提籃式系桿拱橋測量控制技術

吳 斌

(中鐵十四局集團第二工程有限公司,山東 泰安 271000)

0 引言

目前,橋梁不斷向著更長、更大和更柔方向發展,系桿拱在結構體系和施工方法上都具備卓越優勢,結構新穎、造型優美,成為拱橋發展的引導性潮流,跨徑不斷被突破,在城際鐵路中系桿拱橋已屢見不鮮[1]。提籃式系桿拱橋兼具拱與梁的特性,受力特征清晰:主梁主要受彎,拱肋主要承壓,系桿承擔拱腳水平推力,充分發揮被組合簡單系統的受力性能,獲得了更強的跨越能力[2]。另一方面,提籃拱施工工藝復雜、水上施工難度大、測量精度要求高,城際鐵路要求高精度的幾何線性參數和高平順性的乘客體驗,特別是當采用提升豎轉[3]的施工方法時,如何保證高精度合龍及線形符合設計要求,測量工作在全過程中顯得尤為重要,必須建立一套區別于傳統鐵路工程測量的高精度的測量系統[4]。

1 工程概況

新建石家莊至衡水至黃驊港城際鐵路李天木跨捷地減河特大橋51號墩—52號墩跨越捷地減河采用下承式雙線簡支拱橋形式,系梁全長131 m,計算跨度128 m,矢跨比f/L=1∶5,拱肋立面投影矢高25.351 m,拱肋在橫橋向內傾8°呈提籃式,吊桿采用尼爾森體系,在吊桿平面內,吊桿水平夾角在52.39°～71.18°之間,橫橋向水平夾角為82°。拱頂處兩拱肋中心距9.774 m,拱肋橫斷面采用啞鈴型鋼管混凝土等截面,截面高度h=3.4 m,鋼管直徑為1.2 m。本橋采用先梁后拱的施工方式,梁體采用摩擦樁+鋼管貝雷結構施工,鋼管拱肋在已施工完成的梁體上拼裝合龍,每一拱肋劃分為11個節段預制,根據吊桿錨頭和橫撐位置每片拱肋劃分為2個拱腳預埋段、8個中間吊裝段和1個中間合龍段。橋梁路線平面位于直線段,路線縱斷面處于4‰的坡段上。橋梁立面圖平面如圖1,圖2所示。

該橋位于4‰的縱坡上,縱橋向(里程)的確定需要將拱旋轉再投影至水平面計算;拱肋在橫橋向內傾8°呈提籃式,橫向橋(偏距)的確定需要將拱投影至鉛垂面再計算。該拱坐標計算考慮因素較多,且建設標準屬于高速鐵路,對測量精度的要求也更高。

2 拱橋獨立控制網布設

為保證系梁與拱肋控制點坐標的一致性,需要在51號墩—52號墩周邊建立獨立控制網,控制網橋下與橋上相結合,系梁施工利用橋下控制點控制,拱肋安裝主要利用橋上控制點控制[5]。

2.1 平面控制網布設

利用鐵路既有的CPⅠ,CPⅡ控制點并埋設橋下、橋上加密點組成平面控制網。采用GNSS靜態測量的方式進行測量,平面控制網等級采用鐵路四等[6-7],時段長度不小于45 min,衛星高度角不小于15°,GPDP值不大于10,約束平差后最弱邊邊長相對中誤差滿足1/70 000。將CPⅠ037,CPⅡ095,CPⅡ096作為已知點,對加密點JM01—JM06進行二維約束平差。控制網網形圖見圖3。

2.2 高程控制網布設

3 系梁施工測量控制

系梁為等截面箱梁,梁寬16.5 m,梁高2.5 m,系梁采用支架現澆的形式澆筑,測量控制與普通簡支箱梁類似,較為簡單,拱腳和吊桿套管預埋是測量控制的重點。

3.1 拱腳預埋管測量控制

拱腳預埋管坐標計算時,要考慮因縱坡引起縱向與水平面存在的夾角,夾角為0°13′45″;橫向考慮提籃拱平面內傾8°的影響,分別對水平面和垂直面進行投影。拱腳位置以放樣點1—5確定,預埋管以放樣點6,7來控制(見圖4)。各點位采用全站儀來進行放樣,放樣精度控制在10 mm以內,放樣完成后要固定好拱腳模板及預埋鋼管,在混凝土澆筑過程中隨時監控各點位的位移變化,若出現大的偏差,立即進行校正[8]。

3.2 系梁吊桿預埋套管測量控制

在系梁混凝土澆筑前需要在梁頂板預埋吊桿預埋套管[9],梁體預埋套管待拱肋安裝完成后通過吊桿將梁體與拱連成整體,這要求梁體預埋套管的預埋精度要高。首先應計算預埋套管下錨點坐標,內外吊桿下錨點在橫橋向和垂直方向固定,不用考慮投影的影響計算較為簡單;吊桿預埋套管管口是測量控制的重點,內外吊桿縱向水平面呈一定的角度,橫向傾向內側8°(見圖5)。以內吊桿1′為例,計算該套管口中心D點的縱向、橫向、垂直距離。

套管口中心D點縱向距離AB=AD×cosβ。

套管口中心D點橫向距離CB=AD×sinβ×sin8°。

套管口中心D點垂直距離CD=AD×sinβ×cos8°。

其中,AD為套管長度,m;β為吊桿拱平面傾角,(°);AB為套管口距下錨點的縱向距離,m;CB為套管口距下錨點的橫向距離,m;CD為套管口距下錨點的垂直距離,m。

套管安裝過程中利用角度尺控制縱向和橫向傾角[10],初步固定后使用全站儀校正套管中心位置,位置偏差控制在10 mm以內,在混凝土澆筑過程中,要隨時監控套管的位移變化,及時調整套管姿態。

4 拱肋支架安裝測量控制

梁體施工完成后需要在梁面上設置支架[11],為拱肋安裝提供支撐和焊接平臺。支架頂部設置半月板,拱肋拼裝時直接將拱肋吊裝至半月板頂部,拱肋底部將不再發生位移,故支架半月板的安裝精度決定著拱肋的安裝精度,拱肋支架布置見圖6。

4.1 拱肋支架測量控制

在梁面澆筑時設置預埋鋼板,預埋鋼板的位置應按照設計位置去放樣。梁體澆筑完成后,支架垂直的安裝在梁面上,安裝時應對支架的四個支腿整平,吊立過程中用全站儀實時監控支架的垂直度,保證支架安裝在設計位置。

4.2 支架半月板安裝測量控制

支架安裝完成后,在支架大小里程側安裝半月板[12],半月板中心為拱肋下鋼管的最低點,如圖7所示。半月板中心里程為支架里程,半月板中心里程所對應的高程可在拱立面圖中量出,其相對拱原點的內移值可根據下列公式求得。

L=[H+0.006-H1-(D-D1)×4‰]/cot(8°)+0.084。

其中,L為內傾后相對于拱原點的內移值,m;H為半月板里程在拱立面所處的高程,m;H1為拱原點高程,m;D為半月板里程,m;D1為拱原點里程,m。0.006為拱平面最低點A和垂直投影面最低點B間的高差,0.084為拱平面最低點A和垂直投影面最低點B間的水平距離。

通過上式求得內移值后,可根據曲線要素求得半月板中心坐標,校正半月板中心坐標應采用全站儀,坐標偏差控制在10 mm以內。

5 拱肋安裝測量控制

5.1 拱肋安裝前準備工作

1)拱肋安裝前要檢查拱肋的加工精度,重點檢查鋼管尺寸、拱肋縱向長度、弧度、吊桿上錨箱位置,復核預埋拱腳、吊桿預埋套管的位置。2)在拱肋管口上下軸線位置貼反射貼片,便于全站儀測量坐標。

5.2 拱肋安裝測量精調

支架及半月板定位完成后,開始吊裝拱肋,拱肋安裝從拱腳側逐節往拱頂側安裝,合龍段設在拱頂。每一節段拱腳側與上一節相連,測量控制以控制拱頂側上下鋼管軸線為主,具體測量方法為:

1)架設全站儀,由測量人員測得鋼管軸線坐標,根據線路要素反算該點的里程。

2)根據實測計算出的管口里程求得該點在拱立面圖中對應的高程,再根據里程、高程計算相對于拱軸線原點的內移值,進而確定橫向偏距,由于下管軸線與半月板中心重合,這里只計算上管口軸線內移值,計算公式為:

L=[H-0.006-H1-(D-D1)×4‰]/cot(8°)+0.084。

3)根據計算所得的上下管口軸線坐標與實際管口軸線對比,指揮安裝人員將拱肋軸線調至計算位置。校正拱肋時要固定拱腳側管口,先調整高程,再橫向調節,直至調整到規范要求以內,允許偏差見表1。

表1 拱肋節段拼裝允許偏差

5.3 吊桿安裝測量控制

吊桿安裝精度控制的重點主要是在兩個階段:一是在梁體澆筑前要準確控制吊桿預埋套管的位置,要保證下錨點和預埋套管管口的定位精度;二是在拱肋安裝時要精確定位,拱肋精調完成后,測量上錨箱中心坐標,并與設計位置對比,偏差過大及時調整。

6 系桿拱完工復測

拱肋拼裝完成拆除支架后,架設全站儀復測拱肋及吊桿位置,經檢驗拱肋和吊桿孔的水平位置、高程滿足規范和設計要求。復測數據見表2,表3。

表2 拱肋位置復測數據

表3 吊桿位置復測數據(部分數據)

7 結語

提籃式系桿拱橋測量控制時要考慮縱向坡度和橫向內傾等因素的影響,要分別對水平面和垂直面進行投影,通過采用正確的計算方法,結合高精度的測量控制,實現了提籃式系桿拱的順利合龍。本文對提籃式系桿拱橋測量控制過程中的計算和實測方法進行歸納總結,為后續類似工程施工提供參考。