斜拉桥的控制测量
2018-04-02
1 概述
斜拉桥作为现代化的桥梁，以其独特的结构形式和优美流畅的线形，正在更多的路桥建设中被建造和使用。斜拉桥兴起于上世纪50年代欧洲国家瑞典，我国1975年在四川修建的云阳斜拉桥，虽然跨度只有75米，但是是我国第一座斜拉桥，标志着斜拉桥在我国的开始，谱写了我国桥梁历史上的新篇章。斜拉桥的桥塔一般为A型、Y型和H型，桥型一般有单塔双面、双塔双面和单柱等，主梁分为钢筋混凝土梁和钢箱梁两种。我国修建斜拉桥虽然比欧洲国家晚20年，但经过30年的迅速发展，现在已经在我国的大江大河上修建了100多座，成为世界上斜拉桥最多的国家。从无到有，从小到大，从落后到先进，不仅赶上了发达国家，而且跨进了先进国家的行列。并且在设计、施工、控制等方面都已形成了完整的体系。
京沪铁路大动脉从山东省济南市中心纵穿而过，随着经济的快速发展和城市改造的加快，原有的几座横跨铁路线的老桥已不堪重负，严重制约了济南市道路交通的发展。经过各方面的多次论证，决定修建一座现代化的桥梁，考虑到横跨京沪铁路线的特殊性和现代化城市建设的需要，斜拉桥以其跨度大、桥型优美而被列入勘设范围，最后决定在纬六路修建特大型斜拉桥横跨京沪铁路大动脉，将纬六路南北两侧拉通，形成一条新的城市快速大通道。该桥设计为A字型桥塔，为一座双塔五跨双索面PC斜拉桥，主桥全长704m，中主跨380m，主塔高120m；该桥属城市立交高架桥，施工条件复杂，技术含量要求高，在该桥的勘测和施工阶段，测量控制工作发挥了十分重要的作用。
该桥是一座技术含量高的现代化桥梁，从勘测到修建都对测量控制工作提出了很高的技术要求。研究该桥测量控制技术，使我们了解如何在城市控制网中对大型建筑物进行控制，如何将GPS技术运用到工程建设中，在什么样的情况下可以使用高精度的电子全站仪，用三角高程测量来代替同精度的水准测量，同时运用测量新技术解决复杂的问题，进一步完善斜拉桥的测控理论。
2 控制网的布设
2.1 平面控制网的布设
在布设平面控制网时，依据设计要求，控制网按照《公路勘测规范》中规定的三等网精度进行施测，桥轴线相对中误差不低于1/70000，在济南市统一坐标系内进行插网布设。选点时，由于该工程位于市区，建筑物错综林立，通视条件受限很大，经过大量实地勘察，最后选定几座属永久性、基础稳定且相互通视条件较优的建筑物顶部埋点（通过初测，各点相互间高差不超过±3m），按照设计要求并综合各选定点实际情况，考虑到大部分控制点在后续施工放样时使用频繁，在各点统一埋设强制对中观测墩，观测墩为砖混结构，尽可能减小温度及季节变化对控制点的影响。选定和埋设完控制点，随即对该网采用两种方法进行观测，一种方法是利用GPS技术进行三边网观测，使用的GPS接收机标称精度5mm+1ppm；另一种方法是使用高精度的电子速测全站仪进行边角观测，全站仪标称精度：测角1〃测距1mm+2ppm。观测前均对相应的接收机、全站仪及相关组件按相应的指标要求和检定标准进行全面的检验和校正，在观测过程中进行相应的气象条件改正以及仪器乘常数和加常数的设置。在利用GPS进行外业作业前实施卫星可见性预报，观测时采用静态定位模式，使用四台接收机进行同步观测。使用全站仪观测时，选择了气象条件较优，目标成像清晰的相同时段，最大可能的使各测站点保持同精度观测。在采用以上两种方法实施作业时，严格依照《公路勘测规范》、《全球定位系统城市测量技术规程》、《工程测量规范》、《精密工程测量规范》等进行施测，确保观测质量的可靠性。
完成对整个控制网的观测后，开始对观测成果进行内业计算和结果评定。在对原始观测数据进行编辑、加工与整理、分流并生成各种数据文件后，在各项质量检核符合要求后，以一个点的WGS-84系坐标为起算点依据，通过GPS网三维无约束平差求得各点WGS-84系统坐标，在无约束平差得到的有效观测量基础上，在济南市城市独立坐标系下又进行二维无约束平差。平差完成后的成果质量统计为：最大点位中误差5.9mm（G10），最小点位中误差2.9mm（G13），平均3.9mm，边长相对误差最大为1/230000（G10-G14），最小为1/690000（G11-G14），各项精度指标皆优于规范的规定。将GPS观测与全站仪观测所得平差结果进行对比，其对比成果见下表：
图1 GPS控制点示意图
通过以上内业计算出的数据及对成果精度的统计分析，可以认为该控制网能够满足该特大桥工程在平面控制方面对精度的需求。在以后的施工放样中只考虑放样时的误差，而不需再考虑控制网的误差。
2.2 高程控制网的布设
依据设计要求，高程控制网按照三等水准测量进行施测。高程采用了1956年黄海高程系统，从济南市城市水准网中进行插点，分别在南北两端各插入一水准点进行埋石。根据施工环境的具体情况，在一些永久性建筑物的基础上埋设钢桩，形成一条长3.6km的水准网，使用N3水准仪对该网进行观测。经过对观测成果进行平差计算，全长闭合差仅为-4.9mm，每公里闭合差2mm，精度指标优于规范规定。考虑到在该斜拉桥后续施工中，主塔高120m，塔身的不同高度分布着96个每根重达几百公斤的钢索导管，为了使这些导管能够精确定位，就需要将高程准确的传递上去，鉴于施工的难度和复杂性，用水准测量的方法传递高程有很大的困难，经反复的研究分析并经过多次实验观测，采用测角精度为1〃的电子全站仪用三角高程进行对向观测，每公里中误差仅为2.6mm，符合三等水准测量规范要求，决定采用三角高程测量的方法进行高程传递。因此又按照三等水准测量将高程全部传递到平面控制点的观测墩上。随后用1〃级的电子全站仪在平面控制点上进行竖角对向观测，对所有点进行闭合平差，闭合差为7.3mm，能够满足施工放样对高程精度的需求。（施工放样按四等水准施测） 3 施工控制
3.1 施工坐标系的建立
该桥在勘测及控制网中所使用的坐标均为济南市独立坐标系统（称其为测图坐标系）。使用该坐标系体现在施工时数值较大，现场计算繁杂，不能直观的反映出测控点与结构物之间的关系，为此需要建立一个能够方便现场测控放样的局部施工坐标系，并且使其能够与测图坐标系之间相互转换，从而能够满足不同方面的需求。
该桥的施工坐标系是这样建立的：以桥轴线为X轴，以横桥向为Y轴，以北主塔中心为坐标原点，往南主塔方向为正向建立平面直角坐标系。例如北主塔中心测图坐标为X：110.5515 Y：-3058.279，南主塔中心测图坐标为X：-235.5441 Y：-2901.3779。依据这两点推算施工坐标与测图坐标之间的转换方位角为а=155°36 47″，根据两坐标系之间的几何关系推出其相互之间的转换公式。测图坐标转换为施工坐标关系式为：X=（X0-110.5515）×COSа+（Y0+3058.279）×SINа，Y=（Y0+3058.279）×COSа-（X0-110.5515）×SINа，其中X0、Y0为测图坐标；施工坐标转换为测图坐标关系式
X0=110.5515+X×COSа-Y×SINа
Y0=-3058.2788+X×SINа+Y×COSа。
应用以上两公式，可以顺利进行施工坐标与测图坐标之间的转换，可以将所有平面控制点的测图坐标转换为施工坐标，使得施工过程中的测控放样更灵活、方便。
3.2 主塔施工的控制测量
该桥主塔高120米，为A字形桥塔。测量工作主要是控制其空间位置关系及塔身垂度的正确性，并且精确测定出分布在其不同位置的各种预埋件的位置。
控制垂度就是使主塔的中心轴线与主塔的中心平面位置点在铅垂线（法线）上的方向重合。实际测量工作中，在测区面积不大的情况下，往往是以水平面直接代替水准面，在这里主塔虽然高120米，但经过推算，过主塔中心的垂线与过该点法线的垂线偏差很小，可以忽略不计。而认为两主塔中心轴线平行且垂直于测区水平面。空间位置是以主塔与主塔中心垂线、桥梁中心轴线的相对几何位置关系来确定。实际上当以主塔中心为原点建立起施工坐标系并且将水准高程引至该原点时，就等于已经建立了一个空间直角三维坐标系。因此主塔在施工过程中，只要测定其特定几何图形位置的空间坐标，就可以完成施工过程中的测量控制。如图3所示：
图中O点为坐标原点，Z轴为主塔中心垂线，X为桥梁中心轴线，Y轴为垂直于Z轴和X轴的横桥向。从图中可以看出，点B的空间坐标为（X，Y，Z），当B点位于YOZ平面上时，X=0，Y=（H1-H2）×TANa，H1、a为设计给定值，H2为三角高程实测值。只要测定一个高程值，就可以得到一组确定的（X，Y，Z），将其值与实测值相比就可以得到该点的正确位置。这样，塔柱的每节滑模在立模时只需要测四个角就可以确定其正确位置。
3.3 主梁的施工测量
该桥主梁为钢筋混凝土现浇梁，采用牵索挂蓝施工。在0#块浇注完毕后，可以采用前方交会法恢复出两主塔中心点，使用测距仪测定两点间距离.如该桥在恢复出两主塔中心点后的实测距离为380.008M，而设计值是380M，相对误差1/48000，满足实际施工要求。后续施工以这两点连线做为桥轴中心线控制挂蓝中心轴线位置。
在主梁施工过程中，控制其高程和线形是一项十分重要的工作。在设计中，已经按照一定的线形设计，计算出了每一块梁的理论高程，在施工中如果没有任何外界因素影响，而以设计高程控制施工，可以保证主梁的线形要求，但在实际施工过程中，由于采用的是牵索挂蓝施工，钢索的膨胀收缩随温度变化而变化，钢索越长，温差越大，这种变化越明显，加之施工机械和其他荷栽对挂蓝的影响，使挂蓝很难按设计高程施工。为了使设计与实际施工能够保持一致，在施工时需要根据具体情况对挂蓝高程进行调整。当挂蓝安装到位，有效荷载加装后，开始调整挂蓝高程。一般是选择夜间大气温度变化不大的时候进行调整，原则上以设计高程为基础，测定相邻两块梁之间的相对高差，将其调整与设计高差相一致，在挂蓝与相邻梁块之间固定以后整体调整挂蓝的高程，调整依据是在设计高程上加一个预调值和挂蓝预拱度调整值，既设计高程+高差调整值+预调值+挂蓝预拱度调整值。这里预调值是一个十分重要的改正值，该值的准确与否，是保证主梁在施工过程中的安全及能否在最后顺利合拢的一个关键因素。该值需要通过专门观测并对成果进行软件分析而得出，在每一块梁浇注前，事先在梁前端按一定的距离分别预埋三个沉降观测点，观测时间选择在日出前温度变化稳定时段。整个梁面上不能有任何荷载，即整个主梁处在自然受力状态；观测时测定环境温度，对所有沉降点依次进行同精度观测，观测要求每块梁在浇注前和浇注后各观测一次，将观测数据整理，经软件分析计算出下一次调整挂蓝时的预调值。
3.4 钢索导管的定位测量
斜拉桥主梁和主塔是通过钢索连接成一个受力整体。索导管就是为了便于安装和维修钢索而安装的一定形状的钢管。索导管安装的精确与否直接关系着整个桥梁的受力，影响着钢索的使用寿命。安装要求严格，误差要求控制在±1cm范围内，是整个斜拉桥施工过程中测量控制的重点。
在设计图纸中，已经给出了钢索锚固点在空间中的位置及相关数据。但根据施工时的实际条件，是无法直接利用设计数据来完成对索导管的空间定位测量，这里可以采用这样一种方法：依据锚固点的设计数据，计算出每一个锚固点在桥梁独立坐标系中的空间坐标，每一根钢索的两个锚固点连接起来便成为空间中的一条直线，如下图（b）。再利用解析的方法计算出空间直线的解析方程和相关参数，在测量定位时，只需测出解析方程所需要的未知量，便可计算出其理论值，这样一条空间直线只需要测定两点，就可以确定其空间位置。如下图（a）中，A、B两点是钢索的两个空间锚固点A（X1，Y1，Z1） B（X2，Y2，Z2），从图中可以看出直线AB在YOZ平面上的投影是A1B1，投影直线A1B1在YOZ平面内的斜率是a1=arcTAN（（Z1-Z2）/（Y1-Y2）） K1=TANa1，那么投影直线A1B1的点斜式方程为Y=K1Z+b；同样直线AB在XOZ平面上的投影为A2B2， A2B2在XOZ平面内的斜率为a2=arcTAN（（Z1-Z2）/（X2-X1）） K2=TANa2，点斜式方程为X=K2Z+b1，这样直线AB就可以用两条直线方程Y= K1Z+b、X=K2Z+b1来表示。测量定位时只要测出未知量Z，就可以求得X、Y值，也就是说一个确定的Z值，对应着一组确定的X、Y值，再将该组值与实测值相比较，既可知道点位的实际偏移情况。该方法灵活简便，极大的减小了施工时障碍物对测量控制的影响。使用高精度的仪器，测控过程中严格按照操作规程及施工组织工艺，完全可以将精度控制在误差要求的范围内。 使用这种方法进行钢索导管定位时，有这样一个问题需要解决：索导管在定位安装前，已经依据设计数据对每根索的解析参数事先进行了计算，但是实际在主梁上安装时，梁面的设计高程已经发生了微小的变化，这种微小的变化对锚固点设计的X、Y值没什么影响，但空间直线的位置在垂直方向上已经发生了变化，如果以原来的参数进行定位计算，那么实际所测出来的未知量Z中已经包含了一个ΔZ值，这个值对以解析方程进行计算的X、Y值就直接产生了影响，也就是使索导管偏离了原设计位置，可能导致索导管的管壁与钢索产生摩擦，从而影响钢索的使用寿命。所以必须消除由于高程变化而对位置产生的影响。在索导管定位安装时，首先测定主梁的实际高程，将其与设计高程做比较，确定出实测与设计高程的差值±ΔZ，给原锚固点的设计高程加上±ΔZ，X、Y值不变，采用可编程计算器重新计算解析方程所需要的参数，以新参数做为计算定位测量的依据。在定位测量的过程中随时观测主梁高程的变化情况，以便准确掌握主梁高程的实际位置。
3.5 位移及沉降观测
由于该桥主塔高120m，且为双索双面非对称性斜拉桥，在整个桥梁施工中需要随时观测主塔的位移及沉降情况，为监控监测提供准确可靠的数据。
在主塔施工阶段主要是观测主塔的沉降，这时在主塔的底部两侧埋设沉降观测尺，使用N3水准仪定期进行观测，将观测成果整理并绘制沉降曲线图。主塔封顶完成以后，在主塔顶部便于观测的位置埋设两组观测棱镜进行空间点位观测，观测的时间一般选择在大气温度稳定、日出前一段时间里，分别从两控制点同时进行交会观测，主梁在进行施工时，主塔的位移观测需要随时进行，每次在对称梁块浇注前观测一次，浇注后观测一次，将前后两次成果进行对比，根据点位的位移情况确定主塔受力是否对称均匀，斜拉索在张拉前后同样要进行观测，以便根据观测结果调整索力。而在主梁合拢时，需要对主塔的位移情况进行二十四小时不间断观测，依据观测点位位移情况，合理的对合拢梁端进行配重，最终使主梁顺利的实现合拢。
4 结束语
随着各种新材料的运用及新技术的不断发展，各种桥梁工程的建设在不断的向前发展，测绘控制工作也在随着变化而不断的发展和创新。电子技术的飞跃发展，尤其是GPS技术的发展，改变了传统的测量模式，使测绘控制工作发生了质的变化。工程建设中控制测量的手段日益多样化和简单化，机械式测量仪器被电子型仪器所取代，原来需要多人做的工作现在只要很少的几个人就可完成，外业数据的采集和内业计算逐步自动化和程序化，极大的缩小了工作强度和提高了工作效益，成果精度取得了质的飞跃。随着测绘技术的发展，还有很多方面需要不断的进行创新和完善，比如如何在测量数据的外业采集和内业处理之间进行实时自动信息交换，将数字化测图系统运用到桥梁工程建设中，对桥梁的各个在建部位进行数字化监控，以避免工程质量问题等，只有紧跟科技的进步不断探索和创新，才能更好的为工程建设进行服务，为经济建设的发展谱写新的篇章。
参考文献
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