 鋼索塔安裝測量控制點(diǎn)分布示意圖

1. 平面測量方法

(1) 首節(jié)段T1節(jié)的測量

在混凝土塔柱頂面和鋼索塔T1節(jié)段連接的內(nèi)側(cè)左右邊緣處澆注4個(gè)強(qiáng)制對中觀測墩，在首節(jié)段T1安裝前，采用精密三角測量方法按二等精度聯(lián)測兩岸首級控制點(diǎn)，作為鋼索塔安裝施工的平面控制點(diǎn)。鄭德華在研究分析南京長江二橋和潤揚(yáng)大橋等橋首級控制網(wǎng)時(shí)，得出以下結(jié)論：對于跨江寬度在3 km以內(nèi)的施工控制網(wǎng)，采用邊角網(wǎng)方法觀測，控制點(diǎn)精度能滿足2 mm的要求[3]。利用這些控制點(diǎn)按圖1中的X、Y軸線控制點(diǎn)采用歸化改正方法對鋼索塔首節(jié)段T1節(jié)進(jìn)行放樣定位。

(2) 其他節(jié)段的安裝測量

首先，利用上述施工平面控制點(diǎn)采用全站儀歸化改正方法在下橫梁表面上、下游合適位置分別放樣投影點(diǎn)；其次，用激光準(zhǔn)直儀將平面投影點(diǎn)垂直投影到相應(yīng)節(jié)段鋼索塔頂面，并在頂面用帶刻度的透明接收板進(jìn)行接收、標(biāo)記及固定，上、下游鋼索塔各獨(dú)立投影一個(gè)點(diǎn)；然后，在上、下游鋼索塔投點(diǎn)近似直線的鋼塔外側(cè)邊緣的合理位置，采用研制的測量輔助裝置固定在鋼索塔上，架設(shè)全站儀，整平并后視投影點(diǎn)，調(diào)整儀器到兩個(gè)投影點(diǎn)的延長線上，固定、整平并通過測距檢核兩點(diǎn)的投影坐標(biāo)；最后，根據(jù)距離和投影點(diǎn)坐標(biāo)反推測站坐標(biāo)，通過設(shè)站、后視投影點(diǎn)，對上、下游鋼索塔軸線控制點(diǎn)X1、X2及Y1、Y2進(jìn)行測量。

(3) 精度控制措施

采用以下措施進(jìn)行精度控制：

1) 臨時(shí)加密點(diǎn)利用混凝土頂面的帶強(qiáng)制對中墩的控制點(diǎn)采用歸化方法進(jìn)行放樣。

2) 采用鉛垂準(zhǔn)直儀在垂直向上投點(diǎn)時(shí)，同時(shí)將專門的帶刻度的透明接收板測量輔助裝置固定到鋼索塔表面進(jìn)行接收、標(biāo)記。鉛垂準(zhǔn)直儀垂直投影的標(biāo)稱精度為1/200 000，對于不到200 m的塔高的投影高度，這項(xiàng)誤差顯然影響較小，為避免投影偏差，投點(diǎn)時(shí)采用4個(gè)方向投點(diǎn)。

3) 后視和設(shè)站采用專門研制的強(qiáng)螺栓固定在鋼索塔表面進(jìn)行接收和固定裝置，能大大減少該項(xiàng)誤差；同時(shí)放樣時(shí)，在鋼塔軸線控制點(diǎn)上均用沖眼標(biāo)記，且采用小棱鏡進(jìn)行測量。

4) 坐標(biāo)法放樣的精度主要受測距誤差、天頂距測量誤差和水平角測量誤差三方面的影響。由于設(shè)站在每節(jié)段鋼索塔外側(cè)，距離很小，天頂距約90°，水平角也很小，因此，極坐標(biāo)法放樣引起的誤差很小。

5) 為檢驗(yàn)安裝測量的精度，在鋼索塔外測邊緣固定測量輔助裝置并架設(shè)全站儀，調(diào)整使儀器中心在上、下游鋼索塔Y1或Y2之間的延長線上，通過測距方式求得上、下游鋼索塔之間的中心距，并與軸線放樣點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行對比驗(yàn)證。

2. 高程測量方法

鋼索塔高程測量包括絕對高程和鋼索塔節(jié)段四角相對高差測量。

1) 以中塔承臺上既有首級控制網(wǎng)跨河水準(zhǔn)點(diǎn)作為高程控制點(diǎn)，采用高程傳遞方法測量每節(jié)段鋼索塔頂面的絕對高程。目前在高層建筑物施工中高程傳遞的主要方法有：懸掛鋼尺法、三角高程法、全站儀+彎管目鏡天頂測距法[4]。其中，自由設(shè)站全站儀天頂測距測高法原理如圖2所示，該法具有簡單明了、精度高、操作方便靈活、受風(fēng)霧等氣候影響小等特點(diǎn)[4-6]。

圖2 自由設(shè)站全站儀天頂距測高原理

2) 鋼索塔節(jié)段頂面四角高差測量：通過在鋼索塔頂面采用能固定到鋼索塔可卸載的測量輔助裝置上架設(shè)水準(zhǔn)儀，采用直接測量方法進(jìn)行，操作方便，精度高且可靠。

鋼索塔安裝歷時(shí)長，隨著高度的增高和外在環(huán)境天氣的漸變，由于熱脹冷縮現(xiàn)象，鋼塔高度隨溫度的變化較大。每節(jié)段測量高程時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際溫度將實(shí)測鋼索塔高度改正到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)溫度下的塔高，保證塔高基準(zhǔn)的一致性。其次，應(yīng)根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對調(diào)節(jié)段進(jìn)行墊片微調(diào)，減小累積誤差，使得最終塔高滿足設(shè)計(jì)和施工的要求。

三、實(shí)測結(jié)果與分析

圖3為鋼索塔T1—T21鋼索塔架設(shè)的垂直度結(jié)果圖，圖中縱坐標(biāo)系為偏差值，上橫坐標(biāo)為對應(yīng)鋼索塔編號，下橫坐標(biāo)表示鋼索塔接口編號；每個(gè)圖框內(nèi)外側(cè)兩條斜線為最大允許偏差，其余兩條折線為順、橫橋向的實(shí)測偏差。從圖3中可以看出，鋼索塔所有節(jié)段及最終成橋垂直段均滿足要求；T1—T4鋼索塔安裝累積誤差發(fā)生偏差，在T5調(diào)節(jié)段的J6連接處根據(jù)測量數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)并采用鋼橫支撐和千斤頂進(jìn)行頂推到位，再進(jìn)行后續(xù)節(jié)段的安裝；同樣在其他調(diào)節(jié)段均采用這些方法來有效減少鋼索塔的偏移。

圖3 鋼索塔節(jié)段垂直度結(jié)果圖

表1為鋼索塔架設(shè)垂度數(shù)值指標(biāo)，鋼索塔最低精度為上游塔柱順橋向(1/177 50)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于規(guī)范和設(shè)計(jì)的1/4000要求，下游塔柱最終高程略超限，分析主要可能原因有：鋼索塔架設(shè)歷時(shí)長約9個(gè)月，隨著塔柱施工重量的增加承臺有一定量的下沉，途中歷經(jīng)一次控制網(wǎng)復(fù)測；從控制網(wǎng)復(fù)測成果看來，較上一次復(fù)測，承臺下沉了約4.4～4.8 mm；鋼索塔自身由于重量原因存在一定壓縮。但整體來說，上、下游塔柱高差較小，對整個(gè)鋼索塔和后續(xù)工程的影響很小，滿足工程設(shè)計(jì)和施工的要求?？梢?，本文的鋼索塔安裝測量控制方法可靠且可行、精度較高。

表1 鋼索塔架設(shè)最終垂度指標(biāo)

注：橫橋向往上游方向?yàn)檎?，順橋向以里程增加方向?yàn)檎?/p>

四、結(jié) 論

1) 鋼索塔安裝誤差逐層累積且只能在調(diào)節(jié)段才能根據(jù)四角高差進(jìn)行墊片微調(diào)，因此，對安裝測量的數(shù)據(jù)可靠性和精度要求高，需根據(jù)施工工藝及現(xiàn)場測量條件選擇合理可行的測量方法。同時(shí)，考慮到鋼索塔受日照影響產(chǎn)生形變的因素，應(yīng)選擇在夜間22∶00至凌晨5∶00大氣穩(wěn)定的時(shí)間段進(jìn)行測量。

2) 本文中自由設(shè)站全站儀天頂距測高法，具有操作方便、精度高等特點(diǎn)，是高層建筑高程測量中比較有效的測量方法。

3) 鋼索塔首節(jié)段的定位對最終鋼索塔的垂直度影響顯著，應(yīng)確保首節(jié)段施工測量的精度，并進(jìn)行復(fù)核測量。

4) 鋼索塔安裝歷時(shí)長，隨著高度的增高和外在環(huán)境天氣的漸變，塔自身高度隨溫度的變化比較大；測量時(shí)把不同溫度下的塔高根據(jù)實(shí)測溫度按鋼索塔膨脹系數(shù)進(jìn)行改正到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)溫度下的塔高，以保證塔高基準(zhǔn)的一致性。

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