三維變截面A形鋼箱主塔安裝測量定位技術

【摘要】：本文介紹了柳州雙擁大橋三維變截面A形鋼箱主塔安裝定位技術，主塔定位使用三維坐標法測量，最大限度的通過坐標修正設置預偏量和誤差反量來解決節段定位中遇到的較大偏差、變形，通過精度驗算確定方法的可行性。

【關鍵詞】：三維變截面 主塔安裝 定位

1.概述

雙擁大橋位于柳州市北側柳江下游。大橋為雙主塔單懸索鋼結構。主塔采用A形鋼箱結構，設兩個塔柱，塔高104.811m，塔柱間夾角18.0442°，設兩道橫梁。塔柱截面為三角形，整體形狀為三維變截面；塔柱截面尺寸為：橫橋向寬4.919～7.097m，順橋向寬8.747～7.099m。橋塔沿高度方向劃分15個節段（如圖1所示），長度3.5～6.5m。

圖1 主塔示意圖

主塔均是預制鋼箱節段，運輸到現場拼裝，考慮到索塔的定位條件，我們采用三維坐標法施

工測量。通過細致研究偏差來源，在放樣中考慮設置多種修正量，通過節段的拼裝來消化施工偏差，并把最后節段作為標高調整節，從而保證力學性能不變化。

2.主塔定位策略

具體修正參數設置如下：

1)建立本橋獨立施工坐標系，以順橋向為x軸，橫橋向為y軸，根據設計圖紙計算各塔柱節段的理論放樣坐標，如圖2;

圖2主塔節段三維圖

2)驗收主塔節段實物，根據實際尺寸標記測量點，并確定坐標調整參數;

3)采用MIDAS/Civil建立空間桿系有限元計算模型計算主塔的預變形量，根據模擬結果給放樣坐標加上預偏量;

4)監測主塔在安裝過程中因受力不均、焊接、定位誤差產生的非均勻變形，并驗證預偏量的設置是否合理，若產生預測以外的小變形可再次對坐標加上修正量，如產生較大變形可根據變形量改變施工方案。

2.確定測量定位方案

大橋控制網分兩級布設，首級控制網使用GPS兩岸聯測，滿足C級GPS測量作業的基本技術要求；次級網使用全站儀加密，建立局部施工控制網如圖3。

由于受地形限制局部控制網網形較弱，我們采用符合導線形式嚴密平差。

建立條件方程組進行平差：

（7）

得出的局域網平差結果如下：

平面控制網等級：城市一級，驗前單位權中誤差：5.00(s)

已知坐標點個數：4

未知坐標點個數：5

未知邊數：6

最大點位誤差[JM4]=0.0013(m)

最小點位誤差[JM1]=0.0007(m)

平均點位誤差=0.0010(m)

最大點間誤差=0.0016(m)

最大邊長比例誤差=236592

平面網驗后單位權中誤差=1.32(s)

平差結果證實網形合理，測量誤差小，結果可用。

現場定位前，根據修正參數計算節段的理論坐標，定位時在基準點架設儀器觀測定位點，把實測坐標與理論坐標對比算出偏移量，指導現場施工人員調節節段至設計位置上，定位完成后用鋼尺和測傾儀測量節段的傾斜度，以保證定位點準確無誤。

圖3局部控制網示意圖

3.節段定位點布設與實際尺寸丈量

塔柱截面類似三角柱體，為了便于設置定位點，我們定義節段內壁板為基準面板，每個節段我們設置7個定位點，四個定位點設于內側壁板，另外三個位于節段頂面，見圖4。

其中各點受節段實際高度及橫軸長限制，無法按理論設點，我們根據實際丈量的尺寸設點，調整理論坐標。節段7#點的理論坐標計算式為

（8）

A形塔內夾角，；為定位點的實際里程；為兩塔柱內側底角寬度；為節段至塔柱底內側斜長；為橋軸線處Y軸數值；為塔柱內側腳標高；為測量點處鋼板板厚；為節段頂口的橫軸長。

圖4節段點位布置圖

該節段的設計高度和橫軸長分為L理，D理，實測高和橫軸長為L實，D實。計算差值：

;

第一次調整后的坐標為

（9）

考慮到內壁板在塔柱制造過程中的重要性，內壁板焊接前要精確調平，且作為這個節段制作的參考面。節段運輸到現場同樣以節段的內壁板為參考面進行尺寸丈量和節段投點。

節段測量點要求選擇在對象的物理中心標示，通過坐標修正來使兩者統一。這樣的優點有：

1）節段在運輸到現場時頂端已經開設雙面坡口，但坡口中間預留3mm未切量，方便設置測量點。

2）能精確測量物理構件的中心尺寸，對象的中心面域較為開闊，適合立設測量儀器。

3）標示點破壞后，方便快速恢復，且物理中心強度高，不易損壞、變形。

節段運輸到施工場地時，我們要對節段長度進行多次精確丈量，以確定其最終尺寸并布設節段定位點。使用通過檢定的鋼尺來測量節段，測量結果要進行精度評定來確定測量結果的可靠性。

以T1節段為例，觀測橫軸長D，多次觀測結果見表1：

表1節段橫軸長觀測結果

觀測頻次實測長度（已加上尺長改正）mm

第一次5153

第二次5154

第三次5153

第四次5153

根據四次測量結果計算平均值，并計算中誤差評定測量結果的可靠性。

中誤差

結果真實可靠，此次測量結果可作為節段布點的參數。

4.根據主塔所受應力計算橫向預偏和豎向預抬高

空間桿系有限元計算模型中，主要考慮了主塔和臨時支撐的自重。

根據主塔施工階段計算結果，主塔施工完畢后成橋狀態的橫向位移和豎向位移計算結果見表2，其中橫向位移以向橋梁中心線為正，豎向位移以向上為正。表2中的位移數據是基于20℃設計基準溫度的計算結果，未考慮環境溫度變化的影響。主塔節段的現場放樣時間應選擇在夜晚，且夜晚觀測需在接近20℃的恒溫下觀測，當時的環境溫度和主塔溫度可不進行修正。

表2塔柱成橋狀態的橫向和豎向位移計算結果

節段(內側)標高/m橫向位移/mm豎向位移/mm

上承壓板79.7250.00.0

T0頂82.986-0.5-1.1

T1頂89.167-0.6-3.5

T2頂93.166-0.4-5.2

T3頂98.8701.8-7.9

T4頂105.0514.5-10.9

T5頂111.2316.6-13.4

T6頂117.4117.6-15.6

T7頂123.5927.8-17.6

T8頂129.7727.0-19.2

T9頂135.9525.5-20.7

T10頂141.6573.8-22.0

T11頂147.3622.3-23.5

T12頂151.9321.1-24.7

T13頂157.4780.0-26.4

根據塔柱橫向位移計算結果，施工過程中塔柱的最大水平橫橋向位移為7.8mm，與塔柱高的比值約為1.001/10000。主塔節段安裝前，通過鋼管支撐和支撐上的螺旋千斤頂調整主塔塔柱的傾斜角度至設計值，使各節段的空間位置和總體線形滿足設計要求。

由以上數據可知，受應力影響主塔產生變形，主塔定位時必須考慮預偏量，否則變形后的塔柱難以進行后節段定位。由于主塔在安裝過程中，不受順橋向的應力，順橋向沒有變形值，我們以、、來表示主塔變形量的調整值，故。

（10）

上述各值均是采用MIDAS/Civil建立空間桿系有限元計算模型計算所得，可認為測量中誤差。

6、安裝誤差與變形監測

節段在安裝過程中無法做到零對接，所以必然產生安裝誤差。在下一節段吊裝前，必須測量上一節段，進行位置對比，得出節段偏差。而這就要對構筑物進行實時監測。

塔柱節段安裝完成后偏差主要有，定位誤差、焊接變形，重力變形。重力變形在預偏量中已加入改正，這里的變形主要是前兩者。安裝定位過程中，定人、定時間和定儀器進行觀測，盡可能減小測量誤差。節段間施焊時按照事前已通過專家評審的焊接工藝進行操作并在現場焊接試板，掌握經驗數據以控制焊接變形帶來的誤差。

根據監測結果驗證預偏量的設置是否合理，產生的較小變形可在A形塔塔柱間設置臨時橫向支撐，并使用千斤頂給支撐施加應力抵消變形。若產生較大變形立即停止施工，改變施工方案。

目前，雙擁大橋按照既定的測量方案已完成兩個主塔的測量定位，定位精度滿足設計要求。

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