CN101799276B - 斜拉桥塔梁同步施工时塔柱及索道管的测量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种斜拉桥塔梁同步施工条件下塔柱及索道管的测量控制方法，采用分时段测量比对的方法，过滤出塔柱受日照、温度梯度、不平衡荷载作用下的变形；并在塔柱上设置测量控制点，建立独立坐标系，用以控制塔柱及索道管的空间位置。本发明可以全天候测量控制塔柱施工，提高了塔柱及索道管的测量控制精度，解决了斜拉桥塔梁同步施工的关键技术难题，对提高斜拉桥施工效率和质量大有裨益。

Description

斜拉桥塔梁同步施工时塔柱及索道管的测量控制方法

技术领域

本发明涉及斜拉桥施工测量控制技术，具体说是斜拉桥塔柱和梁体同步施工(塔梁同步施工)时的塔柱及索道管的测量控制技术。

背景技术

随着我国国民经济和桥梁建造技术的高速发展，大跨度斜拉桥工程越来越多，工期压力越来越大，塔柱和索道管的测量定位精度要求也越来越高。斜拉桥的常规建造方法是先塔后梁、对称悬拼、夜间测量控制。即首先自下而上施工塔柱，塔柱施工完毕，在塔柱两侧对称逐段安装主梁、张拉斜拉索，直至全桥合龙；测量仪器布置在桥下的测量控制点上，对目标塔柱及索道管进行测量控制；测量时选择在温度相对恒定的深夜至黎明日出前时段，以避免日照、温度梯度对塔柱结构的影响。上述施工方法能够合理利用桥梁塔柱的刚度和斜拉索的张力，利用昼夜气温变化规律尽量减小日照、温度梯度对结构物变形的影响，适用范围很广；其不足之处在于：塔柱、主梁不能同步施工，施工工期长；测量控制点位于桥下，与主塔上各测量点的距离差别较大，测量精度各不相同，测量误差较大；选择在夜间进行测量控制，一些关键工序(如索道管安装定位)必须安排在夜间施工，未能充分有效利用白天的有利施工时段，进一步降低了施工效率；夜间施工、测量的环境差，人员易疲劳、安全风险较大。

为克服上述不足，桥梁工程师试图改进工艺：将塔、梁由顺次施工变为同步施工；将夜间测量控制变为全天候测量控制。即在塔柱施工尚未封顶时(往往是施工至中塔柱合龙后)，就开始施工主梁，主梁仍旧采用对称悬臂安装方法；利用白天良好的施工条件进行测量控制。上述改进工艺的施工技术难度大，原因在于：日照、温度梯度以及主梁通过斜拉索作用于塔柱上的荷载，均会造成塔柱的未知变形，该变形如不过滤掉，会影响塔柱后续安装节段的位置，并影 响塔柱索道管定位精度，最终导致质量缺陷。因此，斜拉桥塔梁同步施工作为一项新的技术方案，其关键技术在于如何通过测量定位控制技术，保证塔柱的施工线形满足设计要求，控制和减小索道管安装误差，消除日照、温度梯度等因素影响，特别是塔梁同步施工时塔柱和梁体间的相互影响和干扰。

运用常规测量控制方法，难以保证塔梁同步施工时斜拉桥的塔柱和索道管的测量定位精度要求，原因如下：

1、斜拉桥塔柱受到一侧日照，温度不均匀升高，形成温度梯度，根据热胀冷缩的原理，塔柱会发生平移变形和旋转变形，上述变形量未知且不断变化，导致塔柱线形难以控制。

2、在斜拉桥塔柱施工和索道管施工测量定位过程中，要在地面设置和使用多方位、和塔柱距离不等的多个测量控制点，各控制点到塔柱(及索道管)的距离相差很大，造成塔柱和索道管施工测量定位时测量的精度不一致，形成系统误差。

3、塔柱和梁体同步施工过程中，由于梁体提前施工造成斜拉桥索力不完全对称而使塔柱发生各类变形，该变形不能通过现有技术实际测出，因此无法过滤，造成塔柱和索道管定位的测量控制精度低，施工偏差大，难以满足设计要求。

发明内容

本发明针对以上不足或技术难题，旨在提供一种满足斜拉桥塔梁同步施工、可全天候对塔柱实施监测控制、能有效过滤塔柱各种变形的测量控制技术方案。

本发明采用的技术方案是按照以下步骤进行测量定位：

①塔柱施工过程中，先后在中塔柱根部、中塔柱上部及上塔柱上埋设棱镜头，设置E组、F组、G组三组测量点，

②在第一时段测量并统计计算出E组、F组、G组各测量点在塔柱荷载平衡、没有日照且无不良温度梯度状态下的三维坐标，

③在第二时段测量并统计计算出E组、F组、G组各测量点在塔柱荷载不平衡、有日照且存在不良温度梯度状态下的三维坐标，

④通过比较E组、F组、G组对应测量点在第一时段和第二时段的三维坐标，计算出第二时段塔柱柱体的平移量和旋转量，得到塔梁同步施工条件下不平衡荷载、日照和不良温度梯度引起的塔柱变形量，

⑤在塔柱顶面上设置若干个测量控制点，在该测量控制点上布置测量仪器，在气温变化小且没有日照的时间段，利用后方交会法观测既有控制坐标系中不在同一条直线上、坐标值已知的三个控制点H₁、H₂、H₃，测量并平差计算出测量控制点的三维坐标，并根据本次观测时间段内塔柱的变形量进行坐标修正，所述测量控制点能与各索道管中心及塔柱特征点通视，满足直接观测要求，

⑥以塔柱上的测量控制点为基准，建立独立坐标系，

⑦利用独立坐标系，对塔柱特征点及各索道管进行测量定位，所述测量定位工作能全天候进行，所述塔柱特征点是指位于塔柱内外表面、用来控制塔柱柱体形状和空间位置的测量点。

在上述方案的基础上，所说的E组、F组、G组测量点分别为一个或两个，布置在塔柱朝向主梁一侧的外表面上，其数量根据斜拉桥主塔的外形来确定。

在上述方案的基础上，所述第一时段、第二时段可以是塔梁同步施工工况下的任一时段，根据塔柱施工的测量控制需要来确定。

在上述方案的基础上，所述G组测量点可以根据塔柱施工的进展而变换位置，实现塔柱施工的全程测量控制。

在上述方案的基础上，所述测量控制点的数量根据塔柱及索道管定位的需求来确定。

在上述方案的基础上，所述测量控制点可以根据塔柱施工的进展而变换位置，实现塔柱施工的全程测量控制。

有益效果：

(1)提供了一种测量及计算方法，能够准确得到塔柱在日照、不良温度梯度、不平衡荷载和斜拉索索力不对称等因素影响下的变形值。通过过滤掉该变形对塔柱定位及塔柱索道管定位的影响，为塔柱施工的理想线形以及索道管的准确定位提供了保障；

(2)在塔柱顶面适当的位置设置测量控制点，利用该测量控制点建立不受塔柱变形影响到独立坐标系，控制塔柱及索道管的施工定位，消除了现有技术的系统误差，实现了全天候施工测量控制，提高了测量精度，改善了观测条件，减小了劳动强度，降低了施工安全风险；

(3)本发明首次为解决斜拉桥塔梁同步施工的测量控制难题提供了一条有效途径，使斜拉桥塔梁同步施工技术方案的实施成为可能，可缩短施工周期、提高施工效率、降低建造成本，具有积极的经济和社会效益。

(4)本发明同样适用于非塔梁同步施工的斜拉桥的测量控制。

附图说明

图1斜拉桥塔梁同步施工时塔柱上观测点布置示意图

图2斜拉桥塔梁同步施工时塔柱变形示意图

图3独立坐标系建立示意图

图4利用独立坐标系进行塔柱及索道管测量定位示意图

图中：1-E组测量点；2-F组测量点；3-G组测量点；4-测量控制点；5-索道管中心；6-塔柱特征点。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步详细说明。

如图1，待塔柱横梁施工完毕，开始分节段施工中塔柱、上塔柱，同时，可根据施工需要同步开始主梁施工，即：塔梁同步施工。在塔柱施工过程中，在中塔柱的根部埋设棱镜头，设置E组测量点1，在塔柱上部埋设棱镜头，设置F组测量点2，在上塔柱埋设棱镜头，设置G组测量点3。

E组测量点1、F组测量点2、G组测量点3分别为一个或两个，均布置在塔柱朝向主梁一侧的外表面上，其数量根据斜拉桥主塔的外形来确定。如图1所示，斜拉桥主塔中塔柱有两肢，上塔柱为一肢，此时，E组测量点1、F组测量点2均设置两个(中塔柱每肢布置一个)，G组测量点3设置一个，即可满足塔 柱空间位置观测的要求。

G组测量点3根据塔柱施工的进展而变换位置，实现塔柱施工的全程测量控制。一般的，上塔柱是分节段浇筑或安装的，为更准确的反映塔柱的变形，G组测量点3会布置在已施工完成的最上一节上塔柱上。

测量点设置后，开始主塔测量工作，方法是利用高精度局部控制网中至少两个控制点，同时摆设高精度全站仪对塔柱的各测量点进行连续监测。

如图2，在第一时段测量并统计计算出E组测量点1、F组测量点2、G组测量点3在塔柱荷载平衡、没有日照且无不良温度梯度状态下的三维坐标。第一时间段一般选择在深夜至第二天黎明日出之前这段时间，因该时间段气温相对恒定，塔柱柱体四周的温度差较小，无不良温度梯度。所谓温度梯度，是指结构体两个点之间的温度差。这里所说的不良温度梯度是指会引起塔柱平移变形和旋转变形的温度差。根据第一时段测出的各测量点坐标，可以绘制出塔柱理论轴线。

在第二时段测量并统计计算出E组测量点1、F组测量点2、G组测量点3在塔柱荷载不平衡、有日照且存在不良温度梯度状态下的三维坐标。根据第二时段测出的各测量点坐标，可以绘制出变形后的塔柱轴线。

通过比较E组测量点1、F组测量点2、G组测量点3在第一时段和第二时段的三维坐标(即比较塔柱理论轴线和变形后塔柱轴线)，计算出第二时段塔柱柱体的平移量Δ和旋转量θ，得到塔梁同步施工条件下不平衡荷载、日照和不良温度梯度引起的塔柱变形量。

所说的第一时段、第二时段可以是塔梁同步施工工况下的任一时段，根据塔柱施工的测量控制需要来确定；进行测量数据相互比对的某个第一时段与某个第二时段应相近或相邻，以保证这两个时段塔柱结构为同一结构体(塔柱未进行下一节段的浇筑或安装)。

可以选择多个第二时段分别测量E组测量点1、F组测量点2、G组测量点3的三维坐标，并进行坐标比对，以便得到某一个影响因素(不平衡荷载或不良温度梯度或日照)引起的塔柱结构变形量；同样的，进行测量数据相互比对的 两个第二时段应相近或相邻，以保证这两个时段塔柱结构为同一结构体(塔柱未进行下一节段的浇筑或安装)。

以上是塔梁同步施工条件下塔柱在各种不利影响因素所用下的变形量测量计算、过滤技术。

如图3，在塔柱顶面(所说的塔柱顶面并非专指整个塔柱的顶部平面，而是指施工过程中的某一阶段的塔柱顶面)上设置若干个测量控制点4，在该测量控制点4上布置测量仪器，利用后方交会法测出该测量控制点4的坐标。即在测量控制点4上布置测量仪器，观测既有控制坐标系(XOY)中三个坐标已知的控制点H₁、H₂、H₃，得到测量控制点4与H₁、H₂、H₃各点间的水平角，平差计算出测量控制点4的三维坐标；所述测量控制点4应能与各索道管中心5及塔柱特征点6通视，满足直接观测要求；坐标已知的三个控制点H₁、H₂、H₃不能在同一条直线上；为保证测量控制点4三维坐标的精度，本次测量应选择在温度变化小且没有日照的时间段，同时根据观测时间段塔柱的变形量进行坐标修正；为减小误差，测量时间应尽量缩短。所说的塔柱特征点6是指能控制塔柱空间位置及结构形状的测量点，如塔柱截面内外表面的角点。

以塔柱上的测量控制点4为基准，建立独立坐标系(X₀O₀Y₀)，所谓独立坐标系，是指独立于桥梁控制坐标系(XOY)的坐标系，该坐标系的功能是给塔柱结构及索道管定位。如图3，独立坐标系的坐标原点O₀选定后(可在塔柱顶面上任选一点，图3所示坐标原点为一个测量控制点)，以任意方向为X₀轴(图3所示X₀轴与塔柱截面的一条边平行)，以与X₀轴垂直的轴为Y₀轴，建立直角坐标系。

如图4，独立坐标系建立完毕，即可计算出塔柱特征点6及索道管中心5在独立坐标系中的三维坐标，并利用该坐标放样出上述点位，达到控制塔柱施工及索道管定位的目的；利用两个测量控制点4之间的连线及索道管中心5与坐标原点O₀连线之间的夹角α，可以校核索道管中心5的坐标。

当日照、温度变化或在荷载和斜拉桥索力变化时，塔柱会产生一定的偏移量和旋转量，同时测量控制点4也会产生同样的偏移量和旋转量，但测量控制点4到各索道管中心5及各塔柱特征点6之间的位置变化量相对于塔柱的偏移 量和旋转量来说十分微小，可以忽略不计，故在测量控制点4上设置全站仪用索道管中心5和各塔柱特征点6的理论坐标值来进行施工控制，不仅测量精度满足要求，还不受塔柱自身变形的影响，可以全天候进行测量定位。

所述测量控制点4的数量根据塔柱及索道管定位的需求来确定。塔柱形状简单、索道管数量少、通视条件良好时，测量控制点4的数量较少；反之，塔柱形状复杂、索道管数量多、通视条件不好时，适当增加测量控制点4的数量。

所述测量控制点4根据塔柱施工的进展而变换位置，实现塔柱施工的全程测量控制。塔柱一般是节段法浇筑或安装的，每施工一个节段，测量控制点4的位置相应上移一个节段，以满足测量控制的要求。

Claims (6)

1.斜拉桥塔梁同步施工时塔柱及索道管的测量控制方法，其特征在于按照以下步骤进行：

①塔柱施工过程中，先后在中塔柱根部、中塔柱上部及上塔柱上埋设棱镜头，设置E组、F组、G组三组测量点，

②在第一时段测量并统计计算出E组、F组、G组各测量点在塔柱荷载平衡、没有日照且无不良温度梯度状态下的三维坐标，

③在第二时段测量并统计计算出E组、F组、G组各测量点在塔柱荷载不平衡、有日照且存在不良温度梯度状态下的三维坐标，

④通过比较E组、F组、G组对应测量点在第一时段和第二时段的三维坐标，计算出第二时段塔柱柱体的平移量和旋转量，得到塔梁同步施工条件下不平衡荷载、日照和不良温度梯度引起的塔柱变形量，

⑤在塔柱顶面上设置若干个测量控制点，在该测量控制点上布置测量仪器，在气温变化小且没有日照的时间段，利用后方交会法观测既有控制坐标系中不在同一条直线上、坐标值已知的三个控制点H₁、H₂、H₃，测量并平差计算出测量控制点的三维坐标，并根据本次观测时间段内塔柱的变形量进行坐标修正，所述测量控制点能与各索道管中心及塔柱特征点通视，满足直接观测要求，

⑥以塔柱上的测量控制点为基准，建立独立坐标系，

⑦利用独立坐标系，对塔柱特征点及各索道管进行全天候测量定位，所述塔柱特征点是指位于塔柱内外表面、用来控制塔柱柱体形状和空间位置的测量点。

2.根据权利要求1所述的斜拉桥塔梁同步施工时塔柱及索道管的测量控制方法，其特征在于：所说的E组、F组、G组测量点分别为一个或两个，布置在塔柱朝向主梁一侧的外表面上，其数量根据斜拉桥主塔的外形来确定。

3.根据权利要求1所述的斜拉桥塔梁同步施工时塔柱及索道管的测量控制 方法，其特征在于：所述第一时段、第二时段可以是塔梁同步施工工况下的任一时段，根据塔柱施工的测量控制需要来确定。

4.根据权利要求1所述的斜拉桥塔梁同步施工时塔柱及索道管的测量控制方法，其特征在于：所述G组测量点根据塔柱施工的进展而变换位置，实现塔柱施工的全程测量控制。

5.根据权利要求1所述的斜拉桥塔梁同步施工时塔柱及索道管的测量控制方法，其特征在于：所述测量控制点的数量根据塔柱及索道管定位的需求来确定。

6.根据权利要求1所述的斜拉桥塔梁同步施工时塔柱及索道管的测量控制方法，其特征在于：所述测量控制点根据塔柱施工的进展而变换位置，实现塔柱施工的全程测量控制。 

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