蝴蝶钢管拱桥测量定位技术

1、蝴蝶钢管拱桥测量定位技术谢成荣 黎韶良(中交四航局第一工程有限公司，广东，广州510500)摘要：利用主桥三维模型获取的各分段构件的空间坐标，特别是拱肋上的各特征点三维空间坐标，有效的帮助构件安装过程的精确定位。关键词：蝴蝶钢管拱桥；三维坐标；测量定位1 测量控制网的布设长江大桥桥面曲线外侧的倾斜拱肋（简称外拱）和铅直的夹角为13.5°,内侧的倾斜拱肋（简称内拱）和铅直的夹角为35.5°。两个拱肋均由封闭的椭圆形变截面钢结构构成，安装精度要求±4mm。 为了保证长江大桥的安装精度，本工程选用一台徕卡NA2自动安平水准仪和一台徕卡TC905L型全站仪（2、2mm+2

2、ppm）进行测量控制和放样。在主桥施工前，对主桥控制网重新复测和加密，结合本工程的实际情况，在主桥南北两岸各布置两个控制点，按三等控制网精度要求进行测量，观测数据经过严密平差计算出各点坐标。2 长江大桥测量定位精度分析根据设计要求，长江大桥测量定位精度要求为平面±10mm，高程±5mm，这就要求在施测过程中必须尽量减小各种测量误差的影响。在长江大桥安装过程中，主要通过全站仪三维坐标测量来控制安装的精度。全站仪三角高程测量方法和水准仪测量高程原理是一致的，主要是求出已知高程点和待测点的高差。全站仪三角高程测量方法如图1所示。在测量时为了减小误差，尽量置仪器于后视点和待测点距离

3、大致相等，称之为中点单觇法，这种测量方法有以下几个特点：a 不需量取仪器高；b 采用适当方法，可不量取觇标高；c 测站选在中部时，可减弱大气折光的影响；d 减少劳动强度、提高作业速度等。2.1、 中点单觇法三角高程测量原理及精度分析2.1.1 高差计算公式的推导 如图1所示，为求A、B两点间的高差，将全站仪置于A、B两点大致中间位置的D点处，则故A至B点的高差为：式中：s经气象改正后的斜距；z天顶距的观测值；V觇标高；R测区地球平均曲率半径；K大气折光系数。由于前、后视高差观测是在相近条件下进行的，可认为其折光系数，kAkB，令kA=kB=k，代入式（3）得：式中：hAB第一次观测高差；hAB

4、第二次观测高差。由上述可知，中点单觇法三角高差测量时，不需对中和量取仪器高。2.2 中误差计算式由于DA=sAsinzA、DB=sBsinzB，由于采用中点单觇法进行三角高程测量时，仪器大致在两置觇点的中部且一般距离较短，则可近似认为m2sA=m2sB=m2s；并顾及m2zA=m2zB=m2z，m2vA=m2vB=m2v， 由上式可得： 式中：mh中点单觇法三角高差的中误差；ms测边中误差；mz天顶距观测中误差；mk大气折光系数测定中误差；mv觇标高量取中误差；Z天顶距的观测值；D水平距离，D=s·cosz；R测区地球平均曲率半径；取206265.2.3 精度分析及结论设ms=

5、77;10 mm、mz=±1.8、mk=±0.05、mv=±1 mm，取不同的平距D和天顶距Z，计算高差平均值的中误差，通过对结果的分析，可知： （1）由于采用中点单觇法进行三角高程测量时边长较短，故大气折光的影响较小，其高差测量精度主要受测距与天顶距精度的影响。有时当垂直角较大时，测距精度影响甚至大于天顶距精度的影响。如DA=300 m、DB=200 m，即高差点间平距D=500 m，Z=75°，观测精度同上时，由测距误差ms引起的高差误差mhs=±2.59 mm；由天顶距误差mz引起的高差误差mhz=±2.22 mm；由大气折光系

6、数测定误差mk引起的高差误差mhk=±0.14 mm；由觇标高量取误差mv引起的高差误差mhv=±1.00 mm；高差平均值的中误差为：这与传统的三角高程测量（直返觇法）精度主要受天顶距精度的影响是不同的。 （2）从衡量中点单觇法三角高程测量精度的指标每公里高差中误差来考虑，前后两高差点间平距D的最有利范围为400 mD800 m，即200 m前后视距400 m，取每公里高差中误差的2倍作为极限误差，在此范围内可满足三等水准测量的要求，且随垂直角变小，平距D应变短为有利； （3）取每公里高差中误差的2倍作为极限误差，均可满足四等水准测量的要求； （4）受外界条件限制，前后视

7、距特别短而倾角较大时，可用提高测距精度的方法来达到高程测量所需的精度。 在长江大桥测量中，由于主桥和控制点之间的距离为200米左右，相对来说，各种误差的影响比较小些。完全可以达到高程控制在±5mm以内。3 主桥测量定位技术3.1 主桥承台和拱脚段测量定位 在拱脚段安装前，首先在主桥承台拱座钢板上精确放样出拱座中心线及内拱和外拱相交线，复核拱座上钢板的标高。测出拱脚段临时支撑上钢管中心的坐标，将测得的坐标输入到电脑三维模型中，截出临时支撑处拱肋断面图形和工装架型式，根据截出的工装架形式和尺寸在临时支撑上安装工装架，这就完成了拱肋安装的测量准备工作。拱脚段安装时，拱座上拱肋的安装比较容易

8、控制，只需根据拱座上弹出的拱座中心线和内外拱相交线安装就可以准确就位了。对于拱脚段工装部位的安装，由于拱肋内部的结构复杂，不便直接对其轴线进行测量，我们选取拱肋内部和钢横梁连接的钢板部位进行测量定位，拱脚段在安装过程中，随时跟踪观测临时支撑的变化情况，保证了拱脚的安装精度。拱肋工装架示意图如下：3.2 钢箱梁平面位置和高程控制 在钢箱梁安装前，首先测出临时支撑的坐标，将测得的坐标输入到电脑三维模型中，计算出工装架的高度（必须考虑预拱度）后进行现场制作安装工装架。钢箱梁分段落至临时支撑后，首先找出钢箱梁上锚固点连线在钢箱梁中线两边对称的点，另外找出钢箱梁分段处控制点，事先计算出这三点的平面坐标和

9、标高，通过现场测量这三点的坐标，定出钢箱梁的余量并切割，余量切割完成后，将分段重新吊起，待钢箱梁平面位置和标高控制在规范内时，与支墩架刚性固定。通过测量这三点，保证了钢箱梁的平面位置的准确和钢箱梁锚固点位置的准确。3.3 拱肋测量安装定位 拱肋的安装测量准备工作和钢箱梁相同，首先测出临时支撑的标高，根据所测数据在电脑三维图中截出拱肋的断面形式和工装架的形状，现场制作安装，如图1所示。拱肋的安装定位是本工程的难点，由于实际测量放样时很难通过控制拱轴线来测量定位，即拱肋上理论锚固点不可能在测量中实际测放出来，但如果不控制好拱肋上理论锚固点的坐标，拱肋和吊杆的安装精度就得不到保证，经过反复探讨，最终

10、决定在拱肋吊孔底部安装棱镜，因为拱肋锚固点和钢箱梁上锚固点以及吊孔底部中心点这三点通过一条直线。在拱肋吊装前，先找出吊孔底部中心的位置，在其位置焊接棱镜支座的螺帽，注意在焊接过程中保证螺帽位置的准确性，焊接完成后套上支座和棱镜。计算出棱镜中心到拱肋理论锚固点的距离，在电脑中计算出棱镜中心点的设计三维坐标。在拱肋安装时，主要对拱肋分段的端头和中间部位的吊杆位置进行测量控制安装。4 监控测量 为了保证长江大桥的顺利完成，在整个安装过程中以及支架拆除后都必须对长江大桥进行监控测量，主要包括安装过程中临时支撑的变化情况，钢箱梁和拱肋的变形情况，以及拱肋浇注混凝土过程中张拉过程中拱肋及钢箱梁的变化情况，支架拆除后拱肋钢箱梁是否获得设计理论状态。其中最主要是对拱肋的变化情况进行监控，分别在拱肋1/2L段和1/8L段安装棱镜，观测其在各种过程中的变化情况，经过每次观测数据的比较，长江大桥的安装精度完全在设计的理想状态。支架拆除后，钢箱梁和拱肋由安装状态恢复到设计理论状态。 5 施工总结从现场安装的情况来看，钢箱梁和拱肋的安装精度均达到了设计要求，但在测量施工工作中必须注意以下几点：（1）三维模型的应用，由于拱肋