裝配式高架橋立柱自適應(yīng)安裝測量技術(shù)

郜景林

上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司 200433

引言

高架橋下部結(jié)構(gòu)的裝配式施工技術(shù)中以灌漿套筒連接技術(shù)最為常見，在上海北橫通道天目路高架［1］、上海嘉閔高架路［2］等項(xiàng)目中均有應(yīng)用。相較于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的濕作業(yè)，灌漿套筒技術(shù)對構(gòu)件加工和預(yù)制立柱安裝精度要求較高。在高架橋下部結(jié)構(gòu)中，立柱作為承臺(tái)和蓋梁的連接構(gòu)件，其安裝精度更為重要。常用的預(yù)制立柱安裝方法需要施工人員在立柱安裝后，乘云梯至立柱頂面用卷尺測量兩根立柱頂面鋼筋對角線距離。上海嘉閔高架路項(xiàng)目曾采用雙測點(diǎn)控制法［3］避免了高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，但對每根立柱及其所對應(yīng)的承臺(tái)頂面都需標(biāo)記控制線，工作量大且不易操作。

因此，本文提出一種基于自適應(yīng)原理的新型的裝配式高架橋立柱安裝測量技術(shù)，介紹自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的基本原理、實(shí)現(xiàn)裝置和應(yīng)用程序，并結(jié)合某工程，研究自適應(yīng)安裝測量技術(shù)在裝配式立柱安裝測量中的應(yīng)用，為該技術(shù)在類似工程中的應(yīng)用提供思路。

1 自適應(yīng)安裝測量技術(shù)概述

1.1 自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的原理

自適應(yīng)原理最早起源于航空航天領(lǐng)域，隨后被推廣到光學(xué)、化工、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域［4］。在橋梁結(jié)構(gòu)施工中，自適應(yīng)原理多用于橋梁施工控制和監(jiān)測。石雪飛和項(xiàng)海帆［5］以此建立了斜拉橋自適應(yīng)施工控制系統(tǒng)。因?qū)嶋H結(jié)構(gòu)與理論模型存在誤差，導(dǎo)致斜拉橋的實(shí)際受力狀態(tài)和理論模型計(jì)算結(jié)果不同，故將誤差值輸入控制系統(tǒng)用于修正理論模型，將修正后的理論模型用于下一階段監(jiān)測，反復(fù)進(jìn)行上述步驟，直至實(shí)際結(jié)構(gòu)與理論模型一致。

自適應(yīng)安裝測量技術(shù)則采用相似的思路，但是以理論模型為參照，不斷調(diào)整實(shí)際結(jié)構(gòu)使其與理論模型一致或在允許誤差范圍內(nèi)，見式（1）。

式中：x代表實(shí)際結(jié)構(gòu)模型；X代表理論結(jié)構(gòu)模型；si代表造成實(shí)際模型偏差的變量（i=1，2，3，……）。

圖1為自適應(yīng)安裝測量技術(shù)說明圖，首先通過立柱參數(shù)獲取立柱理論位置，然后在立柱安裝后獲得立柱實(shí)際位置，以理論位置為參照，不斷調(diào)整實(shí)際位置。對于矩形截面柱，柱頂面四點(diǎn)即可確定一固定矩形面，若柱頂面四點(diǎn)實(shí)際位置和理論位置的誤差在允許范圍之內(nèi)，則說明立柱安裝精度滿足施工要求。

圖1 自適應(yīng)原理說明Fig.1 Self-adaption principle diagram

1.2 自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的特點(diǎn)

裝配式高架橋下部結(jié)構(gòu)按“承臺(tái)—立柱—蓋梁”順序施工，立柱理論位置和實(shí)際位置均可在承臺(tái)頂面標(biāo)定，具體實(shí)現(xiàn)方式見第2節(jié)。相較于現(xiàn)有的立柱安裝測量技術(shù)，自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：（1）將立柱安裝高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)性轉(zhuǎn)換為立柱安裝地面作業(yè)的安全性和高效性；（2）使立柱是否安裝完畢的評判指標(biāo)由兩根立柱間頂部鋼筋對角線距離轉(zhuǎn)換為單根立柱的自我調(diào)整，評判方式更加簡單明確。

2 自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式

2.1 自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)裝置

自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的關(guān)鍵問題在于如何將立柱的理論位置和實(shí)際位置呈現(xiàn)在承臺(tái)頂面。為了獲取立柱實(shí)際位置，自行設(shè)計(jì)并加工了一種X型導(dǎo)向架裝置，見圖2。導(dǎo)向架由X型導(dǎo)向架主體和導(dǎo)向臂組成，導(dǎo)向臂包括伸縮部和激光導(dǎo)向儀，伸縮部由伸縮桿和延伸臂組成。導(dǎo)向架采用裝配式組合方法，為增強(qiáng)導(dǎo)向架對不同立柱截面尺寸的適用性，用旋轉(zhuǎn)鉸連接X型導(dǎo)向架主體桿件，用伸縮桿增加延伸臂的伸縮距離。激光導(dǎo)向儀用一萬向節(jié)固定在導(dǎo)向臂端部，萬向節(jié)可使激光導(dǎo)向儀的照射光始終垂直于地面向下。由于萬向節(jié)中存在阻尼作用，故在激光導(dǎo)向儀端部添加配重物以抵消阻尼影響，同時(shí)考慮到實(shí)際施工風(fēng)環(huán)境的影響，在激光導(dǎo)向儀外安裝防風(fēng)罩。

圖2 X型導(dǎo)向架實(shí)物圖Fig.2 Physical image of X-type guide frame

導(dǎo)向架通過導(dǎo)向臂上的內(nèi)六角螺栓固定在立柱頂面四個(gè)頂點(diǎn)鋼筋上，見圖3。安裝時(shí)保證激光導(dǎo)向儀為開啟狀態(tài)，安裝后可直接在承臺(tái)頂面獲取激光導(dǎo)向儀照射點(diǎn)位置，標(biāo)定后記為立柱的實(shí)際位置點(diǎn)位。

圖3 導(dǎo)向架安裝示意Fig.3 Schematic diagram of guide frame installation

2.2 自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的應(yīng)用程序

自適應(yīng)安裝測量技術(shù)需在施工現(xiàn)場進(jìn)行大量計(jì)算，為便于施工，基于MATLAB GUI平臺(tái)開發(fā)自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的應(yīng)用程序，圖4為該程序的運(yùn)行界面。

圖4 自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的應(yīng)用程序Fig.4 Program of adaptive installation measurement technology

考慮到施工測量精度無法準(zhǔn)確獲取理論位置點(diǎn)位，故在模塊1中采取近似方法，將理論位置點(diǎn)位全部精確到整數(shù)位，根據(jù)空間幾何關(guān)系，獲得理論位置點(diǎn)位，設(shè)四個(gè)理論位置點(diǎn)位的坐標(biāo)分別為（a1，a2）、（b1，b2）、（c1，c2）、（d1，d2），各點(diǎn)橫縱坐標(biāo)的表達(dá)式見式（2）～（5）。

式中：L為縱向角點(diǎn)鋼筋中心點(diǎn)距離；B為橫向角點(diǎn)鋼筋中心點(diǎn)距離；L1為鋼筋點(diǎn)位延伸長度，即鋼筋中心點(diǎn)至激光導(dǎo)向儀的水平距離。

模塊2可以根據(jù)套筒內(nèi)徑和鋼筋直徑計(jì)算允許誤差。然而通過套筒內(nèi)徑和鋼筋直徑計(jì)算的為立柱平面內(nèi)的允許誤差［d］，無法與測量結(jié)果直接對比。因此，要通過如圖5所示的相似空間關(guān)系轉(zhuǎn)換為承臺(tái)頂面的允許誤差值［D］，見式（6）。

圖5 ［D］值計(jì)算示意和點(diǎn)位關(guān)系Fig.5 Schematic diagram of calculating of［D］and relationship of point positions

式中：Dint為套筒內(nèi)徑；drein為鋼筋直徑。

模塊1中已經(jīng)將理論位置點(diǎn)位做了近似處理，所以測量得到的實(shí)際位置點(diǎn)位和近似位置點(diǎn)位的距離并不等于實(shí)際位置點(diǎn)位和理論位置點(diǎn)位的距離，倘若根據(jù)前者進(jìn)行調(diào)整，所得的結(jié)果是立柱實(shí)際位置不斷接近于近似位置，而非理論位置，造成了自適應(yīng)安裝測量的系統(tǒng)誤差。所以要建立實(shí)際位置點(diǎn)位、理論位置點(diǎn)位和近似位置點(diǎn)位之間的聯(lián)系。

以上三個(gè)點(diǎn)位可形成平面，見圖5，圖中m值為實(shí)際位置點(diǎn)位和理論位置點(diǎn)位的距離；n值為實(shí)際位置點(diǎn)位和近似位置點(diǎn)位的距離；p值為理論位置點(diǎn)位和近似位置點(diǎn)位的距離。一根立柱共存在四組如圖5所示點(diǎn)位。根據(jù)三角幾何關(guān)系，有，設(shè)為m下，n+p 為m上，當(dāng)四組m上均小于［D］時(shí)，說明立柱的四個(gè)點(diǎn)位均不可能超出允許誤差值，立柱安裝精度好。當(dāng)四組m下均大于［D］時(shí)，說明立柱的四個(gè)點(diǎn)位全部超出允許誤差值，立柱安裝精度差，需要調(diào)整。當(dāng)［D］介于m下和m上之間時(shí)，無法比較［D］和m的大小關(guān)系，此時(shí)，假設(shè)m=［D］，進(jìn)而根據(jù)［D］-n計(jì)算p的最值，若p小于［D］-n，說明立柱精度滿足要求，反之，則不滿足。圖6為判斷功能的流程圖。需要注意的是，實(shí)際位置點(diǎn)位、理論位置點(diǎn)位和近似位置點(diǎn)位可以共線，故上述不等式均可取等。

圖6 模塊2判斷功能流程Fig.6 Judgement flowchart of Module 2

在初始參數(shù)設(shè)置中選擇立柱調(diào)整方式，則在模塊3中可輸出相應(yīng)的調(diào)整結(jié)果。調(diào)整結(jié)果包括：調(diào)整后實(shí)際位置點(diǎn)位的水平位移、立柱垂直度變化和立柱頂面中心點(diǎn)的高程變化。式（7）～式（12）為圖4所示墊高A點(diǎn)的實(shí)際位置點(diǎn)位水平位移、垂直度和高程變化的計(jì)算公式，算式根據(jù)各點(diǎn)位的空間幾何關(guān)系推導(dǎo)而來。其中SA、SB、SC、SD分別為A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)位的水平位移，α為垂直度變化，β為立柱頂面中心高程變化。

3 基于自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的預(yù)制立柱安裝工藝改進(jìn)方案

基于自適應(yīng)原理和自適應(yīng)原理的實(shí)現(xiàn)方式，提出預(yù)制立柱拼接施工工藝的改進(jìn)方案，見圖7。

圖7 改進(jìn)工藝流程Fig.7 Flowchart of improved technology

4 工程應(yīng)用

該技術(shù)所應(yīng)用的項(xiàng)目為鄭州市某高架橋項(xiàng)目，該項(xiàng)目裝配式施工，先安裝預(yù)制立柱，隨后安裝蓋梁，繼而安裝箱梁，見圖8。項(xiàng)目所用立柱頂部鋼筋中心點(diǎn)的縱向距離L和橫向距離B均為1.7m，立柱高度為3.6m，立柱頂部鋼筋公稱直徑為40mm。該項(xiàng)目原先采用灌漿套筒法施工，灌漿所用套筒長度為81cm，外徑為9.6cm，內(nèi)徑為7.0cm，本節(jié)將介紹采用自適應(yīng)方法安裝立柱的過程：

圖8 預(yù)制立柱、蓋梁和箱梁現(xiàn)場Fig.8 Site view of prefabricated columns，cap beams and box beams

（1）在立柱安裝前，確定預(yù)制立柱的理論位置點(diǎn)位。由于本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的立柱頂部頂點(diǎn)鋼筋和承臺(tái)頂部頂點(diǎn)鋼筋的中軸線共線，故不需要利用程序計(jì)算立柱的理論位置，僅如圖9所示，將導(dǎo)向架固定在承臺(tái)頂部鋼筋上即可標(biāo)定理論位置。導(dǎo)向架伸出長度為14cm。

圖9 預(yù)制立柱理論位置點(diǎn)位標(biāo)定Fig.9 Point calibration of the theoretical position of prefabricated columns

（2）在立柱吊裝前，將導(dǎo)向架固定在立柱頂部鋼筋上，如圖10所示。對于高度較低的立柱可采用登高方式固定導(dǎo)向架，對于高度較高立柱需以側(cè)放方式固定。

圖10 導(dǎo)向架安裝固定Fig.10 Installation and fixing of the guide frame

（3）吊裝并安裝立柱，調(diào)整好立柱垂直度，導(dǎo)向架的激光照射儀的燈光將投射在承臺(tái)頂面上，形成立柱實(shí)際位置點(diǎn)位，如圖11所示。圖中黑色符號為標(biāo)定的理論位置點(diǎn)位，紅色激光點(diǎn)為實(shí)際位置點(diǎn)位。

圖11 導(dǎo)向架實(shí)際位置點(diǎn)位Fig.11 Actual position of the guide frame

（4）測量立柱實(shí)際位置和理論位置的距離，將結(jié)果輸入輔助計(jì)算程序中判斷立柱安裝精度。以本項(xiàng)目為例，采用墊起邊的調(diào)整方式，墊起高度為4mm。立柱安裝調(diào)整后得到的四組實(shí)際位置和理論位置的距離分別為1mm、8mm、1.5mm、2mm。經(jīng)過程序計(jì)算，立柱的安裝精度滿足要求，同時(shí)立柱垂直度變化為0.13°。圖12為立柱調(diào)整過程，圖13為程序判斷結(jié)果頁面。

圖12 立柱調(diào)整Fig.12 Column adjustment

圖13 程序判斷結(jié)果頁面Fig.13 Program judgment result page

（5）立柱調(diào)整完畢后，抽離立柱，清理底座并坐漿。

5 結(jié)語

1.裝配式高架橋結(jié)構(gòu)預(yù)制立柱自適應(yīng)安裝測量技術(shù)將高空作業(yè)轉(zhuǎn)移到地面作業(yè)，將測量兩根立柱之間頂面鋼筋對角線距離轉(zhuǎn)換為單根立柱的自我調(diào)整，簡化了施工工序，提高了施工安全性，并提出了改進(jìn)的預(yù)制立柱拼接安裝的施工工藝。

2.X型導(dǎo)向架主體能夠?qū)⒘⒅鶎?shí)際位置在承臺(tái)頂面呈現(xiàn)出來，同時(shí)通過施工測量手段，可在承臺(tái)頂面獲取立柱理論位置。

3.自適應(yīng)安裝測量技術(shù)輔助施工程序考慮并減小了自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的系統(tǒng)誤差，能夠判斷立柱安裝是否滿足施工精度要求，并能輸出立柱調(diào)整后的參數(shù)變化。

通過工程實(shí)例說明，本研究具有一定的工程適用性，且所開發(fā)的應(yīng)用程序可移植到手機(jī)端實(shí)現(xiàn)。在后續(xù)研究中將考慮更多的施工變量，以提高裝置和計(jì)算的精度。