大跨度鋼管混凝土拱橋吊裝施工線形監(jiān)測方法研究

汪繼芳 王藝

摘要：在大跨度鋼管混凝土拱架吊裝施工過程中，對(duì)主拱軸線的控制至關(guān)重要。文章基于測量控制原理及技術(shù)要求，提出一種拱橋吊裝過程中線形監(jiān)測方法——勾股定理函數(shù)求解法，并運(yùn)用該方法計(jì)算得出各個(gè)觀測點(diǎn)的坐標(biāo)，與傳統(tǒng)的“AUTOCAD描繪法”求出的精確坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)方法相比，該方法原理清晰、操作簡單易行，結(jié)果滿足吊裝線形監(jiān)測精度要求，可為類似工程線形監(jiān)測控制提供參考。

關(guān)鍵詞：大跨度拱橋;吊裝;線形監(jiān)測;方法;可行性

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的飛速發(fā)展，高速公路已經(jīng)成為各地經(jīng)濟(jì)社會(huì)交流的主要通道。特別是近年來我國實(shí)施西部大開發(fā)的發(fā)展戰(zhàn)略，西部山區(qū)的交通也得到了快速發(fā)展，橋梁作為跨越障礙物、峽谷的重要結(jié)構(gòu)物，人們對(duì)其跨度、美觀性、環(huán)保性等方面的要求也越來越高。作為橋梁重要結(jié)構(gòu)形式之一的拱橋，因其兼具跨度大，觀賞性、經(jīng)濟(jì)性高及與環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)，在山區(qū)高速公路的建設(shè)過程中越來越受到設(shè)計(jì)工程師們的青睞。特別是在我國鋼材大力發(fā)展的基礎(chǔ)上，鋼混組合結(jié)構(gòu)因其材質(zhì)輕、工作配合性好等優(yōu)點(diǎn)在工程中已被廣泛應(yīng)用。而大跨度鋼管混凝土拱橋囊括了以上優(yōu)點(diǎn)，因而成為山區(qū)公路建設(shè)首選的跨越障礙物的結(jié)構(gòu)。但山區(qū)環(huán)境條件惡劣、拱橋造型復(fù)雜，給施工帶來較大難度，因而對(duì)于鋼管拱肋在吊裝過程中的線形控制成為其中一項(xiàng)重要的控制性技術(shù)[1]。現(xiàn)階段進(jìn)行大跨度鋼管混凝土拱橋吊裝施工時(shí)，纜索吊裝-斜拉扣定技術(shù)較為常用，其線形采用監(jiān)測每節(jié)鋼管拱標(biāo)高和拱軸線定位并借助扣索實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)整的方式來保證[2]。因此，吊裝監(jiān)測成為保證主拱按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行合龍的重要手段。

在勁性骨架吊裝施工過程中，需在拱肋節(jié)段上布設(shè)合適的監(jiān)測點(diǎn)對(duì)拱架進(jìn)行定位[3-5]。為確保每節(jié)鋼管拱吊裝定位成功，應(yīng)及時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)。本文以某鋼管混凝土拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，提出一種采用全站儀監(jiān)測各拱肋節(jié)段上的棱鏡觀測點(diǎn)的方法，并通過實(shí)際施工驗(yàn)證其可行性。

1 工程概況

某大跨度鋼管混凝土拱橋是敘古高速公路的關(guān)鍵性控制工程。該橋起于ZK15+838.00，止于ZK16+661.00，全長823m?？鐝浇M合為：引橋（11×28）m[JP+1]的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁+主橋280m（凈跨徑266m）的鋼管混凝土拱橋+引橋（8×28）m預(yù)應(yīng)力預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。主橋上部結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土勁性骨架上承式箱型拱橋，主拱為等截面懸鏈線無腳拱，拱軸系數(shù)m=2.2，凈跨徑266m，凈矢跨比F0/L0=1/3.7。拱圈分左、右兩拱肋，兩肋間以橫聯(lián)連接，每肋為單箱雙室截面，橫向采用外形等寬7.6m，縱向采用外形等高4.4m，標(biāo)準(zhǔn)段頂、底板厚0.35m，腹板厚0.3m。拱圈拱腳至第一根立柱間為變厚段，頂板、底板混凝土厚度由0.65m線性變化至0.35m，邊腹板厚度由0.5m線性變化至0.3m。主橋立面圖見圖1。

2 一種新的線形監(jiān)測方法

2.1 傳統(tǒng)的計(jì)算方法

采用傳統(tǒng)的“AutoCAD描繪法”確定棱鏡觀測點(diǎn)精確位置坐標(biāo)的計(jì)算方法的原理是：根據(jù)考慮預(yù)拱度的設(shè)計(jì)坐標(biāo)值（10年收縮徐變+1/2移動(dòng)荷載）及產(chǎn)生的變形總量的主拱肋制造線形的各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，利用AutoCAD軟件做出通過各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的樣條曲線，再根據(jù)上弦桿中心距鋼管上表面的距離做出上弦拱圈表面的曲線，然后根據(jù)該曲線利用AutoCAD軟件的捕捉功能，捕捉曲線上目標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于上弦拱圈表面曲線處的切點(diǎn)，該切點(diǎn)即為棱鏡坐標(biāo)觀測點(diǎn)與上弦桿表面垂直焊接點(diǎn)位置。最后做目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與切點(diǎn)的線段，并由切點(diǎn)向上延伸棱鏡觀測點(diǎn)距鋼管表面的距離，則可得到棱鏡觀測點(diǎn)的精確坐標(biāo)。對(duì)每個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)重復(fù)采用上述方法，得到其他目標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的棱鏡觀測點(diǎn)精確坐標(biāo)。傳統(tǒng)的“AutoCAD描繪法”雖能得出棱鏡觀測點(diǎn)的精確位置坐標(biāo)，但操作繁瑣，需對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)描繪出其樣條曲線，效率低下，且在進(jìn)行捕捉時(shí)容易出現(xiàn)捕捉到錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)的操作，造成誤差。

2.2 新的線形監(jiān)測方法——勾股定理函數(shù)求解法

因傳統(tǒng)的“AutoCAD描繪法”求解方法較為復(fù)雜，為便于計(jì)算，本文在基于拱肋相鄰兩節(jié)點(diǎn)之連線與目標(biāo)控制節(jié)點(diǎn)和棱鏡控制點(diǎn)之連線相互垂直的前提下，提出一種新的確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)近似坐標(biāo)的方法——勾股定理函數(shù)求解法。該方法是在已知兩節(jié)點(diǎn)中心坐標(biāo)值的情況下，利用事先測量出的棱鏡控制點(diǎn)中央位置與其所在節(jié)點(diǎn)上弦桿中心位置之間的距離，可由直角三角形各邊之間的勾股函數(shù)關(guān)系，運(yùn)用Excel軟件計(jì)算功能可得到各個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的棱鏡中央位置坐標(biāo)。

以如圖2所示的35節(jié)點(diǎn)、36節(jié)點(diǎn)（35為相鄰節(jié)點(diǎn)，36為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)）為例介紹該線形監(jiān)測方法的棱鏡位置及棱鏡精確位置（為方便展示，將上弦桿拱圈表面的曲線各位置處的曲率都已放大）。

由此可見，利用目標(biāo)控制點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)弦桿圓心的垂直距離，并在已知相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)所在弦桿圓心坐標(biāo)的情況下，可根據(jù)勾股定理函數(shù)關(guān)系，求出控制測點(diǎn)棱鏡中央坐標(biāo)，并利用該坐標(biāo)值對(duì)拱肋線形進(jìn)行調(diào)整。利用以上函數(shù)關(guān)系，可通過Excel相關(guān)函數(shù)功能得到每個(gè)棱鏡控制測點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y）。勾股定理函數(shù)求解法相對(duì)于傳統(tǒng)的“AutoCAD描繪法”原理清晰，計(jì)算過程操作簡單，大大提高了計(jì)算效率。

3 工程實(shí)例

3.1 觀測點(diǎn)的布置

在對(duì)本工程勁性骨架吊裝施工過程中實(shí)施拱肋監(jiān)測控制時(shí)，均需于每個(gè)拱肋節(jié)段前端布設(shè)線形控制測點(diǎn)。布設(shè)控制監(jiān)測點(diǎn)的原則是：吊裝拱肋上單個(gè)節(jié)段前沿布設(shè)3個(gè)控制測點(diǎn)，每個(gè)棱鏡六角中心點(diǎn)與上弦拱圈表面垂直距離為14cm，并在每節(jié)段上弦桿聯(lián)結(jié)中心位置布設(shè)1個(gè)坐標(biāo)觀測點(diǎn)。1/2跨徑節(jié)段鋼管拱肋棱鏡測點(diǎn)布置見圖4，截面棱鏡測點(diǎn)布置大樣圖見圖5。采用焊接的方式將坐標(biāo)觀測點(diǎn)與弦桿表面固定，并采取措施保證兩者垂直。在預(yù)制場地制作鋼管拱肋的同時(shí)，根據(jù)監(jiān)測要求在相應(yīng)部位焊接安裝棱鏡作為線形控制測點(diǎn)，并采取安全措施進(jìn)行保護(hù)，確保拱肋吊裝監(jiān)測時(shí)測點(diǎn)位置的有效性和準(zhǔn)確性。吊裝時(shí)，首先要保證棱鏡測點(diǎn)與上弦桿表面垂直并牢固連接，確保兩者間距始終不變。此時(shí)，采取調(diào)整棱鏡控制點(diǎn)坐標(biāo)值的方式達(dá)到控制鋼管勁性骨架拱軸線線形的目的。

3.2 觀測結(jié)果分析

根據(jù)該橋相關(guān)設(shè)計(jì)文件，上弦桿中心與鋼管上表面之間的垂直距離為0.200m，棱鏡中心點(diǎn)距上弦拱圈表面點(diǎn)垂直距離為0.139m，由此可知棱鏡位置與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)上弦桿中心垂直距離為h=0.339m。通過該大跨度鋼管混凝土拱橋各節(jié)點(diǎn)的施工立模坐標(biāo)，利用式（4）可得到利用勾股定理函數(shù)求解法計(jì)算出的棱鏡觀測點(diǎn)近似坐標(biāo)，并與采用傳統(tǒng)的“AutoCAD描繪法”逐個(gè)求出的棱鏡觀測點(diǎn)精確坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。

由表1可知，利用勾股定理函數(shù)求解法計(jì)算出的棱鏡觀測點(diǎn)近似坐標(biāo)與傳統(tǒng)的“AutoCAD描繪法”逐個(gè)求出的棱鏡觀測點(diǎn)，精確坐標(biāo)之間的誤差最大為0.002m，數(shù)據(jù)精度滿足吊裝線形監(jiān)測精度要求。因此，該新方法求出的棱鏡觀測點(diǎn)坐標(biāo)可作為本工程橋梁吊裝線形監(jiān)測的參考坐標(biāo)。

4 結(jié)語

本文介紹了一種大跨度拱橋吊裝過程中新的線形監(jiān)測方法——勾股定理函數(shù)求解法，并通過工程實(shí)例，分析了新方法的計(jì)算坐標(biāo)值與傳統(tǒng)的“AutoCAD描繪法”逐個(gè)計(jì)算的監(jiān)測點(diǎn)的精確坐標(biāo)的誤差。由以上對(duì)比分析，可得出如下結(jié)論：

（1）通過勾股定理函數(shù)求解法計(jì)算得到的坐標(biāo)值可滿足吊裝線形監(jiān)測過程中的精度要求，且方法原理清晰，計(jì)算簡單，實(shí)施方便。

（2）由式（4）可知，當(dāng)拱軸系數(shù)越大時(shí)，拱軸線曲率越小，采用勾股定理函數(shù)求解法計(jì)算得到的棱鏡坐標(biāo)值越接近精確值，方法精度越高。

參考文獻(xiàn)：

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