大跨度橋梁鋼索塔安裝測量方法及精度分析

何廣源，吳迪軍，李書銀， 葉世儒

(1. 中鐵大橋勘測設計院集團有限公司, 湖北 武漢 430050；2. 中鐵大橋局集團第四工程有限公司, 江蘇 南京 210031)

一、引 言

馬鞍山長江公路大橋連接馬鞍山和巢湖兩市，橋位位于馬鞍山河段江心洲，主橋長10.9 km?？玳L江主航道的主橋為世界上最大跨徑的三塔兩跨懸索橋，主跨跨徑為1080 m。中塔離兩岸大堤的距離超過1100 m，塔柱結構為鋼混疊合結構，塔高175.3 m，其中混凝土塔高47.5 m，鋼索塔高127.8 m。中塔施工放樣是該橋施工測量的難點和關鍵所在。與混凝土塔相比，鋼索塔更容易受日照、溫度、風等外在因素的影響而產生形變，因此，鋼索塔施工測量的難度更大。本文以馬鞍山長江公路大橋中塔柱鋼索塔施工測量為例，探討大跨度橋梁鋼索塔安裝測量控制方法及技術措施。

二、鋼索塔安裝測量方法

馬鞍山長江公路大橋中塔柱鋼索塔分T1—T21共21節，其中T5、T11、T16為調節段。每節鋼索塔節段在車間加工預拼后再運輸到現場安裝，其形狀和大小已經成型，只有在調節段才能進行微調。因此，整個鋼索塔安裝測量控制的關鍵在于首節T1節段的放樣定位精度和各調節段的安裝調整。

塔柱的垂直度和形體質量是反映塔柱施工質量的兩項重要指標，也是各節段及部件施工的總體體現[1-2]。由于鋼索塔形體已經事先在工廠制作時確定，因此，塔柱垂直度是反映塔柱施工質量的最重要指標。其次就是塔柱的高程控制，本項目設計提出的精度要求是，安裝過程中節段四角高差限差要求：橫橋向≤1 mm，順橋向≤2 mm；柱傾斜度誤差不大于塔高的1/4000；最終索塔高程誤差要求≤10 mm。

根據鋼索塔的設計和施工要求，測量控制的重點是：通過對鋼索塔頂面軸線點和四角點的測量來實現垂直度和平整度的控制目標。鋼索塔頂面測量控制點分布如圖1所示，其中，X1、X2、Y1、Y2為鋼索塔安裝施工軸線測量控制點，a、b、c、d為鋼索塔頂面四角高程、高差測量點。

圖1 鋼索塔安裝測量控制點分布示意圖

1. 平面測量方法

(1) 首節段T1節的測量

在混凝土塔柱頂面和鋼索塔T1節段連接的內側左右邊緣處澆注4個強制對中觀測墩，在首節段T1安裝前，采用精密三角測量方法按二等精度聯測兩岸首級控制點，作為鋼索塔安裝施工的平面控制點。鄭德華在研究分析南京長江二橋和潤揚大橋等橋首級控制網時，得出以下結論：對于跨江寬度在3 km以內的施工控制網，采用邊角網方法觀測，控制點精度能滿足2 mm的要求[3]。利用這些控制點按圖1中的X、Y軸線控制點采用歸化改正方法對鋼索塔首節段T1節進行放樣定位。

(2) 其他節段的安裝測量

首先，利用上述施工平面控制點采用全站儀歸化改正方法在下橫梁表面上、下游合適位置分別放樣投影點；其次，用激光準直儀將平面投影點垂直投影到相應節段鋼索塔頂面，并在頂面用帶刻度的透明接收板進行接收、標記及固定，上、下游鋼索塔各獨立投影一個點；然后，在上、下游鋼索塔投點近似直線的鋼塔外側邊緣的合理位置，采用研制的測量輔助裝置固定在鋼索塔上，架設全站儀，整平并后視投影點，調整儀器到兩個投影點的延長線上，固定、整平并通過測距檢核兩點的投影坐標；最后，根據距離和投影點坐標反推測站坐標，通過設站、后視投影點，對上、下游鋼索塔軸線控制點X1、X2及Y1、Y2進行測量。

(3) 精度控制措施

采用以下措施進行精度控制：

1) 臨時加密點利用混凝土頂面的帶強制對中墩的控制點采用歸化方法進行放樣。

2) 采用鉛垂準直儀在垂直向上投點時，同時將專門的帶刻度的透明接收板測量輔助裝置固定到鋼索塔表面進行接收、標記。鉛垂準直儀垂直投影的標稱精度為1/200 000，對于不到200 m的塔高的投影高度，這項誤差顯然影響較小，為避免投影偏差，投點時采用4個方向投點。

3) 后視和設站采用專門研制的強螺栓固定在鋼索塔表面進行接收和固定裝置，能大大減少該項誤差；同時放樣時，在鋼塔軸線控制點上均用沖眼標記，且采用小棱鏡進行測量。

4) 坐標法放樣的精度主要受測距誤差、天頂距測量誤差和水平角測量誤差三方面的影響。由于設站在每節段鋼索塔外側，距離很小，天頂距約90°，水平角也很小，因此，極坐標法放樣引起的誤差很小。

5) 為檢驗安裝測量的精度，在鋼索塔外測邊緣固定測量輔助裝置并架設全站儀，調整使儀器中心在上、下游鋼索塔Y1或Y2之間的延長線上，通過測距方式求得上、下游鋼索塔之間的中心距，并與軸線放樣點的坐標進行對比驗證。

2. 高程測量方法

鋼索塔高程測量包括絕對高程和鋼索塔節段四角相對高差測量。

1) 以中塔承臺上既有首級控制網跨河水準點作為高程控制點，采用高程傳遞方法測量每節段鋼索塔頂面的絕對高程。目前在高層建筑物施工中高程傳遞的主要方法有：懸掛鋼尺法、三角高程法、全站儀+彎管目鏡天頂測距法[4]。其中，自由設站全站儀天頂測距測高法原理如圖2所示，該法具有簡單明了、精度高、操作方便靈活、受風霧等氣候影響小等特點[4-6]。

圖2 自由設站全站儀天頂距測高原理

2) 鋼索塔節段頂面四角高差測量：通過在鋼索塔頂面采用能固定到鋼索塔可卸載的測量輔助裝置上架設水準儀，采用直接測量方法進行，操作方便，精度高且可靠。

鋼索塔安裝歷時長，隨著高度的增高和外在環境天氣的漸變，由于熱脹冷縮現象，鋼塔高度隨溫度的變化較大。每節段測量高程時，應根據實際溫度將實測鋼索塔高度改正到設計標準溫度下的塔高，保證塔高基準的一致性。其次，應根據實測數據對調節段進行墊片微調，減小累積誤差，使得最終塔高滿足設計和施工的要求。

三、實測結果與分析

圖3為鋼索塔T1—T21鋼索塔架設的垂直度結果圖，圖中縱坐標系為偏差值，上橫坐標為對應鋼索塔編號，下橫坐標表示鋼索塔接口編號；每個圖框內外側兩條斜線為最大允許偏差，其余兩條折線為順、橫橋向的實測偏差。從圖3中可以看出，鋼索塔所有節段及最終成橋垂直段均滿足要求；T1—T4鋼索塔安裝累積誤差發生偏差，在T5調節段的J6連接處根據測量數據調節并采用鋼橫支撐和千斤頂進行頂推到位，再進行后續節段的安裝；同樣在其他調節段均采用這些方法來有效減少鋼索塔的偏移。

圖3 鋼索塔節段垂直度結果圖

表1為鋼索塔架設垂度數值指標，鋼索塔最低精度為上游塔柱順橋向(1/177 50)，遠遠優于規范和設計的1/4000要求，下游塔柱最終高程略超限，分析主要可能原因有：鋼索塔架設歷時長約9個月，隨著塔柱施工重量的增加承臺有一定量的下沉，途中歷經一次控制網復測；從控制網復測成果看來，較上一次復測，承臺下沉了約4.4～4.8 mm；鋼索塔自身由于重量原因存在一定壓縮。但整體來說，上、下游塔柱高差較小，對整個鋼索塔和后續工程的影響很小，滿足工程設計和施工的要求?？梢?，本文的鋼索塔安裝測量控制方法可靠且可行、精度較高。

表1 鋼索塔架設最終垂度指標

注：橫橋向往上游方向為正，順橋向以里程增加方向為正。

四、結 論

1) 鋼索塔安裝誤差逐層累積且只能在調節段才能根據四角高差進行墊片微調，因此，對安裝測量的數據可靠性和精度要求高，需根據施工工藝及現場測量條件選擇合理可行的測量方法。同時，考慮到鋼索塔受日照影響產生形變的因素，應選擇在夜間22∶00至凌晨5∶00大氣穩定的時間段進行測量。

2) 本文中自由設站全站儀天頂距測高法，具有操作方便、精度高等特點，是高層建筑高程測量中比較有效的測量方法。

3) 鋼索塔首節段的定位對最終鋼索塔的垂直度影響顯著，應確保首節段施工測量的精度，并進行復核測量。

4) 鋼索塔安裝歷時長，隨著高度的增高和外在環境天氣的漸變，塔自身高度隨溫度的變化比較大；測量時把不同溫度下的塔高根據實測溫度按鋼索塔膨脹系數進行改正到設計標準溫度下的塔高，以保證塔高基準的一致性。

參考文獻：

[1] KIMITOSHI M, SHIRO O, TETSURO F,et al. Study of Estimation for Figure and Damage of a Steel Pylon Foundation [J]. NipponKoei Technical Forum, 2002, 25(10): 77-84.

[2] 魏浩翰, 何立恒, 隋銘明，等. 南京長江三橋鋼索塔現場拼裝測量的關鍵技術[J]. 南京林業大學學報：自然科學版, 2009, 33(1):101-105.

[3] 鄭德華. 特大型橋梁首級平面施工控制網的必要精度研究[J]. 測繪通報, 2003(6): 20-23.

[4] 王巖, 岳建平, 馬保衛，等. 三種高程傳遞方法的精度分析[J]. 北京測繪, 2005(1):20-24.

[5] 陳鐵鑫, 任少華, 王巖. 高層建筑的高程傳遞方法及精度分析[J]. 現代測繪, 2007, 30(5): 6-8.

[6] 雷巨光, 劉成龍, 高淑照. 全站儀中的新技術在高層建筑垂直度監測中的應用[J]. 測繪, 2009, 32(1): 26-29.