三維空間坐標(biāo)測量在本溪北地跨線橋鋼拱塔施工測量中的應(yīng)用

王傳杰

摘要：文章通過對三維空間坐標(biāo)測量基本原理的分析，確定測量誤差的主要來源，在施測過程中制定相應(yīng)的質(zhì)量控制措施，保證三維空間坐標(biāo)測量滿足橋梁工程測量的精度要求，成橋后線型達(dá)到設(shè)計理想的線型，并以本溪北地跨線橋?yàn)槔M(jìn)行說明。

關(guān)鍵詞：三維空間坐標(biāo)測量;精度分析;獨(dú)塔斜拉橋;鋼拱塔;橋梁工程 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U445 文章編號：1009-2374（2016）04-0092-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.047

1 概述

斜拉橋是高次超靜定的力學(xué)體系。本溪橋塔、梁、索同步施工，施工過程中塔、梁、索、力與變形相互影響，同時又受溫度和眾多施工隨機(jī)因素的影響，使得線型控制難以達(dá)到理想的范疇。通過采用三維空間坐標(biāo)法很好地解決了這個問題。最終成橋后，主體結(jié)構(gòu)的線型達(dá)到了設(shè)計理想的線型，即達(dá)到了成橋合理狀態(tài)。

北地跨線橋工程位于本溪市城市中心區(qū)域，南起北地廣場，向西北方向連續(xù)跨越本溪火車站、本溪鐵路車輛段、本鋼本部車場、太子河，終點(diǎn)位于太子河北岸，主橋結(jié)構(gòu)形式為獨(dú)塔斜拉橋，引橋采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁和預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁。主橋跨徑布置為（32.5+40+30.76）m+（152+48+42）m。

鋼拱塔單肢斷面為單箱多室布置;鋼拱塔共分為43個施工節(jié)段，其中單肢劃分為21個節(jié)段（T1～T21），設(shè)20個拼接接縫，節(jié)段長度為2.6～5.4m，節(jié)段重量為21.8～47.0t（T1節(jié)段）;合攏段一節(jié)（T22），設(shè)2個拼接接縫，節(jié)段高度3.648m，重24.5t。

鋼拱塔T1節(jié)段伸入混凝土下塔墩內(nèi)4m，與混凝土塔墩采用40束3Φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼束錨固于承臺混凝土內(nèi)形成鋼混結(jié)合段，張拉端位于T2節(jié)段1.8m處箱內(nèi)錨板處，張拉控制應(yīng)力為1357.8MPa。

2 施工特點(diǎn)及施工測量的內(nèi)容

2.1 施工特點(diǎn)

鋼拱塔分節(jié)段在工廠集中制造成構(gòu)件單元，通過便道運(yùn)輸至現(xiàn)場，在20#墩布置動臂塔吊，提升吊裝鋼塔節(jié)段，進(jìn)行原位節(jié)段拼裝，部分斜拉索掛索與鋼塔節(jié)段拼裝同步進(jìn)行，拼裝時通過斜拉索利用已滑移到位的鋼箱梁作為配重。鋼塔首節(jié)通過勁性骨架預(yù)埋在下塔墩內(nèi)，第二節(jié)鋼塔吊裝定位后與首節(jié)塔柱焊接，依次施工其他節(jié)段，直至鋼塔施工完成。鋼拱塔原位拼裝過程中，兩肢之間設(shè)置臨時支撐。鋼拱塔拼裝完成后再掛設(shè)剩余斜拉索。

施工總體流程：鋼混結(jié)合段施工（T1、T2節(jié)段施工，塔-墩固結(jié)）→安裝T3～T21節(jié)段→安裝合攏段T22。

2.2 施工測量的內(nèi)容

北地跨線橋鋼拱塔施工測量的主要內(nèi)容：鋼拱塔節(jié)段單元定位測量，鋼拱塔監(jiān)控測量。

3 塔柱施工測量及監(jiān)控測量的精度要求

3.1 塔柱施工測量精度要求

主塔軸線水平偏位≤±10mm;兩根塔柱橫橋向中心距≤±5mm;塔柱軸線縱、橫向傾斜度≤H/3000;塔頂高程偏差≤±10mm;塔柱截面尺寸≤±20mm。

3.2 塔柱監(jiān)控測量的精度要求

索塔的縱向、橫向偏差應(yīng)控制在H/2500以內(nèi);索塔高度H偏差小于10mm;塔柱中心距（接縫處）偏差小于4mm。

4 三維空間坐標(biāo)法測量的精度分析

4.1 極坐標(biāo)放樣的精度分析

全站儀進(jìn)行極坐標(biāo)放樣，影響放樣點(diǎn)位精度的主要誤差來源包括儀器安置在測站上的對中誤差對放樣點(diǎn)位的影響、測設(shè)方位角的測角誤差影響、測距誤差影響以及放樣點(diǎn)標(biāo)定的誤差等。

4.2 EDM三角高程放樣精度分析

4.2.1 EDM三角高程測量計算公式

EDM三角高程測量是通過觀測兩點(diǎn)間的水平距離和天頂距（或者高度角）求定兩點(diǎn)間高差的方法。由于測量距離比較長，必須顧及地球彎曲差和大氣垂直折光的影響。

圖3所示：A為測站;HA為測站高程;HI為測站儀器高度;B點(diǎn)為置鏡點(diǎn);HB為待測點(diǎn)高程，即前點(diǎn)高程;HR為棱鏡高度;L為儀器與棱鏡間的斜距;D為儀器高程面的水平距離;Z為儀器瞄準(zhǔn)棱鏡的天頂距;△f1為地球曲率引起的高差;△f2為大氣折光引起的高差。B點(diǎn)的高程計算公式為：

由上式看出，采用單向三角高程測量時，由于地球曲率及大氣垂直折光的影響，往往會使測得高差與實(shí)際值不符，且隨著距離的加大而成級數(shù)增加。實(shí)際測量時，只需對全站儀進(jìn)行儀高、棱鏡高、氣象參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后，全站儀直接顯示兩點(diǎn)間的高差。

4.2.2 EDM三角高程測量的中誤差分析

將HB計算公式進(jìn)行全微分得：

5 提高三維空間坐標(biāo)法測量精度的措施

5.1 提高極坐標(biāo)放樣精度的措施

5.1.1 選擇有利的觀測時間，一天中上午日出后半小時至1個半小時，下午日落前3小時至半小時為最佳觀測時間，陰天、有微風(fēng)時，全天都可以觀測。

5.1.2 選擇有利的觀測條件，安穩(wěn)腳架、打傘遮陽等，使外界條件的影響降低到最小程度。

5.1.3 測線以遠(yuǎn)離地面為宜，離開地面的高度不應(yīng)小于2m。

5.1.4 在測線兩端分別量取溫度和氣壓，然后取平均值。

5.1.5 儀器參數(shù)設(shè)置。（1）氣象改正。直接將溫度、氣壓、輸入到儀器中;（2）加常數(shù)。當(dāng)使用不同的棱鏡時，則應(yīng)在儀器內(nèi)設(shè)置不同的反射棱鏡常數(shù)。為了在距離顯示值中消除加常數(shù)的影響，直接輸入儀器中;（3）補(bǔ)償器及軸系誤差改正功能應(yīng)處于“開”的狀態(tài)。

5.1.6 測站和鋼拱塔上的測量點(diǎn)距離控制在500m

以內(nèi)。

5.1.7 測量時采用盤左、盤右測量，構(gòu)成一個測回，則mo/=2.12mm，放樣限值或容許誤差取2mo/，即md=±2×2.12=±4.2mm。

5.2 提高EDM三角高程放樣精度的措施

5.2.1 選擇有利的觀測時間，一天中上午日出后半小時至1個半小時，下午日落前3小時至半小時為最佳觀測時間，陰天、有微風(fēng)時，全天都可以觀測。

5.2.2 選擇有利的觀測條件，安穩(wěn)腳架、打傘遮陽等，使外界條件的影響降低至最小程度。

5.2.3 測線以遠(yuǎn)離地面為宜，離開地面的高度不應(yīng)小于2m。

5.2.4 在測線兩端分別量取溫度和氣壓，然后取平均值。

5.2.5 儀器參數(shù)設(shè)置。（1）氣象改正。直接將溫度、氣壓輸入到儀器中;（2）加常數(shù)。當(dāng)使用不同的棱鏡時，則應(yīng)在儀器內(nèi)設(shè)置不同的反射棱鏡常數(shù)。為了在距離顯示值中消除加常數(shù)的影響，直接輸入儀器中;（3）補(bǔ)償器及軸系誤差改正功能應(yīng)處于“開”的狀態(tài)。

5.2.6 量儀器高和標(biāo)桿或棱鏡高度，應(yīng)從不同的方向測量，取其平均值。

5.2.7 測站和鋼拱塔上的測量點(diǎn)距離控制在500m以內(nèi)。

5.2.8 測量時采用正倒鏡觀測，mo=2.96/=2.09mm，極限誤差或容許誤差取2倍中誤差，2mo=4.2mm。

6 三維空間坐標(biāo)法在本溪北地跨線橋鋼拱塔施工測量中的應(yīng)用

6.1 鋼拱塔施工測量

下塔墩采用定型鋼模施工，分兩次澆筑，首次澆筑至鋼拱塔T1節(jié)段底口處，利用動臂塔吊吊裝T1節(jié)段，鋼拱塔底節(jié)T1定位裝置由高0.5m、0.3m的焊接H400×150型鋼及其底座預(yù)埋件組成。塔墩澆筑第一次混凝土?xí)r預(yù)埋導(dǎo)向限位裝置預(yù)埋件，預(yù)埋件由鋼板和錨固鋼筋組成。

首節(jié)安裝時使用三維空間坐標(biāo)法在預(yù)埋件上放樣出T1節(jié)段下口四角點(diǎn)三維坐標(biāo)，利用動臂塔吊吊裝節(jié)段鋼拱塔至放樣點(diǎn)位，然后按上述方法測量T1節(jié)段上口四角點(diǎn)三維坐標(biāo)，與設(shè)計坐標(biāo)相比較，若超出誤差范圍，利用千斤頂進(jìn)行空間位置的調(diào)整，逐步逼近，使之達(dá)到要求，立即鎖定焊接。安裝T2節(jié)段時，底口與T1節(jié)段上口臨時鎖定，使用三維空間坐標(biāo)法測量T2節(jié)段上口四角點(diǎn)三維坐標(biāo)，若滿足誤差要求，可以焊接兩節(jié)段鋼拱塔，否則通過設(shè)置在節(jié)段上的千斤頂調(diào)整上口位置直至合格。以此類推完成鋼拱塔施工。

6.2 鋼拱塔監(jiān)控測量

T10節(jié)段吊裝就位，掛設(shè)C6#～C7#、C6`#～C7`#斜拉索并張拉至控制噸位，在T10節(jié)段設(shè)置第一道橫撐。鋼塔線型監(jiān)測，使用三維空間坐標(biāo)法測量T10節(jié)段反射片，觀測數(shù)據(jù)提供給監(jiān)控單位。

T11～T12節(jié)段吊裝就位，掛設(shè)C8#～C9#、C8`#～C9`#斜拉索并張拉至控制噸位;T13～T14節(jié)段吊裝就位，掛設(shè)C10#～C11#、C10`#～C11`#斜拉索并張拉至控制噸位;T15節(jié)段吊裝就位，掛設(shè)C12#～C13#、C12`#～C13`#斜拉索并張拉至控制噸位，在T15節(jié)段設(shè)置第二道橫撐。鋼塔線型監(jiān)測使用三維空間坐標(biāo)法測量T10、T15節(jié)段反射片，觀測數(shù)據(jù)提供給監(jiān)控單位。

T16節(jié)段吊裝就位，掛設(shè)C14#～C15#、C14`#～C15`#斜拉索并張拉至控制噸位;T17節(jié)段吊裝就位，掛設(shè)C16#～C18#、C16`#～C18`#斜拉索并張拉至控制噸位;T18～T20節(jié)段吊裝就位，在T20節(jié)段設(shè)置第三道橫撐。鋼塔線型監(jiān)測，使用三維空間坐標(biāo)法測量T10、T15、T20節(jié)段反射片，觀測數(shù)據(jù)提供給監(jiān)控單位。

T21節(jié)段吊裝就位，調(diào)整合攏口并精確定位，吊裝合攏段T22。鋼塔線型監(jiān)測，使用三維空間坐標(biāo)法測量T10、T15、T20節(jié)段反射片，觀測數(shù)據(jù)提供給監(jiān)控單位。

掛設(shè)C1#～C5#、C1`#～C5`#斜拉索并張拉至設(shè)計噸位;補(bǔ)張拉C6#～C18#、C6`#～C18`#斜拉索至設(shè)計噸位;掛設(shè)C19#～C22#、C19`#～C22`#斜拉索并張拉至設(shè)計噸位，成橋。鋼塔線型監(jiān)測，使用三維空間坐標(biāo)法測量T10、T15、T20節(jié)段反射片，觀測數(shù)據(jù)提供給監(jiān)控單位。

6.3 測量成果

鋼拱塔定位測量及監(jiān)控測量時平面坐標(biāo)限值取2mo/，即md=±2×2.12=±4.2mm，高程極限誤差取2倍中誤差，2mo=4.2mm，滿足鋼拱塔定位及監(jiān)控測量的精度要求。最終成橋后，主體結(jié)構(gòu)的線型達(dá)到了設(shè)計理想的線型，即達(dá)到了成橋合理狀態(tài)。該橋被評為省優(yōu)質(zhì)工程。

7 結(jié)語

在本溪北地跨線橋鋼拱塔施工測量中，針對徠卡TCR1201全站儀三維空間坐標(biāo)法測量的特點(diǎn)及鋼拱塔施工測量、鋼拱塔監(jiān)控測量不同的精度要求，采取不同的精度控制措施，并且測量效率高，已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用。此項(xiàng)技術(shù)在復(fù)雜橋梁測量中將發(fā)揮重要作用，省時省力、精度可靠，降低了施工測量成本。該橋測量方法的運(yùn)用取得了理想的效果，可為今后同類工程施工測量提供借鑒。

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（責(zé)任編輯：秦遜玉）