滬通長江大橋鋼桁梁拼裝測量技術探討

蔡少云，李桂華

(1.中交第二航務工程局有限公司滬通長江大橋項目部，江蘇 南通 226361； 2.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

滬通長江大橋為我國最大跨徑的公路鐵路兩用橋，位于蘇通長江大橋上游44 km，北連南通，南貫張家港，橋位處江面寬約6 km，橋區(qū)兩岸地勢平坦，視野開闊?？鐧M港沙區(qū)段橋梁為21孔112 m簡支鋼桁梁橋，全長2 352 m。主梁采用帶豎桿的華倫式三片主桁架結構，主桁中心橫橋向間距2×14.5 m =29.0 m，中桁中心桁高16 m，每跨縱橋向分10個節(jié)間，中間節(jié)間長11 m，端部節(jié)間長10.8 m?？缣焐酆降罉蛄簽?41.5 m+336.0 m+141.8 m=619.3 m剛性梁柔性拱橋，主梁采用帶豎桿的華倫式三片主桁架結構，主桁中心橫橋向間距2×17.25 m=34.5 m，中桁中心桁高16 m，縱橋向節(jié)間距為14 m，全橋共44個節(jié)間。

滬通長江大橋是四線鐵路和六車道高速公路合建橋梁，主要技術標準為：① 鋼梁制造標準采用《鐵路鋼橋制造規(guī)范》(TB 10212-2009)；② 質量驗收采用《高速鐵路橋涵工程施工質量驗收標準》(TB 10752-2010)；③ 測量采用《高速鐵路工程測量規(guī)范》(TB 10601-2009)。

1 施工測量控制網

1.1 施工控制網坐標系建立

滬通長江大橋施工平面坐標系統(tǒng)為CGCS2000國家坐標，中央子午線120°45′，投影面大地高20 m；高程為1985國家高程基準。

為方便施工，在112 m簡支鋼桁梁橋和336 m鋼拱橋上分別建立橋軸坐標系[1]。因336 m鋼拱橋全長619.3 m，橋面平均大地高65 m，按照控制網投影面大地高20 m計算，長度變形約5 mm，不利于鋼桁梁拼裝。為了減小投影差改正，在施工336 m鋼拱橋時，需將控制網投影面放在大地高65 m處，進行投影面改化。而112 m簡支鋼桁梁橋控制網投影面長度變形<1 mm，無需進行控制網投影面改化。

坐標轉換采用四參數(shù)公式[2]。為避免縮放量集中在橋梁一端，CGCS2000坐標與橋軸坐標之間的尺度縮放應相對于橋梁測區(qū)中心縮放：

(1)

式(1)中，x1，y1為CGCS2000坐標相對于橋梁測區(qū)中心的坐標增量；β為旋轉角；λ是縮放因子；a，b為坐標平移量；x2，y2為橋軸坐標。

1.2 施工測量控制網布設

平面控制網測量采用GNSS靜態(tài)相對定位技術[2](按鐵路一等GPS要求施測)結合常規(guī)導線測量技術方法。高程控制網測量采用EDM對向三角高程[3]及幾何水準測量技術，按二等水準要求進行。

鋼桁梁拼裝階段，施工控制網分兩次布設(圖1)：① 第一次布設10個平高控制點，均勻分布于線路東側，主要用于112 m鋼桁梁的拼裝測量；② 第二次布設2個平高控制點，位于336 m鋼拱橋鐵路層頂面，主要用于336 m鋼拱橋的鋼桁梁拼裝測量。為提高測量精度，所有點均為強制對中觀測墩結構。

圖1 施工測量控制網點位布置圖

1.3 復雜施工條件下GNSS基線解算

基線解算采用徠卡LGO 8.4和GAMIT 10.6軟件[4]，網平差采用武漢大學研制的 “CosaGPS-GPS工程測量網通用平差軟件包(V5.20)”。

大橋線路上的橋梁工程測量工作基點一般布設于線路兩側，少數(shù)點受施工條件限制，布設靠近橋梁主體結構。如本工程的GPS1點，靠近墩身，GNSS信號遮擋嚴重，用隨機解算軟件LGO 8.4做基線數(shù)據(jù)處理較為困難。而利用GAMIT 10.6軟件可用衛(wèi)星多、自動修復周跳等特點，基線處理可獲得最優(yōu)結果。處理時，使用者要根據(jù)需要設置衛(wèi)星系統(tǒng)、采樣率、電離層模型、對流層模型等解算策略。

2 工廠制造精度管理

工廠制造精度(規(guī)范要求桿件各栓孔間距制造偏差不大于0.8 mm)直接影響鋼桁梁橋位拼裝的順利程度。滬通大橋鋼桁梁由3家廠家制造，地域、季節(jié)、工藝均不相同。針對以上特點，需采取3種措施，確保精度符合拼裝要求：① 明確鋼桁梁桿件制造基準溫度為20℃；② 對3家廠家所用鋼尺統(tǒng)一比對標定；③ 采用全站儀三維坐標法(TS30全站儀配合球棱鏡，精度優(yōu)于0.4 mm)定期檢測鋼桁梁孔群相對位置及節(jié)點板平面度。

3 高墩變形影響及應對措施

滬通長江大橋墩身高大，高度53～63 m，鋼桁梁橋位拼裝施工以墩身為依托，因此必須考慮墩身變形對鋼桁梁精確定位的影響。造成墩身變形主要因素包括：① 溫度、風等外界條件；② 上部結構不均衡施工荷載。為此，通過觀測對其進行定量分析，用以指導施工測量。

3.1 均衡荷載下的墩頂變形觀測

均衡荷載下的墩頂變形受墩身結構、溫度、風等外界條件影響。觀測時，選擇標段內墩身高度最高的正橋25#墩為觀測對象，設置TS30全站儀于相鄰墩承臺頂面，在25#墩承臺和墩頂設置固定棱鏡，采用全站儀差分法[1]進行墩頂變形觀測(圖2)。

圖2 墩頂變形過程圖

3.2 不均衡荷載下墩頂變形觀測

根據(jù)上部結構施工實際情況分析，墩身在縱橋向受不均衡施工荷載影響。觀測時，沿橋軸線布設觀測點，設置TS30全站儀于相鄰墩承臺頂面，在墩頂設置固定棱鏡，選擇溫度恒定的時間段，采用距離差分法進行墩頂縱向變形觀測。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，墩頂受溫度等外界環(huán)境條件影響最大變形為3.8 mm，受不均衡施工荷載影響最大變形為6.8 mm?？紤]高墩變形復雜性，本工程采取避讓墩頂水平變形、修正墩頂豎向變形的應對措施，即在墩身溫度恒定、施工荷載平衡時，將鋼桁梁拼裝的測量基準引測至墩身頂面(墩頂高程均進行溫度基準改正)。

4 TS30全站儀三維坐標法測量

考慮施工條件，滬通橋鋼桁梁每一根桿件都在工廠制造，橋位處采用75 t吊機逐件拼裝，橋位連接方式為高強度螺栓連接(圖3)。

圖3 桁架結構布置圖

鋼桁梁各桿件間的空間幾何距離在制造廠家已嚴格控制(≤0.8 mm)，整體空間姿態(tài)在制造廠家已基本確定。橋位處鋼桁梁拼裝測量工作主要有對首節(jié)間鋼桁梁絕對位置定位和在拼裝過程中對鋼桁梁監(jiān)控兩方面，以微調鋼桁梁的空間姿態(tài)。

鋼桁梁拼裝主要測量精度指標為：平面點點位中誤差±3.0 mm，相鄰點相對點位中誤差±1.5 mm；高程點點位中誤差±3.0 mm，相鄰點高差中誤差±0.6 mm。

4.1 TS30全站儀三維坐標法測量精度分析及應對措施

根據(jù)實際情況，鋼桁梁拼裝測量選用TS30全站儀三維坐標法[5-7]，即用TS30全站儀在工作基點上直接測得待定點三維坐標的方法。TS30全站儀具有軸系自動補償、自動照準、自動進行大氣折光系數(shù)改正等功能，儀器主要精度指標為測角0.5＂，測距0.6 mm+D·10-6m。經分析，主要測量誤差來源有儀器自身精度、儀器設站對中誤差、鏡站置鏡誤差及鋼梁變形、顫動等所產生的誤差。

4.1.1 TS30儀器自身精度

施工測量時，現(xiàn)場無多余觀測條件，控制放樣視線長度不超過100 m，根據(jù)點位精度估算公式，可得一測回平面點點位中誤差為±0.7 mm，高程中誤差為±0.2 mm。

4.1.2 儀器設站對中誤差

工作基點均做成強制對中觀測墩[1]結構，可確保儀器設站對中誤差不超過±0.2 mm，儀器高用解析法[6]測定，量高中誤差±0.2 mm。在條件允許情況下，全站儀自由設站法也是較好的選擇。

4.1.3 鏡站置鏡誤差

棱鏡桿圓水準管氣泡精度為8′,采用鏡高為0.1 m的棱鏡測量，對點中誤差±0.3 mm，量高中誤差±0.2 mm。

4.1.4 鋼梁變形、顫動影響

鋼桁梁大懸臂拼裝受日照、溫度、風等外界環(huán)境條件的影響較大，此部分誤差量級較大且不易量化。因此，應盡量選擇鋼桁梁梁體內外溫差不大于2 ℃的時間段進行測量，以消弱溫度引起的鋼梁變形；采用多棱鏡測量，以減少鋼梁顫動引起鋼梁變位誤差；再采用多測回觀測，以消除鋼梁顫動對儀器測量精度的影響。

根據(jù)上述分析，按照誤差傳播定律，算得TS30全站儀三維坐標法測量精度為平面點位中誤差±0.9 mm，高程點位中誤差±0.4 mm，滿足要求。

5 首節(jié)間鋼桁梁拼裝測量

336 m鋼拱橋首節(jié)間鋼桁梁采用浮吊安裝。安裝前，先建立測量工作基點，具體如下：① 在墩頂上下游各建立一個強制對中測量觀測墩；② 觀測選擇在日落后4 h，觀測數(shù)據(jù)分2個晚上采集完成；③ 平面數(shù)據(jù)觀測按照四等附合導線技術要求進行，高程數(shù)據(jù)觀測采用對向EDM三角高程按照二等跨江水準要求進行；④ 觀測時用點溫計測量氣溫和墩身表面溫度(在墩頂和墩底2個斷面采集)，用于高程的溫度基準改化。

鋼桁梁拼裝測量采用TS30全站儀三維坐標法直接測出測量標示點的三維坐標，與其相應工況下的理論坐標值相比較，判斷鋼桁梁架設姿態(tài)是否符合要求(圖4)。

圖4 照準用棱鏡

6 結 語

(1)滬通長江大橋跨江主橋上部結構全部采用鋼桁梁結構，橋位鋼桁梁拼裝是其關鍵：① 通過對控制網的改造(將坐標投影面改化到橋面)，能更好適應高精度的鋼桁梁空間三維姿態(tài)測量；② 通過使用高精度基線解算軟件，順利處理了GNSS困難數(shù)據(jù)；③ 通過對高大墩身變形、全站儀三維坐標法測量精度定量分析，選擇合理觀測時間，采取正確的觀測方法；④ 通過對鋼桁梁制造廠家的精度管理，保證鋼桁梁制造精度；⑤ 通過專用棱鏡制作，確保鋼桁梁的測量定位精度。

(2)目前，滬通長江大橋鋼桁梁拼裝工程已結束，梁體軸線偏差均不大于10 mm，墩頂節(jié)段標高偏差均不大于5 mm，拱度、奇偶連線偏差等各項技術指標均滿足《高速鐵路橋涵工程施工質量驗收標準》(TB 10752-2010)要求。實踐證明，滬通長江大橋鋼桁梁拼裝測量技術合理可行。

[1] 陳光保，魏浩翰，黃騰.南京長江三橋鋼索塔施工測量技術[J].公路交通科技，2008,25(9)：73-80.

[2] 李征航，黃勁松. GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學出版社，2005.

[3] 蔣輝，趙仲榮，章書壽.蘇通大橋跨江EDM三角高程測量精度的研究[J].現(xiàn)代測繪，2004，27(6)：9-11.

[4] 葛義強，馮寶紅.GAMIT軟件在高速鐵路GPS控制網中的應用[J].現(xiàn)代測繪，2014,37(2)：25-28.

[5] 潘威.EDM三角高程測量誤差分析[J].交通標準化，2006(9):93-95.

[6] 王國棟.不量儀器高、棱鏡高的三角高程測量技術在應用中的注意事項及改進措施[J].科技傳播，2011(10)：93，88.

[7] 李浩，車國泉.大氣折光在三角高程測量中的反算及精度分析[J].貴州水力發(fā)電，2010(1)：21-22.