雙飛翼復式鋼箱拱橋測量技術研究

韋永昌 朱其操 王凱

摘要：文章以烏蘭木倫河3號橋為例，介紹了國內首座、亞洲最大跨徑雙飛翼復式鋼箱拱橋的加工制造及高空吊裝測量方法，并對體系轉換中的拱肋變形進行測量分析。鋼箱拱的測量工藝包括胎架放樣、拱肋加工復核、吊桿錨管定位等。吊裝測量的要點包括導線水準控制網布設、坐標系轉換、曲面拱肋定位點坐標計算、拱肋吊裝測量控制等。該測量方法可推廣用于其他類型的橋梁施工中，為同類工程提供經驗借鑒。

關鍵詞：雙飛翼;加工制作;高空吊裝;測量方法

中圖分類號：U448.22⁺3文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.005

文章編號：1673-4874（2021）01-0016-05

0引言

隨著我國國民經濟、交通事業的飛速發展，各類城市景觀大橋層出不窮且形式多樣[1-2]。各式景觀橋為達到美觀及藝術效果，呈現了各種造型，給測量帶來了巨大挑戰，雙飛翼復式鋼箱拱橋型是其代表性橋梁之一[3-4]。

烏蘭木倫河3號橋為國內首座特大跨徑的雙飛翼復式鋼箱拱橋，拱肋節段采用曲形制作工藝，主拱為曲線等截面對稱設計，副拱為直線變截面、直線等截面、曲線等截面三種截面形式結合且不對稱設計。拱肋各斷面不在同一樁號，旋轉角度不同，空間坐標計算難度大。主拱和副拱的吊桿錨點設計是長為0.8～2.07m不等的錨管，尤其主副拱吊桿的上下錨點均為錨管，錨管加工定位精度要求非常高。

雙飛翼復式鋼箱拱橋的加工制造及高空吊裝對測量技術提出了新的挑戰，高精度的測量技術是雙飛翼復式鋼箱拱橋上構順利施工的前提保障，為此，針對烏蘭木倫河3號橋開展了雙飛翼復式鋼箱拱橋測量技術研究。

1工程概況

主拱結構為飛翼式鋼箱拱，跨度為200m，向道路中心線外傾17°;面內矢高為75m，矢跨比約為1/2.6;面外矢高為70m，矢跨比約為1/2.7。兩主拱之間不設連系梁，主拱和主梁間亦不相連。主拱采用等高度拱肋，截面高4.0m，寬3.0m。

副拱結構為內傾式鋼箱拱，兩側副拱分別放于南北側岸上，根據所在位置不同，分為西側副拱和東側副拱。兩側副拱跨度分別為326m及330m。副拱均向道路中心線內傾45°;副拱面內矢高為35m，矢跨比約為1/9.3;面外矢高為24.7m，矢跨比約為1/13.1。兩副拱之間在與主拱距離較近的地方分別設置3對吊桿與主拱相連。副拱采用等高度和變截面高度相結合的拱肋，截面標準段尺寸高寬均為2.0m，變截面段尺寸為高2.0～3.0m，寬2.0～3.0m。

2加工制造測量技術

鋼箱拱加工制造前，要提前做好曲面拱肋的計算，便于復核拱肋制造線形。根據拱肋加工現場的實際情況，編制加工制造測量方案，進行實地拱肋胎架測量放樣及制作、拱肋及錨管加工、拱肋線形測量復核和錨管角度復核[5]。

2.1曲面拱肋計算

設計圖紙中拱的軸線平面內視圖設計坐標系如圖1所示，主拱拱腳軸線中心點為坐標原點，X軸以沿拱軸線前進方向水平線為正，Y軸以豎直向上為正。

主拱采用等高度拱肋，拱軸線采用2.1次拋物線，面內方程為：

（1）

式中：0≤X≤5m、187m≤X≤192m范圍內為混凝土拱座;5m≤X≤187m范圍內為鋼結構段;S0及S0'為鋼混結構段。

以左側主拱為例，進行拱肋坐標計算。根據面內方程利用Excel表格輔助計算，面內方程分別取X=0、0.2、0.4、0.6、…、191.4、191.6、191.8、192，進行Y值計算。

將（Y/X）坐標值導入CAD，擬合得到左側主拱2.1次拋物線的拱軸線，如圖2所示。

根據拱肋節段控制點D0、D1、D2、…、D12、D13、D12'、…、D2'、D1、D0'的位置畫出拱肋寬為4m的直線，再使用CAD三維立體制圖，以過拱肋節段控制點的水平線不變分別上下拉伸L1=L2=1.5m，以D0截面為例，如圖3所示。

利用此方法，即可得到左側主拱拱肋每個節段截面的空間三維圖，如圖4所示。

CAD三維立體制圖輸入面域拉伸（EXTRUDE）命令，選中D0截面，輸入途徑（P）命令，選中主拱2.1次拋物線的拱軸線，得到主拱左側拱肋圖，如圖5所示。

利用此方法，即可得到所有的拱肋加工制造線形圖。

2.2胎架控制測量

根據拱肋加工場地實際尺寸，將拱肋拆分幾部分進行拼接制造。以主拱為例，主拱胎架及拱肋加工如圖6所示，S0至S6為第1組;SO'至S6'為第2組;S7至S13為第3組;S7'至S12'為第4組。

建立拱肋加工坐標系，以左側胎架邊線中點為O點，水平方向右側為X軸的正方向，豎直向上為Y軸的正方向。選擇場地適當位置作為拱肋加工過程中全站儀觀測點，如圖6的A點，再取適當位置作為全站儀的后視點，如圖6的B、C兩點。使用全站儀坐標放樣法，將胎架的位置放樣出來，以此進行拱肋胎架的加工制造。

2.3拱肋加工測量

根據圖6所示的拱肋加工坐標系，使用道路之星軟件對4組拱肋加工線形進行計算程序編制，并將計算程序傳輸到卡西歐986O計算器。

拱肋加工放樣時，使用卡西歐9860計算器選擇需要放樣的一組拱肋計算程序，輸入相應的X值即可計算得到其相應的Y值。使用全站儀坐標放樣法，輸入（X，Y）坐標放樣即可。因拱肋曲率較大，X值采用每間隔0.5m放一個點加工拱肋線形，即每組拱肋放樣X取值為X_n+1=X_n+0.5，相應地計算得到Y值。

拱肋加工完成后，架設全站儀對拱肋坐標進行復測檢驗。

2.4錨管加工測量

拱肋的錨管加工定位難度大，錨管定位的精準度直接影響到后期吊桿安裝的準確性，需要嚴格測量把控，精密控制錨管位置和定位角度。

錨管加工測量控制步驟如下：

（1）如圖7所示，根據設計圖紙計算拱肋錨管開孔位置L0坐標，轉換成拱肋加工施工坐標，使用全站儀坐標放樣法放樣L0位置，在L0處按設計大小開孔。

（2）粗略安裝錨管，將錨管穿過錨孔，根據錨管伸出長度，定位錨管在L0的位置，根據錨管角度大致方向進行錨管臨時固定。

（3）隨后精準安裝錨管，用全站儀測量P1、P2、P3、P4四點，確定曲面P1、P4位置。

（4）根據設計錨管軸線L1、L2與曲面P1、P2、P3、P4的角度位置關系，使用全站儀將L1、L2兩點精確放樣，從L1處引線至L2，丈量錨管管壁至錨管軸線L1、L2的尺寸調整錨管的角度，當丈量各個方向的尺寸均等于錨管半徑時，則錨管角度已調好。

（5）復測P1、P2、P3、P4四點和錨管兩端中心點的坐標，檢驗錨管是否準確安裝。

（6）錨管精確定位好后，先臨時固定，防止人為或機械材料移動碰撞導致錨管產生偏位，然后再焊接固定。

3高空吊裝測量技術

3.1水準控制網布設

本橋南北岸、上下游各布設1個控制點，分別為D1、D2、D3、D4。為滿足測量需要，在南北岸橋臺左右兩側的人行道上加密4個控制點，分別為d1、d2、d3、d4（見圖8）。

3.2拱座坐標系轉換

以主拱為例，如圖9所示，P1左幅主拱拱座設計坐標定位點為1～1O，需先將拱座設計坐標轉換為施工坐標，再將施工坐標轉換為絕對坐標，方可用于測量施工。

設計圖紙中主拱座設計坐標系如圖10所示，P1主拱座坐標以P1承臺頂面中心點為坐標原點，X軸以沿道路前進方向水平線為正，即X軸為里程方向，Y軸以沿道路前進方向左側水平線為正，即Y為橫橋方向，Z軸豎直向上為正，即Z為標高方向。

P1承臺頂面中心點施工坐標為（K0+419，0，1281.145），即里程為K0+419、距離道路中心線為0、標高為1281.145，與設計坐標系中原點（0，0，0）相對應。

根據設計圖紙《直線、曲線及轉角一覽表》，將平面設計線計算程序編輯輸入道路之星軟件，由計算程序將施工坐標轉換成西安80坐標（絕對坐標系），即完成坐標轉換。

利用此方法，計算出另外3個主拱座和4個副拱座的施工坐標和西安80坐標。

3.3拱肋坐標系轉換

以主拱為例，需先將拱肋設計坐標轉換為施工坐標，再將施工坐標轉換為絕對坐標，方可用于測量施工。

主拱左側拱肋空間方程為：

（2）

（3）

式中：X取值范圍為：0≤X≤192m。右側拱肋沿道路中心線對稱布置即可。

計算步驟同“2.1曲面拱肋計算”方法，根據拱肋空間方程分別取X=0、0.5、1、1.5、2、…、191、191.5、192，加密計算得Y、Z值，進而得到相應的設計坐標，用“3.2拱座坐標系轉換”中的方法轉換坐標，得到西安80坐標系的坐標（X，Y，Z），再使用CAD三維立體制圖，輸入三維多線段（3dpoly）命令，把計算好的（X，Y，Z）坐標以多段線的形式導入CAD中，得到主拱左側拱肋軸線曲線三維空間位置圖。

利用此方法，分別畫出絕對坐標系下的主拱右側拱肋、副拱左側拱肋和副拱右側拱肋軸線曲線，如圖11所示。

利用CAD三維制圖對齊（align）命令，把“2.1曲面拱肋計算”的設計坐標系中的拱肋加工制造線形圖移動、旋轉至圖11絕對坐標系中的拱肋軸線曲線上，得到所有的拱肋設計實際拱肋空間圖。

根據圖10讀取每個拱肋節段相應的控制點坐標即可得到實際測量放樣的西安80坐標。

利用此方法，可計算出其他拱肋節段控制點坐標。

3.4拱肋吊裝測量

以主拱拱肋吊裝為例，吊裝測量步驟如下：

（1）在超高矩陣支架頂上鋪設施工平臺，使用全站儀坐標放樣法，如圖12所示，把拱肋前進方向端的左、右、下的三個角點（D、E、F三點）投影位置（A、B、C三點）粗略放樣到平臺上。

（2）拱肋吊裝時，先水平移動拱肋調整，使D、E、F三點投影剛好落在A、B、C三點正上方，在D、E、F三點分別掛鉛垂線，看鉛垂線是否準確落在之前精確放樣的A、B、C三點上，以驗證拱肋D、E、F三點平面位置是否準確。

（3）然后升降調整拱肋的鋼絲繩，沿鉛垂線丈量AD、BE、CF高度，當量得的AD、BE、CF尺寸分別等于拱肋截面D、E、F三點設計坐標標高與其投影位置A、B、C三點實測標高之差，則拱肋達到設計位置。

（4）為保證拱肋吊裝準確性，按以上方法使拱肋達到設計位置后，分別在拱肋節段截面的D、E、F、G四點人工手立小棱鏡，用全站儀觀測這四個點的實測坐標，對比這四個點的實測坐標與拱肋節段截面的四個點的設計坐標，當實測坐標誤差值在設計規范允許范圍內，則驗證拱肋已準確吊裝。

4體系轉換測量技術

吊裝完成后，逐步進行吊桿安裝、吊桿張拉和體系轉換。

以主拱為例，吊桿索布置如下頁圖13所示。主拱一主梁吊桿張拉順序由兩邊向中間張拉，即先張拉LZ01（RZ01）和LZ16（RZ16），最后張拉LZ08（RZ08）和

LZ9（RZ9）。主拱體系轉換則是由中間向兩邊轉換，即先拆除S13（S13'）節段的楔形塊支撐，最后拆除S1（S1'）節段的楔形塊支撐。

根據監控單位提供的體系轉換理論的《主拱變形位移量》進行實時監測統計，徠卡TS60全站儀每0.5h測一次監測小棱鏡，實時匯報體系轉換過程中的變形情況。

每節拱肋的實際監測變形位移量均符合要求，下面選取主拱S5節段（見圖14）和拱頂S13節段（見圖5）體系轉換過程的實際監測變形位移量展示，對每節拱肋的實際監測變形位移量進行綜合分析，結論如下：

（1）主拱體系轉換全過程順橋方向變形位移量基本不變，豎直方向變形位移量變化較小，橫橋方向變形位移量變化較大。

（2）主拱吊桿張拉過程，受索力和溫度影響，橫橋方向變形位移量變化異常變大，但是停止張拉后又恢復至原來位置。

（3）主拱吊桿張拉結束后，僅受溫度影響，橫橋方向變形位移量僅是吊桿張拉過程時的1/3，當溫度恢復常溫時，橫橋方向變形位移量又恢復至原來位置。

（4）從主拱體系轉換開始到全拱1/4處（即S7節段和S7'節段），主拱變形位移量未出現監控單位提供的理論主拱變形位移量情況，其變形位移量僅受溫度影響，屬正常監測數據變化量。

（5）當體系轉換至全拱1/4處（即S7節段和S7'節段）時，主拱變形位移量產生驟變情況，其變形位移量數值達到監控單位提供的理論主拱變形位移量。

（6）當體系轉換過了全拱1/4處（即S7節段和S7'節段）后，主拱變形位移量僅受溫度影響而產生的變化量，無異常變化，屬正常監測數據變化量。

（7）體系轉換結束后，也進行了連續數天的監測，主拱變形位移量已趨于穩定，僅受溫度影響產生微小變化，當溫度恢復至常溫，拱肋變形位移量也恢復至原來位置。

5結語

本文以烏蘭木倫河3號橋為例，對雙飛翼復式鋼箱拱橋測量技術開展研究，其成果重點體現在鋼箱拱加工制造、高空吊裝及體系轉換三個方面。

（1）根據設計圖紙中拱肋軸線坐標建立拱肋節段截面空間三維圖形，進而得到拱肋加工制造線形圖，用于完成曲面拱肋計算;根據拱肋加工坐標系，使用道路之星軟件對拱肋加工線形進行計算程序編制，并將計算程序傳輸到卡西歐9860計算器，用于拱肋加工制造測量;將設計坐標系坐標轉換成施工坐標，再轉換成西安80坐標系，用于實際測量放樣;根據設計圖紙計算錨管與拱肋的位置、角度關系，新建拱肋加工制造坐標系，用于錨管定位放樣。

（2）布設高級控制網，完成拱肋坐標轉換，放樣拱肋吊裝定位點于支架平臺，調整拱肋位置、角度和標高，拱肋就位后進行二次測量復核，復核無誤后進行拱肋固定，完成拱肋吊裝。

（3）對體系轉換全過程進行監測，根據體系轉換的理論拱肋變形與實際變形進行對比分析，并對拱肋變形規律進行總結。

參考文獻

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