大跨徑內(nèi)傾式鋼箱系桿拱橋施工監(jiān)控拱肋定位測量技術(shù)

王陸軍

(中南安全環(huán)境技術(shù)研究院股份有限公司,湖北 武漢 430051)

為適應(yīng)現(xiàn)代化發(fā)展需要,下承式系桿鋼拱橋因其造型優(yōu)美、跨徑大、自重輕、施工周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)成為城市跨主干道、跨江、跨河等市政橋梁的首選之一。鋼拱橋拱肋安裝通常采用逐段拼裝方法進(jìn)行施工[1,2],為了保障鋼拱橋的整體線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求,因此在安裝過程中需要確保拱肋各節(jié)段精確定位。以往對大跨徑系桿拱橋國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析和吊桿張拉順序上,而較少關(guān)注拱肋安裝定位測量技術(shù),對于內(nèi)傾式拱肋研究更少[3,4]。下面以新建湄池大橋主橋?yàn)楣こ瘫尘?結(jié)合橋梁施工監(jiān)控計(jì)算,研究分析下承式系桿拱橋內(nèi)傾式鋼箱拱肋安裝定位測點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算和測量[5,6],實(shí)現(xiàn)了拱肋精確合龍。

1 橋梁概況

圖1 主橋立面圖(單位:cm)

圖2 主橋平面圖(單位:cm)

主橋采用“先梁后拱”的少支架施工方法施工,即在滿足通航凈空的情況下,在水中打入臨時鋼管樁,并采用型鋼為橫撐、斜撐連接。在鋼管樁上面安放雙拼工字鋼,然后現(xiàn)場吊裝預(yù)制箱型系梁和工字橫粱在雙拼工字鋼上,待系梁和橫梁定位、焊接等工序完成后,在箱型系梁和工字橫梁上搭設(shè)拱肋臨時支架,然后采用浮吊進(jìn)行吊裝施工逐段對稱吊裝拱肋,并安裝橫撐,待拱肋安裝定位、焊接等工作完成后進(jìn)行焊縫檢測,合格后再從中間向兩邊對稱拆除拱肋臨時支架,然后進(jìn)行后續(xù)工序的施工。

2 施工監(jiān)控計(jì)算

施工監(jiān)控計(jì)算就是利用建立的監(jiān)控計(jì)算體系對橋梁施工過程中各階段結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移狀態(tài)以及施工控制參數(shù)進(jìn)行計(jì)算及預(yù)測,為施工提供施工控制目標(biāo)值,保證施工的順利進(jìn)行并使結(jié)構(gòu)最終達(dá)到或接近設(shè)計(jì)要求的成橋狀態(tài)。

大跨度拱橋施工監(jiān)控計(jì)算應(yīng)實(shí)現(xiàn)校核設(shè)計(jì)參數(shù)、提供施工階段理論狀態(tài)線形及內(nèi)力數(shù)據(jù)、識別與調(diào)整結(jié)構(gòu)偏差、預(yù)測成橋狀態(tài)、提供用于指導(dǎo)施工的控制數(shù)據(jù)等目標(biāo)。

拱橋各主要構(gòu)件一旦施工形成,偏差調(diào)整的余地就比較小。為使最終成橋狀態(tài)與設(shè)計(jì)目標(biāo)狀態(tài)接近,需要在加工、制造、安裝各階段進(jìn)行必要控制。為保證設(shè)計(jì)的線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力能夠?qū)崿F(xiàn),在開展具體監(jiān)控工作以前,必須以理論參數(shù)為基礎(chǔ),依據(jù)擬定的施工方案,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行全過程的理論計(jì)算,以全面確定結(jié)構(gòu)各部分的理論數(shù)據(jù),作為后期監(jiān)控的控制目標(biāo)。

主橋計(jì)算分析主要采用橋梁專用有限元計(jì)算程序建立三維空間有限元模型。結(jié)合本橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),合理確定成橋時的主梁、拱肋成橋線形,按照確定后的成橋目標(biāo),并考慮荷載計(jì)算施工預(yù)拱度,考慮成橋運(yùn)營后車輛活載計(jì)算成橋預(yù)拱度,即結(jié)構(gòu)預(yù)拱度=施工預(yù)拱度(結(jié)構(gòu)恒載引起的豎向位移)+成橋預(yù)拱度(1/2車道靜活載引起的豎向位移),主橋拱肋吊裝劃分截面測點(diǎn)豎向預(yù)拱度如表1所示。

表1 拱肋豎向預(yù)拱度計(jì)算表

3 拱肋加工及定位測點(diǎn)選取

主橋拱肋單側(cè)劃分為13個節(jié)段,全橋合計(jì)共26個節(jié)段。每個節(jié)段均在鋼結(jié)構(gòu)加工廠預(yù)制加工,由于拱肋節(jié)段之間為焊接連接,受焊縫寬度等條件限制,現(xiàn)場調(diào)整線形的余地有限,制造線形的精度將直接影響甚至決定成橋后主縱梁橋面線形和拱軸線線形,因此加工制作完成后須在專用的胎架進(jìn)行預(yù)拼裝,檢驗(yàn)節(jié)段間接口的匹配精度和橋梁整體線形精度,這道工序在鋼結(jié)構(gòu)橋梁制造過程中非常重要,其目標(biāo)是通過對制造過程的質(zhì)量預(yù)控來保證現(xiàn)場安裝施工的精度。待拱肋預(yù)拼裝精度滿足規(guī)范要求后,在每一節(jié)段前端四個角點(diǎn)進(jìn)行打點(diǎn)標(biāo)識,如圖3所示,以便安裝時能夠準(zhǔn)確找到測點(diǎn)位置,并根據(jù)測點(diǎn)位置計(jì)算出精確坐標(biāo),以便現(xiàn)場安裝時精確定位。

圖3 主橋拱肋定位安裝測點(diǎn)示意圖(單位:cm)

4 拱肋定位測點(diǎn)空間三維坐標(biāo)計(jì)算方法

4.1 拱肋測點(diǎn)坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換

相較于以往拱肋無內(nèi)傾角的下承式系桿拱橋而言,主橋因其拱肋內(nèi)傾10°的存在不僅增加了拱肋空間定位坐標(biāo)計(jì)算的難度,同時對現(xiàn)場拱肋安裝精度控制也提出了更高的要求,為了滿足現(xiàn)場拱肋安裝定位測量的高效性、實(shí)用性,首先要建立3個坐標(biāo)系:拱軸線坐標(biāo)系、拱軸線投影坐標(biāo)系、空間三維坐標(biāo)系,如圖4所示。并分析三者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,以便現(xiàn)場進(jìn)行拱肋測點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算。

圖4 測點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖(單位:cm)

(1)拱軸線坐標(biāo)系:(x0-y0),坐標(biāo)原點(diǎn)O0設(shè)在拱腳處,順橋向?yàn)閤0軸正方向,豎直方向傾斜10°為y0軸正方向,以下簡稱(x0-y0)坐標(biāo)系。

(2)投影平面坐標(biāo)系:(x-y),坐標(biāo)原點(diǎn)O設(shè)在拱腳處,順橋橋向?yàn)閤軸正方向,豎直向上為y軸正方向,以下簡稱(x-y)坐標(biāo)系。

(3)空間三維坐標(biāo)系:(X-Y-Z),坐標(biāo)原點(diǎn)O設(shè)在小里程左右側(cè)拱軸線兩拱腳的連線中心處,順橋向?yàn)閄軸正方向,豎直向上為Y軸正方向,橫橋向右側(cè)為Z軸正方向,以下簡稱(X-Y-Z)坐標(biāo)系。

任取單側(cè)一部分拱肋作為研究對象,點(diǎn)A為拱軸線上任意一點(diǎn),首先根據(jù)拱軸線方程求出其方程的導(dǎo)數(shù),利用其導(dǎo)數(shù)方程計(jì)算該截面與平面之間的夾角,計(jì)算步驟如下。

(1)

拱肋內(nèi)傾10°拱軸線方程

(2)

拱軸線上任一點(diǎn)切線斜率

k=y2tanα

(3)

拱肋內(nèi)傾10°拱軸線上任一點(diǎn)與水平線夾角

(4)

再通過3個坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換可知,點(diǎn)A在(X-Y-Z)空間三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

(5)

4.2 不考慮影響因素的測點(diǎn)坐標(biāo)公式推導(dǎo)

根據(jù)圖4中各特征點(diǎn)的空間位置關(guān)系和公式(1)～公式(5)可推導(dǎo)出鋼箱拱肋頂板點(diǎn)A1、底板中心點(diǎn)A2的空間坐標(biāo)為

(6)

現(xiàn)場鋼箱拱肋頂板點(diǎn)B1、B2,底板點(diǎn)B3、B4的空間坐標(biāo)為

(7)

(8)

4.3 考慮影響因素的測點(diǎn)坐標(biāo)公式推導(dǎo)

結(jié)合以上的推導(dǎo)過程,考慮拱肋壓縮的縱向預(yù)偏量△x以及豎向預(yù)拱度△y,根據(jù)圖紙計(jì)算出拱軸線O點(diǎn)絕對高程H,則鋼箱拱肋頂板點(diǎn)B1、B2,底板點(diǎn)B3、B4的空間坐標(biāo)為

(9)

(10)

式中:y1為拱軸線導(dǎo)數(shù)方程;y2為拱肋內(nèi)傾10°拱軸線方程;x為距拱軸線O點(diǎn)的距離,m;k為拱軸線上任意一點(diǎn)切線斜率;α為拱肋內(nèi)傾10°拱軸線上任一點(diǎn)與水平線夾角,(°);X為里程,m;Y為高程,m;Z偏距,m;B為橫橋向左右側(cè)拱肋拱軸線O點(diǎn)間的距離,m;△x為拱肋壓縮的縱向預(yù)偏量,m;H為拱軸線O點(diǎn)絕對高程;△y為拱肋豎向預(yù)拱度,m。

5 拱肋安裝監(jiān)控測量

5.1 測量控制網(wǎng)建立

湄池大橋工程平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國家大地坐標(biāo)系,中央子午線為東經(jīng)120°30′,高程采用1985國家高程基準(zhǔn)。為了提高測量精度和方便現(xiàn)場施工監(jiān)控測量,根據(jù)湄池大橋工程的具體條件和特點(diǎn),建立三維坐標(biāo)控制網(wǎng),方便現(xiàn)場橋梁施工各工序下對鋼箱系梁、拱肋安裝、拱肋支架等的下?lián)稀⑤S線偏位、變形測量,并定期對控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測,保證測量精度。

5.2 測量坐標(biāo)系建立

為了方便現(xiàn)場施工測量,提高工作效率,橋梁坐標(biāo)測量常用的方法有兩種。第一種是整體坐標(biāo)系法,即把項(xiàng)目路錢的平曲線、豎曲線要素輸入線路測量計(jì)算軟件中,根據(jù)里程樁號和偏距換算某一點(diǎn)坐標(biāo),這種方法對數(shù)據(jù)整理工作量比較大,計(jì)算稍顯復(fù)雜。第二種是局部坐標(biāo)系法,首先建立橋梁局部坐標(biāo)系,再根據(jù)測量控制點(diǎn)坐標(biāo)和橋梁的相對關(guān)系,換算出控制點(diǎn)的相對坐標(biāo),此種方法較第一種方法而言計(jì)算測點(diǎn)坐標(biāo)工作量小,實(shí)用性也更高,后續(xù)施工測量時無論是采用一般建站還是后方交會測量,所測得的數(shù)據(jù)都能直觀的反應(yīng)測點(diǎn)的里程樁號,偏距和高程,同時也利于拱肋安裝時現(xiàn)場工人的調(diào)試。

5.3 拱肋施工監(jiān)控測量

(1)拱肋節(jié)段吊裝測量

拱肋安裝定位的重點(diǎn)在于測量精度控制。主橋拱肋鋼箱截面尺寸和自重均較大,安裝定位涉及工序環(huán)節(jié)多而細(xì)致,所以嚴(yán)格控制安裝精度是重中之重,假如安裝精度不夠可能會影響后續(xù)節(jié)段的線形控制,進(jìn)而影響拱肋整體線形和橋梁結(jié)構(gòu)受力的安全性。為了保證拱肋安裝時的精度,施工監(jiān)控測量一般在早上太陽出來之前,或者日照影響不大、溫度相對穩(wěn)定的時間段內(nèi)進(jìn)行,盡量減少溫度變化和其他震動源等不利因素的影響,同時為了減小測量誤差,工程配備了高精度的測量儀器進(jìn)行拱肋節(jié)段的安裝和監(jiān)控量測,并按規(guī)定要求對設(shè)備進(jìn)行周期檢定,每次測量前檢查儀器設(shè)備是否正常完好,以此保證拱肋線形控制達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

在首節(jié)鋼箱拱肋安裝定位完成以后,后續(xù)節(jié)段安裝前均應(yīng)對前一節(jié)段測點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)核,防止陽光和溫度、拱肋支架變形、焊接作業(yè)等對拱肋產(chǎn)生的變形而不知,保證拱肋線形處于可控狀態(tài)。

(2)拱肋合龍段吊裝測量

合龍段是整個拱肋安裝的關(guān)鍵階段,選擇合適的溫度合龍,對拱肋的線形及結(jié)構(gòu)內(nèi)力至關(guān)重要。因此在拱肋合龍前,要對拱肋關(guān)鍵截面測點(diǎn)進(jìn)行通測,與理論值進(jìn)行對比,一旦結(jié)果異常,需及時查明原因。同時應(yīng)密切關(guān)注天氣預(yù)報(bào)情況,利用測溫儀連續(xù)多天觀測溫度變化情況,并分別在早晨、中午、夜間對合龍口拱頂撓度進(jìn)行持續(xù)性測量,記錄不同溫度下的撓度值,通過理論數(shù)據(jù)分析,為后續(xù)合龍段安裝定位提供合理的時間段,確保合龍時環(huán)境溫度與設(shè)計(jì)溫度達(dá)到一致,以此保證合龍段精確合龍。

(3)拱肋線形測量

拱肋全部安裝后應(yīng)對拱肋線形進(jìn)行通測,測點(diǎn)縱橋向布置在拱腳、L/8、L/4、3L/8、L/2處,如圖5所示。橫橋向布置在拱肋頂板兩側(cè),如圖6所示。通過通測拱肋線形獲取已形成的結(jié)構(gòu)的實(shí)際幾何狀態(tài),對后續(xù)施工控制、預(yù)報(bào)非常關(guān)鍵。

圖5 拱肋合龍后線形測試斷面示意圖(單位:cm)

圖6 拱肋合龍后線形測點(diǎn)示意圖(單位:cm)

6 結(jié) 論

綜上所述,拱肋安裝定位精度的控制是下承式系桿拱橋施工工序的重點(diǎn),精度控制是否符合要求將直接影響橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和后續(xù)成橋線形。以新建湄池大橋主橋?yàn)楣こ瘫尘?結(jié)合橋梁施工監(jiān)控計(jì)算,考慮了拱肋壓縮的縱向預(yù)偏量以及豎向預(yù)拱度,研究分析下承式系桿橋內(nèi)傾式鋼箱拱肋安裝定位測點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算和測量,實(shí)現(xiàn)了拱肋精確合龍,為今后同類橋梁拱肋安裝定位提供了參考。