拱梁組合體系橋梁拱肋安裝線形測量控制方法分析

王渝，呂會龍，李前云

（中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610052）

0 引言

拱肋安裝是拱梁組合體系橋梁的重要施工節(jié)點之一[1]，拱肋要按設(shè)計值準(zhǔn)確合龍，需要第三方監(jiān)控單位對施工單位安裝精度進(jìn)行復(fù)核。本文總結(jié)了威海市石家河公園大橋主橋測量監(jiān)控單位在拱肋安裝過程中的一些方便、快速、準(zhǔn)確的測量方法，可為今后拱梁組合體系橋梁拱肋安裝時的線形監(jiān)控提供參考。

1 工程概況

威海市石家河公園大橋是一座大型景觀橋，位于威海市泊于鎮(zhèn)石家河入?？谏嫌渭s1.8km處，道路等級為城市主干路，雙向六車道，橋梁全長921m，其中主橋長250m，道路寬39m。主橋為拱梁組合體系橋梁，主梁結(jié)構(gòu)采用5跨變高度連續(xù)箱梁，拱肋結(jié)構(gòu)采用六邊形鋼箱結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，主梁結(jié)構(gòu)為（35+40+100+40+35）m五跨直腹板變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，采用滿堂支架法澆筑施工。拱肋分為中拱和副拱，均為六邊形鋼箱結(jié)構(gòu)，兩側(cè)邊拱外傾成34.96°的V字形，兩側(cè)邊拱在橫橋向左右對稱。中拱和副拱之間通過剛性連桿進(jìn)行連接，在中拱拱腳附近設(shè)置剛性豎桿和混凝土主梁連接。拱肋安裝完畢后最終效果如圖2所示。

圖1 總體布置圖

圖2 大橋設(shè)計效果圖

拱圈采用滿堂支架施工，消除支架非彈性變形后，經(jīng)過現(xiàn)場支架預(yù)壓試驗，支架彈性變形考慮為15mm。現(xiàn)場拱圈線形數(shù)據(jù)采用設(shè)計線形+設(shè)計預(yù)拱度+支架彈性變形疊加考慮，設(shè)計線形+設(shè)計預(yù)拱度由鋼結(jié)構(gòu)制造廠家在加工制作階段設(shè)置，現(xiàn)場根據(jù)其試驗彈性變形數(shù)據(jù)對支架搭設(shè)標(biāo)高進(jìn)行控制。

2 前期準(zhǔn)備階段

2.1 控制點復(fù)核工作

首級測量控制網(wǎng)是保證拱肋順利拼接的必要條件，是判斷拱肋安裝合格與否的基準(zhǔn)，然而橋梁的施工周期跨度大，控制網(wǎng)不可避免地受到施工、自然環(huán)境的影響，需要對首級測量控制網(wǎng)的穩(wěn)定性定期復(fù)核。控制網(wǎng)復(fù)核的常用方法為整體穩(wěn)定性分析法、單點穩(wěn)定性分析法、趨勢性分析方法，考慮到施工對控制點的影響，大部分控制點都布設(shè)在不受施工影響或受施工影響較小的區(qū)域，在日常線形監(jiān)控過程中，使用頻率較高的點由于受施工的影響，可能會發(fā)生位移，而控制網(wǎng)整體往往一年才能復(fù)測一次，因此，需對常用的控制點采用單點穩(wěn)定性分析法進(jìn)行經(jīng)常性檢測，具體的分析方法參照文獻(xiàn)[2]。

2.2 建立橋軸坐標(biāo)系

在架設(shè)拱肋時，采用吊車進(jìn)行吊裝，為便于指揮吊車的挪動方向，將拱肋軸線與控制點由威海地方坐標(biāo)系的“（x，y）”換算成以里程樁號增大方向為縱軸、橫向偏距為橫軸的橋軸坐標(biāo)系（K，U），三維空間上保持高程Z軸位置不變。建立橋軸坐標(biāo)系的具體步驟如下：（1）將威海地方坐標(biāo)系下的橋梁拱肋各特征軸線與控制點均展繪于同一個CAD文件中；（2）以橋梁的中心為零點，過零點分別作平行于橋梁縱軸和橫軸的直線，平行于縱軸線的直線為K軸，平行于橫軸線的為U軸；（3）將U軸旋轉(zhuǎn)至水平方向上；（4）為了U軸方向上的橫坐標(biāo)刻度與里程一致，將K軸移至主橋里程K8+282起始處，并利用CAD的“UCS”命令，定義U軸與K軸交點的坐標(biāo)為（0.000，8282.000），U軸的河流下游、K軸大里程方向為正（這里需要注意的是，橋梁的起始里程處在伸縮縫的前端）；（5）在橋梁坐標(biāo)系下，依次量取各控制點坐標(biāo)，得到各控制點在橋梁坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。橋軸坐標(biāo)系的最終表現(xiàn)形式如圖3所示。

圖3 橋軸坐標(biāo)系

轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系后，在監(jiān)控的拱肋安裝過程中線形結(jié)果直觀，可以迅速得出線形監(jiān)控結(jié)果，供現(xiàn)場指揮人員決策，不影響其他工種的連續(xù)作業(yè)，大大提高了工作效率。

2.3 有限元模型的建立

整體模型采用橋梁專業(yè)領(lǐng)域三維有限元分析軟件MidasCivil建立，采用梁單元及只受拉桁架單元模擬主梁、拱肋、人行道結(jié)構(gòu)及吊索結(jié)構(gòu)。按照實際施工順序全過程進(jìn)行模擬，考慮施工過程中各種工況對整體結(jié)構(gòu)的影響，于施工前與設(shè)計方進(jìn)行溝通核對，以最終施工結(jié)果達(dá)到設(shè)計要求為目標(biāo)?；诖四Ｐ?，為現(xiàn)場監(jiān)控工作提供設(shè)計過程數(shù)據(jù)，最終滿足各項設(shè)計要求。有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型拱肋某施工階段過程結(jié)果

2.4 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

拱肋線形監(jiān)測主要包括拱肋的特定位置的平面與豎向高程兩部分，橫向偏位與豎向位置的位置與設(shè)計值的比較，均通過高精度全站儀測量拱肋特定位置坐標(biāo)來計算，單個斷面監(jiān)控位置見圖5。

圖5 拱肋監(jiān)控位置

拱肋豎向位置的獲取：（1）將監(jiān)控的拱肋軸線轉(zhuǎn)換成CAD格式文件，將標(biāo)高基準(zhǔn)線和拱肋軸線作前視投影；（2）將拱肋軸線的中心對稱軸以3m為間距，分別向兩邊作平行線；（3）標(biāo)高基準(zhǔn)線與拱肋軸線之間的平行線距離，即為拱肋軸線對應(yīng)里程的設(shè)計標(biāo)高，如圖6所示。

圖6 拱肋高程監(jiān)控數(shù)據(jù)的獲取示意圖

拱肋平面位置的獲?。海?）將Midas Civil生成的拱肋軸線在CAD中作水平投影；（2）將拱肋的豎向?qū)ΨQ軸以3m為間距，向大里程與小里程方向作平行線；（3）拱肋軸線與對稱軸平行線之間的交點，即為拱肋軸線監(jiān)控時所在里程的平面坐標(biāo)，如圖7所示。

圖7 拱肋平面監(jiān)控數(shù)據(jù)的獲取示意圖

將所獲取的坐標(biāo)數(shù)據(jù)、坐標(biāo)點號與拱肋拱線打印成圖，便于在后續(xù)現(xiàn)場測量工作中快速地比對坐標(biāo)。將所有的坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入全站儀，在監(jiān)控現(xiàn)場減少輸入坐標(biāo)的時間，避免輸錯坐標(biāo)。

2.5 設(shè)備誤差修正

測量儀器除了要定期檢定外，在現(xiàn)場測量前還應(yīng)測定架設(shè)位置的氣象元素，根據(jù)氣象元素測量結(jié)果，及時修改儀器中的溫度與氣壓參數(shù)[3]。檢查全站儀視準(zhǔn)軸、橫軸、豎軸的指標(biāo)是否滿足橋梁線形監(jiān)控的要求。儀器在使用時，注重防潮、防暴曬。在橋梁的同一部位監(jiān)控過程中，盡量做到觀測人員、儀器與控制點固定。

3 拱肋安裝階段

臨時支架（中拱支架見圖8、邊拱支架見圖9）采用鋼管與型鋼組成的格構(gòu)式組合支架，支架直接支撐在主梁橋面上，在每個拱肋節(jié)段接口處設(shè)置一組支架。

圖8 中拱支架立面圖

圖9 邊拱支架立面圖

中拱拱肋縱向劃分成13段，最長節(jié)段17.49m，最短節(jié)段為合龍段，長7m，中拱拱肋設(shè)置12組臨時支架。中拱縱向劃分如圖10所示。

圖10 中拱拱肋分段劃分圖

邊拱拱肋縱向劃分成9段，最長節(jié)段16.432m，最短節(jié)段為合龍段，長10.248m，單側(cè)邊拱拱肋設(shè)置8組臨時支架。邊拱縱向劃分如圖11所示。

圖11 邊拱拱肋分段劃分圖

拱肋的安裝一共分為五步：第一步，安裝邊拱拱腳節(jié)段；第二步，安裝中拱拱腳節(jié)段；第三步，待主梁施工完成后，從拱腳向拱頂依次安裝中拱節(jié)段，拱頂節(jié)段設(shè)置為合龍段；第四步，中拱安裝完成后，從拱腳向拱頂依次對稱安裝兩側(cè)邊拱節(jié)段，安裝邊拱節(jié)段的同時，安裝拱件的橫向連桿構(gòu)件，拱頂節(jié)段設(shè)置為合龍段；第五步，從拱腳向拱頂依次安裝豎桿。

3.1 監(jiān)控方法

拱肋線形監(jiān)測分為兩個階段：在拱肋吊裝階段，每個吊裝節(jié)段接頭處布置臨時測點，進(jìn)行吊裝過程的線形控制監(jiān)測；拱肋合龍后，在拱肋關(guān)鍵控制截面（L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8和拱腳）設(shè)置長期觀測點[4]，對拱肋進(jìn)行線形監(jiān)測，在通視良好的部位設(shè)立測量標(biāo)志。

拱肋安裝過程及后續(xù)施工階段，三維坐標(biāo)均使用俫卡TS09全站儀反復(fù)測量其豎向高程與橫向偏位，確保與前一節(jié)段焊接成整體前拱肋的實際位置與設(shè)計值之差滿足限差要求。同時，在后續(xù)施工階段中，需要通過監(jiān)控特定位置的坐標(biāo)變化，反映拱肋的受力變化。

為方便測量，減少架設(shè)觀測后視點環(huán)節(jié)，可將加密控制點引測至兩端引橋的位置，全站儀定向時，采用后方交會的方法，可避免將儀器擺在控制點上，增大架站位置的靈活性。線形監(jiān)控時，采用極坐標(biāo)的放樣方法，先將鏡頭旋轉(zhuǎn)到監(jiān)控點的同一方向，然后將鏡頭瞄準(zhǔn)所監(jiān)控的拱肋軸線，由于拱肋在安裝時涂裝顏色為白色，不易分辨出拱軸線的位置，可以在吊裝前，將拱肋軸線上需要監(jiān)控的位置用紅色油漆標(biāo)出來。由于安裝拱肋時受作業(yè)面的限制，在現(xiàn)場監(jiān)控時，觀測的仰角都比較大，可采用彎管目鏡法來解決。

3.2 限差要求

施工過程中嚴(yán)格控制拱肋軸線線形，拱肋安裝時，采用兩個吊車分別吊住拱肋兩端的吊耳，使用全站儀精確測量端口截面的坐標(biāo)，通過與設(shè)計坐標(biāo)里程比對，調(diào)整拱肋的縱、橫向偏位，石家河公園大橋在拱肋安裝時的精度指標(biāo)主要參考文獻(xiàn)[5]。

（1）拱肋節(jié)段吊裝前，要檢查臨時支架偏移情況（吊車負(fù)重大），在吊裝時，也要隨時觀測臨時支架偏移情況，保持支架垂直度，允許偏差為±3 cm（垂直度的變化通過測量事先貼在支架上的反光片坐標(biāo)來反映）。

（2）吊裝拱肋時，監(jiān)控單位要在拱肋初定位完成后，及時提供監(jiān)控點的三維坐標(biāo)，若發(fā)現(xiàn)拱肋線形超限，應(yīng)立即通過施工單位觀測拱肋其它測點的坐標(biāo)，計算調(diào)整量。后續(xù)拱肋吊裝要待前期已架好的拱肋段安裝完畢后進(jìn)行。

3.3 觀測時間節(jié)點

在拱肋吊裝過程中，對每個吊裝節(jié)段接頭處布置的臨時測點進(jìn)行實時測量，校正拱肋平面位置和豎向標(biāo)高，確保拱肋位置安裝準(zhǔn)確。對于拱肋關(guān)鍵控制截面的測點，則需要在以下工況時進(jìn)行測量：（1）拱肋吊裝完成前后；（2）拱肋合攏前后；（3）釋放吊索后（防止吊車動力不足而導(dǎo)致拱肋下滑）；（4）灌注拱腳鋼箱內(nèi)及所在主梁節(jié)段混凝土后；（5）安裝橫向連桿、豎吊桿后；（6）橋面系施工完成后。

3.4 胎架及拱腳安裝測量

由于拱肋拱腳需要預(yù)埋在混凝土中，因此，拱腳所在節(jié)段安裝位置的準(zhǔn)確度直接影響到后續(xù)施工階段拱肋安裝的精度。此階段需要把觀測控制點設(shè)置到拱腳周邊，但由于安裝拱腳節(jié)段時，對應(yīng)主梁部分尚未澆筑混凝土，此時架設(shè)儀器最理想的位置是在能看清棱鏡中心且觀測仰角不大的橋臺上。胎架的功能主要是控制拱腳中心對稱軸延長線與主梁中心軸線的仰角相重合。在橫向底座的中點位置用記號筆標(biāo)出胎架1與胎架2順橋向中心對稱軸。在胎架的安放位置前后，放樣出橋梁的中心軸線，隨后將兩個胎架的位置在底模上放樣出來，這樣就可以快速地將胎架安放在正確位置。

吊裝前，在胎架平臺上把拱軸線位置清晰畫出，并在拱肋立棱鏡的位置上做好記號（一般選擇拱肋下邊緣的中心點，作記號的點事先通過有限元模型獲取其三維坐標(biāo)），如圖12所示。在平臺上設(shè)置半弧形的拱肋鋼板底托，用全站儀測量其平面和標(biāo)高。拱肋安裝時，利用人工立鏡的形式進(jìn)行觀測，在立棱鏡時，盡量把棱鏡頭調(diào)節(jié)至最低桿高位置，以最大限度保證測量坐標(biāo)與拱肋實際位置匹配。在安裝鋼箱拱肋時，確定調(diào)整好拱肋的平面位置后，固定吊車臂，使其不再左右擺動，再通過伸縮吊索調(diào)節(jié)其高程。得出測點坐標(biāo)（K、U、Z），通過與設(shè)計值比較，進(jìn)行精確調(diào)整。當(dāng)節(jié)段測點坐標(biāo)與設(shè)計值一致時，快速將其固定在胎架上。

圖12 立棱鏡位置的標(biāo)記

每段拱肋的安裝步驟為：起吊-移位-就位-定位。逐段進(jìn)行吊裝，及時安裝橫向連桿，保證整體穩(wěn)定，逐段焊接，直至合龍段安裝。

3.5 拱頂合龍段吊裝定位

（1）合龍前的準(zhǔn)備工作。①分析已完成的節(jié)段主、副拱肋軸線的平面、高程數(shù)據(jù)與設(shè)計值，并進(jìn)行比較，如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計值超過了規(guī)范限差值，首先要會同施工方確認(rèn)是否真的超限，一旦核實，在合龍前必須再次調(diào)整拱肋線形，確保實際線形與設(shè)計線形滿足限差要求；②由于拱肋材料為鋼鐵，受氣溫及太陽照射的影響，會熱脹冷縮，所以，需要對拱肋合龍口的三維坐標(biāo)進(jìn)行48h連續(xù)測量，并在夜間大氣環(huán)境穩(wěn)定時，安排兩次線形通測，其目的是通過測量數(shù)據(jù)，分析拱肋在不同溫度影響下的伸縮變化基本規(guī)律，為拱肋合龍時數(shù)據(jù)的調(diào)整提供參考；③通過1次/2h的溫度測量頻次，確定白天的最低溫度，為現(xiàn)場指揮吊裝人員找出合龍的最佳時間提供參考；④加強兩側(cè)拱腳變形測量。

（2）合龍段定位。合龍段定位主要是控制拱肋中心的里程、高程以及中軸線，合龍段準(zhǔn)確就位后，要測量合龍段中心位置的三維坐標(biāo)，確保拱頂?shù)墓袄唛g距離、對稱位置標(biāo)高等技術(shù)參數(shù)滿足設(shè)計要求。拱肋拼裝完成后的效果見圖13。

圖13 拱肋拼裝完成后效果

拱肋安裝前后，各個施工階段的測量數(shù)據(jù)要實時記錄，按時間的先后順序依次做好歸檔，方便查找。

3.6 線形調(diào)整

由于采用吊裝法進(jìn)行拱肋安裝，所以主要先通過拱肋節(jié)段對接端縱橫向錯牙、調(diào)整未對接端平面位置和標(biāo)高兩種方式調(diào)整拱肋線形。其中，未對接端平面位置和標(biāo)高主要通過控制未對接端纜繩來實現(xiàn)?，F(xiàn)場的調(diào)整操作見圖14，調(diào)整過程如圖15所示。

圖14 吊裝法拱肋精確調(diào)整現(xiàn)場操作

圖15 吊裝法拱肋精確調(diào)整現(xiàn)場操作

4 結(jié)語

威海市石家河公園大橋在空間上線形非常復(fù)雜，在拱肋安裝時，通過建立橋軸坐標(biāo)系，及時反饋了水平偏位與豎向標(biāo)高的位置情況。有限元模型的建立，為拱肋在各個施工階段的線形數(shù)據(jù)提供了有力支撐，對拱肋拱軸線作俯視與前視投影，準(zhǔn)確獲取了各個位置的三維坐標(biāo)，使大橋得以順利合龍。在整個拱肋線形監(jiān)控工作中，拱腳安裝的準(zhǔn)確度是后期拱肋順利合龍的關(guān)鍵，對安裝前的安裝數(shù)據(jù)驗算、儀器性能檢查、現(xiàn)場氣象參數(shù)測定等準(zhǔn)備工作非常重要。雖然在實際工作中，由于每座橋有其自身的特點，以及現(xiàn)場環(huán)境具有差異，測量方法會有所差別，但測量工作的大體思路，如橋軸坐標(biāo)系的建立、線形監(jiān)控數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備、線形調(diào)整等工作思路都是一致的，本文提供的監(jiān)控方法可為同類工程提供參考。