鋼結構橋梁施工中溫度及變形監控方法

孔屹松 王凱 朱其操

摘要：文章以烏蘭木倫河三號橋測量機器人的使用為例，介紹了鋼結構橋梁施工中溫度及變形監控的方法，主要包括控制點選點、臨時墩制作、測量機器人使用、周期測量、變形數據分析等，并通過測量機器人的使用，重點對鋼結構溫度及變形進行監測，為施工現場提供準確數據。

關鍵詞：鋼結構橋梁;測量機器人;變形監控;溫度監控

中圖分類號：U441⁺5文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.008

文章編號：1673-4874（2021）01-0028-04

0引言

在鋼結構橋梁施工中難免由于溫差導致鋼板結構熱脹冷縮變形，給施工帶來不便[1-2]。為了加快施工進度，保證工程質量，不僅需要保證施工體系的安全有效，還需要尋找出鋼板受溫度熱脹冷縮影響的變化量，為施工提供指導[3-4]。為此引入了測量機器人應用于橋梁施工的監控中。

徠卡TS60全站儀（測量機器人）是一種能夠代替人工進行自動搜索、跟蹤、辨識和精準照準目標并獲取角度、距離、三維坐標以及影像等信息的智能型全自動電子全站儀。它是在普通全站儀的基礎上集成馬達、CCD影像傳感器構成的視頻成像系統，并配置智能化控制及應用軟件發展而形成的。測量機器人的自動化測量，能夠相對減少人員配備，提高經濟效益，減少人為誤差，提高測量精度以及數據的可靠性，可以設置測量周期，為分析數據提供可靠依據[5-7]。

1工程概況

烏蘭木倫河3號橋是國內首座雙飛翼城市景觀特大橋梁，跨徑布置為（5+74+200+64+5）m，屬中承式復式鋼箱拱橋。鋼箱梁跨度為348m，橋面為1.68%的單向縱坡段，1.5%的雙向橫坡，高度為3.5m，變截面寬度為42～65m。主拱結構為飛翼式鋼箱拱，向道路中心線外傾17。，跨度為200m，截面高為3m，寬為4m，采用曲形曲做，面內矢高為75m。副拱結構為內傾式鋼箱拱，向道路中心線內傾45°，兩側副拱跨度分別為326m、330m，標準段尺寸高寬均為2.0m，變截面段尺寸高2.0～3.0m，寬2.0～3.0m，面內矢高為35m。

鄂爾多斯市烏蘭木倫河3號橋主副拱及鋼箱梁全部采用鋼結構制造，并采取支架法進行安裝。由于當地溫差大，鋼結構數量龐大，通過普通方法測量鋼板變形存在誤差大，測量周期不定，也不能完全達到要求，故測量機器人在鋼結構橋梁中的運用成為不可或缺的一部分。

2控制點選點

在本橋南北岸、上下游共布設5個控制點，分別為G1、G2、G3、G4、G5（見圖1）?？刂泣c選點需滿足以下需求：

（1）相鄰導線點通視;

（2）選點地質堅硬，穩定;

（3）地勢高便于加密控制點及施工測量放樣。

3控制墩制作

測量機器人屬于高精度儀器，不可使用三腳架直接擺放儀器進行測量，需使用鋼筋混凝土結構制作控制墩，保證測量機器人的穩定性?？刂贫招璋凑諟y量一級控制點布設的原則，視野開闊，地勢較高，便于觀測。墩頂預埋強制對中盤，確保每次儀器架設在同一個坐標不變。

4監測棱鏡布設

在鋼管支架頂部布設棱鏡，24h監測變形情況，直至拱肋吊裝前。若支架無明顯變形，可進行拱肋吊裝作業;若支架變形量超過設計規范允許范圍，則需要重新加工支架，直至變形量符合設計規范要求方可進行吊裝。

在外界條件相同的情況下，根據鋼箱梁及拱肋的節段、高度和特殊位置需布設小棱鏡。每節鋼箱梁及拱肋兩端、拱頂、拱肋錨管附近等位置也需布設，拱肋吊裝定位完成后需24h進行持續監測拱肋的變形量。

5記憶學習

測量機器人架設在觀測墩上，并在觀測墩頂面安裝強制對中盤，調平后，儀器穩固不易動，后視棱鏡也穩固地架設在另一個觀測墩上。儀器與電腦使用電纜線連接，通過電腦軟件進行四步定向后，便可進行自動化監測。

機器人測量之前需要進行第一輪手動觀測，使機器人記憶棱鏡位置，后設置觀測周期，每次觀測找到指定位置后再進行掃描觀測，節省測量時間，明確測量目標。

6周期測量

當觀測時間較短時，機器人可以設置不間斷觀測，從而得出完整數據，分析目標實時變化情況;當觀測時間較長時，采取不間斷觀測導致數據過多，使得數據處理不便，占用內存空間過大，故根據現場實際情況以及觀測時間長短設置觀測周期，一般不宜超過3h/次。

7數據分析

測量機器人觀測配套軟件可生成觀測目標三向位移變量，可以直觀地看出目標點的變形，同樣可以導出數據，結合觀測的環境溫度、鋼板溫度等對其變形進行分析。分析數據過程時需考慮環境溫度、鋼板溫度、箱梁荷載、現場吊裝等對其的影響，綜合判斷，及時給出預偏值，從而更加精確地控制吊裝精度。

7.1溫度測量

測量環境溫度以及鋼板溫度，分析鋼板溫度隨環境溫度變化規律（排除光照及其他因素的影響），通過鋼板溫度分析拱肋變形位移，從而得出最佳調節拱肋軸線以及標高的時間和拱肋合龍時間（見表1）。

以右幅主拱S1節段鋼箱拱為例，通過對同一時間段的右幅主拱S1節段鋼箱拱順橋向變形以及鋼結構表面溫度變量分析，將監測數據導入SPSS統計分析軟件，如圖2所示，通過散點圖可知，其關系成線性關系，通過線性擬合，得到結果：

Y=0.57X-9.333（1）

式中：Y——鋼箱拱順橋變形，mm;

X——鋼結構表面溫度，℃。

對分析結果進行復核，代入右幅主拱S1節段所有監測數據，最大誤差為3.57mm，最小誤差為0.01mm，平均誤差為1.077mm。利用此方法，可得出鋼箱拱節段變形量與鋼結構表面溫度的線性關系。

7.2變形測量

由拱肋各個節段受溫度影響變化數據分析可知：

（1）鋼結構表面溫度隨環境溫度變化而變化，鋼結構表面溫度白天最高可達63℃，拱肋變形量也達到最大值。

（2）當鋼結構溫度恢復到常溫時，拱肋的變化量又恢復到初始值，下午5：00至次日早上6：00幾乎無變形，為最佳合龍時間段。

（3）右幅主拱S1節段吊裝完成后連續6d監測點隨溫度變化歷程曲線見圖3。主拱S1節段是拱腳節段，順橋方向、橫橋方向、豎直方向的變化量基本上不變，受溫度影響很小。

（4）右幅主拱S13節段吊裝完成后連續6d監測點隨溫度變化歷程曲線見圖4。受溫度影響，拱肋S13節段是拱頂節段，其變化量最大，橫橋方向最大變化量為4cm，順橋方向最大變化量為2cm，豎直方向變化量基本不變，拱肋變形受支架變形影響很小，可忽略不計。

（5）拱肋順橋向變化量有在5mm內的非彈性變形，超過矩陣支架變化量也有在8mm內的非彈性變形。

根據SPSS統計分析軟件線性關系式，計算出在不同環境溫度和鋼結構表面溫度下的拱肋變形量，根據計算得到拱肋吊裝的預偏值，從而更加精確地控制吊裝精度。

8結語

本文以烏蘭木倫河3號橋測量機器人的使用為例，詳細介紹了鋼結構橋梁施工中溫度監控的方法，包括控制點選點、測量控制墩制作、棱鏡布置、儀器設置、記憶學習、環境、鋼板溫度測量、周期測量以及分析變形數據等。

對環境溫度、鋼結構表面溫度與拱肋變形位移量進行分析，使用SPSS統計分析軟件，計算歸納總結溫度與拱肋變形位移量的線性關系，可為拱肋在不同溫度下吊裝和拱肋合龍提供依據。

參考文獻

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