鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工中溫度及變形監(jiān)控方法

孔屹松 王凱 朱其操

摘要：文章以烏蘭木倫河三號橋測量機(jī)器人的使用為例，介紹了鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工中溫度及變形監(jiān)控的方法，主要包括控制點選點、臨時墩制作、測量機(jī)器人使用、周期測量、變形數(shù)據(jù)分析等，并通過測量機(jī)器人的使用，重點對鋼結(jié)構(gòu)溫度及變形進(jìn)行監(jiān)測，為施工現(xiàn)場提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)橋梁;測量機(jī)器人;變形監(jiān)控;溫度監(jiān)控

中圖分類號：U441⁺5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.008

文章編號：1673-4874（2021）01-0028-04

0引言

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工中難免由于溫差導(dǎo)致鋼板結(jié)構(gòu)熱脹冷縮變形，給施工帶來不便[1-2]。為了加快施工進(jìn)度，保證工程質(zhì)量，不僅需要保證施工體系的安全有效，還需要尋找出鋼板受溫度熱脹冷縮影響的變化量，為施工提供指導(dǎo)[3-4]。為此引入了測量機(jī)器人應(yīng)用于橋梁施工的監(jiān)控中。

徠卡TS60全站儀（測量機(jī)器人）是一種能夠代替人工進(jìn)行自動搜索、跟蹤、辨識和精準(zhǔn)照準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度、距離、三維坐標(biāo)以及影像等信息的智能型全自動電子全站儀。它是在普通全站儀的基礎(chǔ)上集成馬達(dá)、CCD影像傳感器構(gòu)成的視頻成像系統(tǒng)，并配置智能化控制及應(yīng)用軟件發(fā)展而形成的。測量機(jī)器人的自動化測量，能夠相對減少人員配備，提高經(jīng)濟(jì)效益，減少人為誤差，提高測量精度以及數(shù)據(jù)的可靠性，可以設(shè)置測量周期，為分析數(shù)據(jù)提供可靠依據(jù)[5-7]。

1工程概況

烏蘭木倫河3號橋是國內(nèi)首座雙飛翼城市景觀特大橋梁，跨徑布置為（5+74+200+64+5）m，屬中承式復(fù)式鋼箱拱橋。鋼箱梁跨度為348m，橋面為1.68%的單向縱坡段，1.5%的雙向橫坡，高度為3.5m，變截面寬度為42～65m。主拱結(jié)構(gòu)為飛翼式鋼箱拱，向道路中心線外傾17。，跨度為200m，截面高為3m，寬為4m，采用曲形曲做，面內(nèi)矢高為75m。副拱結(jié)構(gòu)為內(nèi)傾式鋼箱拱，向道路中心線內(nèi)傾45°，兩側(cè)副拱跨度分別為326m、330m，標(biāo)準(zhǔn)段尺寸高寬均為2.0m，變截面段尺寸高2.0～3.0m，寬2.0～3.0m，面內(nèi)矢高為35m。

鄂爾多斯市烏蘭木倫河3號橋主副拱及鋼箱梁全部采用鋼結(jié)構(gòu)制造，并采取支架法進(jìn)行安裝。由于當(dāng)?shù)販夭畲?，鋼結(jié)構(gòu)數(shù)量龐大，通過普通方法測量鋼板變形存在誤差大，測量周期不定，也不能完全達(dá)到要求，故測量機(jī)器人在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的運用成為不可或缺的一部分。

2控制點選點

在本橋南北岸、上下游共布設(shè)5個控制點，分別為G1、G2、G3、G4、G5（見圖1）?？刂泣c選點需滿足以下需求：

（1）相鄰導(dǎo)線點通視;

（2）選點地質(zhì)堅硬，穩(wěn)定;

（3）地勢高便于加密控制點及施工測量放樣。

3控制墩制作

測量機(jī)器人屬于高精度儀器，不可使用三腳架直接擺放儀器進(jìn)行測量，需使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)制作控制墩，保證測量機(jī)器人的穩(wěn)定性。控制墩需按照測量一級控制點布設(shè)的原則，視野開闊，地勢較高，便于觀測。墩頂預(yù)埋強制對中盤，確保每次儀器架設(shè)在同一個坐標(biāo)不變。

4監(jiān)測棱鏡布設(shè)

在鋼管支架頂部布設(shè)棱鏡，24h監(jiān)測變形情況，直至拱肋吊裝前。若支架無明顯變形，可進(jìn)行拱肋吊裝作業(yè);若支架變形量超過設(shè)計規(guī)范允許范圍，則需要重新加工支架，直至變形量符合設(shè)計規(guī)范要求方可進(jìn)行吊裝。

在外界條件相同的情況下，根據(jù)鋼箱梁及拱肋的節(jié)段、高度和特殊位置需布設(shè)小棱鏡。每節(jié)鋼箱梁及拱肋兩端、拱頂、拱肋錨管附近等位置也需布設(shè)，拱肋吊裝定位完成后需24h進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測拱肋的變形量。

5記憶學(xué)習(xí)

測量機(jī)器人架設(shè)在觀測墩上，并在觀測墩頂面安裝強制對中盤，調(diào)平后，儀器穩(wěn)固不易動，后視棱鏡也穩(wěn)固地架設(shè)在另一個觀測墩上。儀器與電腦使用電纜線連接，通過電腦軟件進(jìn)行四步定向后，便可進(jìn)行自動化監(jiān)測。

機(jī)器人測量之前需要進(jìn)行第一輪手動觀測，使機(jī)器人記憶棱鏡位置，后設(shè)置觀測周期，每次觀測找到指定位置后再進(jìn)行掃描觀測，節(jié)省測量時間，明確測量目標(biāo)。

6周期測量

當(dāng)觀測時間較短時，機(jī)器人可以設(shè)置不間斷觀測，從而得出完整數(shù)據(jù)，分析目標(biāo)實時變化情況;當(dāng)觀測時間較長時，采取不間斷觀測導(dǎo)致數(shù)據(jù)過多，使得數(shù)據(jù)處理不便，占用內(nèi)存空間過大，故根據(jù)現(xiàn)場實際情況以及觀測時間長短設(shè)置觀測周期，一般不宜超過3h/次。

7數(shù)據(jù)分析

測量機(jī)器人觀測配套軟件可生成觀測目標(biāo)三向位移變量，可以直觀地看出目標(biāo)點的變形，同樣可以導(dǎo)出數(shù)據(jù)，結(jié)合觀測的環(huán)境溫度、鋼板溫度等對其變形進(jìn)行分析。分析數(shù)據(jù)過程時需考慮環(huán)境溫度、鋼板溫度、箱梁荷載、現(xiàn)場吊裝等對其的影響，綜合判斷，及時給出預(yù)偏值，從而更加精確地控制吊裝精度。

7.1溫度測量

測量環(huán)境溫度以及鋼板溫度，分析鋼板溫度隨環(huán)境溫度變化規(guī)律（排除光照及其他因素的影響），通過鋼板溫度分析拱肋變形位移，從而得出最佳調(diào)節(jié)拱肋軸線以及標(biāo)高的時間和拱肋合龍時間（見表1）。

以右幅主拱S1節(jié)段鋼箱拱為例，通過對同一時間段的右幅主拱S1節(jié)段鋼箱拱順橋向變形以及鋼結(jié)構(gòu)表面溫度變量分析，將監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS統(tǒng)計分析軟件，如圖2所示，通過散點圖可知，其關(guān)系成線性關(guān)系，通過線性擬合，得到結(jié)果：

Y=0.57X-9.333（1）

式中：Y——鋼箱拱順橋變形，mm;

X——鋼結(jié)構(gòu)表面溫度，℃。

對分析結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，代入右幅主拱S1節(jié)段所有監(jiān)測數(shù)據(jù)，最大誤差為3.57mm，最小誤差為0.01mm，平均誤差為1.077mm。利用此方法，可得出鋼箱拱節(jié)段變形量與鋼結(jié)構(gòu)表面溫度的線性關(guān)系。

7.2變形測量

由拱肋各個節(jié)段受溫度影響變化數(shù)據(jù)分析可知：

（1）鋼結(jié)構(gòu)表面溫度隨環(huán)境溫度變化而變化，鋼結(jié)構(gòu)表面溫度白天最高可達(dá)63℃，拱肋變形量也達(dá)到最大值。

（2）當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)溫度恢復(fù)到常溫時，拱肋的變化量又恢復(fù)到初始值，下午5：00至次日早上6：00幾乎無變形，為最佳合龍時間段。

（3）右幅主拱S1節(jié)段吊裝完成后連續(xù)6d監(jiān)測點隨溫度變化歷程曲線見圖3。主拱S1節(jié)段是拱腳節(jié)段，順橋方向、橫橋方向、豎直方向的變化量基本上不變，受溫度影響很小。

（4）右幅主拱S13節(jié)段吊裝完成后連續(xù)6d監(jiān)測點隨溫度變化歷程曲線見圖4。受溫度影響，拱肋S13節(jié)段是拱頂節(jié)段，其變化量最大，橫橋方向最大變化量為4cm，順橋方向最大變化量為2cm，豎直方向變化量基本不變，拱肋變形受支架變形影響很小，可忽略不計。

（5）拱肋順橋向變化量有在5mm內(nèi)的非彈性變形，超過矩陣支架變化量也有在8mm內(nèi)的非彈性變形。

根據(jù)SPSS統(tǒng)計分析軟件線性關(guān)系式，計算出在不同環(huán)境溫度和鋼結(jié)構(gòu)表面溫度下的拱肋變形量，根據(jù)計算得到拱肋吊裝的預(yù)偏值，從而更加精確地控制吊裝精度。

8結(jié)語

本文以烏蘭木倫河3號橋測量機(jī)器人的使用為例，詳細(xì)介紹了鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工中溫度監(jiān)控的方法，包括控制點選點、測量控制墩制作、棱鏡布置、儀器設(shè)置、記憶學(xué)習(xí)、環(huán)境、鋼板溫度測量、周期測量以及分析變形數(shù)據(jù)等。

對環(huán)境溫度、鋼結(jié)構(gòu)表面溫度與拱肋變形位移量進(jìn)行分析，使用SPSS統(tǒng)計分析軟件，計算歸納總結(jié)溫度與拱肋變形位移量的線性關(guān)系，可為拱肋在不同溫度下吊裝和拱肋合龍?zhí)峁┮罁?jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]胡忠日，劉朝，黎明.鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件熱響應(yīng)的研究現(xiàn)狀[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2006（6）：739-743.

[2]趙中偉，陳志華，王小盾，等.大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)及合攏溫度研究[J].空間結(jié)構(gòu)，2015（2）：40-45.

[3]胡毅連續(xù)鋼構(gòu)橋梁施工與溫度應(yīng)力探討[J].建材與裝飾，2019（7）：229-230.

[4]毛峻燁.鋼-STC輕型組合結(jié)構(gòu)橋面施工技術(shù)及工藝的研發(fā)與應(yīng)用[J].公路，2017，62（8）：147-150.

[5]陳彥江，王力波，李勇.鋼-混凝土組合梁橋溫度場及溫度效應(yīng)研究[J].公路交通科技，2014，31（11）：85-91.

[6]梅文勝，張正祿.測量機(jī)器人控制網(wǎng)觀測與數(shù)據(jù)處理自動化研究[J].測繪地理信息，2003，28（5）：37-38.

[7]胡佳寧.徠卡MS60測量機(jī)器人在橋梁BIM施工中的應(yīng)用[J].測繪通報，2017（12）：142-143.