CN103879527B - 一种梳式滑道井字梁深水高精度安装线形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种梳式滑道井字梁的安装方法，具体设计一种通过坐标系的转换来实现梳式滑道井字梁高精度安装线形控制方法，通过预拼装时建立预拼装坐标体系，利用喷涂标识表示滑道井字梁钢轨的平面线形，再将其转化为水下安装坐标系，根据水下安装坐标系的平面线形和预拼装安装倾角来调整水下安装，达到控制误差的目的。本发明具有的优点有：通过数学模式转换坐标体系进行水下安装，将滑道井字梁钢轨上的点一一对应，整个安装井然有序能够最大程度的减少安装误差，将误差控制在±1mm内，极大的提高了施工的准确性。

Description

一种梳式滑道井字梁深水高精度安装线形控制方法

技术领域

本发明涉及一种梳式滑道井字梁的安装方法，具体设计一种通过坐标系的转换来实现梳式滑道井字梁高精度安装线形控制方法。

背景技术

随着水运市场的持续旺盛，船舶结构尺度的增大，横向梳式滑道的轨道组数随之增加，滑道入水深度也随之加深，这对滑道井字梁轨道的安装精度提出了更高的要求。

在现有技术中，滑道井字梁的水下安装传统施工工艺是采用浮吊进行水下井字梁的安装，由潜水员潜入水下探摸安装，通过撬杠调整梁的平面位置，使滑道井字梁就位于桩帽顶端的指定位置。传统施工方法需要潜水员长时间潜水作业，水下安装作业效率低、占用施工船舶时间长，水下轨道标高和轴线对位难度大，一般在井字梁安装数量较少的纵向滑道施工中采用。对于多条轨道的深水横向梳式滑道水下井字梁安装，传统的水下安装工艺难以实现滑道井字梁轨道的高精度安装要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种梳式滑道井字梁深水高精度安装线形控制方法，其特征在于：所述的控制方法包括以下步骤：

1）滑道井字梁在预制厂台座上进行预拼装，设置台座坡度为项目施工理论安装坡度，在滑道井字梁上安装两根滑道井字梁钢轨，待拼装精度达到要求后，对滑道井字梁钢轨进行平面喷涂标识和高程喷涂标识；

2）建立预拼装坐标系，对喷涂的标识点进行坐标数据测量，将井字梁钢轨标识点测量坐标数据转换为预拼装坐标系数据；测量滑道井字梁钢轨预拼装安装倾角；

3）通过标识点在预拼装坐标系下的平面坐标数据，建立平面预拼装线形；

4）建立滑道井字梁水下安装坐标系，通过坐标变换将预拼装坐标系下钢轨上标识点坐标数据转换到水下安装坐标系，将预拼装坐标系下的平面预拼装线形转化为水下安装的平面目标线形；

5）以水下安装的平面目标线形和滑道井字梁钢轨预拼装安装倾角为基础进行水下滑道井字梁安装施工，高精度测量和水下高精度调位实现水下滑道井字梁钢轨标识点间的匹配关系，还原预拼装高精度线形，安装误差不大于1mm；

进一步的所述的预拼装方法步骤为：

1）将第一节滑道井字梁移至安装台座上，以第一节滑道井字梁作为匹配梁段，第一滑道井字梁梁段的前端与待安装的第二滑道井字梁的后端进行拼装，拼装完成后，将第二滑道井字梁的前端与待安装的第三滑道井字梁的后端进行拼装，每三榀为一批；拼装完成后，在滑道井字梁上按照设计精度要求安装滑道井字梁钢轨，完成钢轨的匹配；

2）安装下一批次前先将上一批次中的第一节和第二节滑道井字梁转移至存梁区，以第三节滑道井字梁作为下一批次拼装的基准匹配梁，依次进行滚动拼装；

3）在滑道井字梁钢轨正面两端端部进行平面喷涂标识和侧部进行高程喷涂标识，每批完成后，对喷涂完成后的喷涂点进行测量，计算坐标系中各喷涂点的坐标，建立预拼装坐标系；

进一步的所述的测量坐标系数据转换为预拼装坐标系数据的计算方法为矩阵法，计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\λ}}_x\cos \mathrm{\α}& -{\mathrm{\λ}}_y\cos \mathrm{\β}\\ {\mathrm{\λ}}_x\sin \mathrm{\α}& {\mathrm{\λ}}_y\sin \mathrm{\β}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right]$

其中：Δx,Δy为平移参数；

α、β为旋转参数；

λ_x、λ_y为比例因子；

x、y为测量坐标数据；

X、Y为预拼装坐标系数据。

选用通用型线性回归模型Z＝k₁+k₂x+k₃y进行最小二乘求解，六参数可以表示为：

Δx＝a₀，Δy＝b₀；

$\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{b_1}{a_1}\right),\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{{-a}_2}{b_2}\right);$

${\mathrm{\λ}}_x=\frac{a_1}{\cos \mathrm{\α}},{\mathrm{\λ}}_y=\frac{a_2}{\sin \mathrm{\β}};$

其中

$\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ a_2\end{array}\right]={\left(B^{T}B\right)}^{-1}{B}^T\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ X_2\\ .\\ .\\ .\\ X_n\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{b}_0\\ b_1\\ b_2\end{array}\right]={\left(B^{T}B\right)}^{-1}{B}^T\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\\ .\\ .\\ .\\ Y_n\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{ccc}1& x_1& y_1\\ 1& x_2& y_2\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ 1& x_n& y_n\end{array}\right]$

进一步的所述的预拼装平面坐标系数据转换为水下平面安装坐标系数据的计算方法为矩阵法，通过三参数平面坐标转换求解，计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& \sin \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right]$

其中：Δx,Δy为平移参数；

θ为旋转参数；

x、y为测量坐标数据；

X、Y为预拼装坐标系数据。

进一步的所述的以滑道井字梁钢轨预拼装安装倾角为高程调整基准进行水下滑道井字梁安装施工，滑道井字梁安装倾角调整计算方法为：

θ_n+1＝2arctani-θ_n

其中：i为滑道井字梁钢轨预拼装安装台座的坡度；

θ_n为第N榀安装完成后滑道井字梁斜坡倾角；

θ_n+1为第N+1榀安装完成后滑道井字梁斜坡倾角。

进一步的使用三向高精度千斤顶调整水下安装误差。

进一步的使用双轴倾角传感器精确测量下水斜坡倾角和滑道井字梁两根轨道之间的扭转倾角。

本发明的优点是：通过建立预拼装坐标系，将滑道井字梁钢轨上的喷涂点转换为数学模式，再通过坐标体系转换，进行水下安装的时候，将滑道井字梁钢轨上的点一一对应，整个安装井然有序能够最大程度的减少安装误差，将误差控制在±1mm内，极大的提高了施工的准确性。

附图说明

图1为预拼装台座俯视图；

图2为预拼装台座测试图；

图3为滑道井字梁钢轨正面喷涂标识示意图；

图4为滑道井字梁钢轨侧面喷涂标识示意图；

图5为滑道井字梁钢轨结构示意图；

图6为滚动拼装平面示意图；

图7为测量坐标系示意图；

图8为双轴倾角传感器角度方向示意图。

其中：1—滑道井字梁；2—混凝土墩；3—钢轨；4—标识。

具体实施方式

本发明的具体实施方式为：梳式滑道井字梁深水高精度安装线形控制方法包括以下步骤：

1）滑道井字梁在预制厂具有一定坡度的安装台座上进行预拼装，坡度一般按照具体工程实施项目中的安装坡度设置，如图1和2所示，将第一节滑道井字梁移至安装台座上，以第一节滑道井字梁作为匹配梁段，第一滑道井字梁梁段的前端与待安装的第二滑道井字梁的后端进行拼装，拼装完成后，将第二滑道井字梁的前端与待安装的第三滑道井字梁的后端进行拼装，每三榀为一批；每榀的预拼装完成后，在滑道井字梁上按照设计精度要求安装滑道井字梁钢轨。

安装下一批次前先将上一批次中的第一节和第二节滑道井字梁转移至存梁区，以第三节滑道井字梁作为下一批次拼装的基准匹配梁，依次进行滚动拼装，如图6所示，滚动过程包括：在拼装台座高处到低处依次进行第N、N+1、N+2榀滑道井字梁的拼装，拼装精度达到设计要求后，将第N、N+1榀滑道井字梁转移至存梁区，再将第N+2榀滑道井字梁移至拼装台座高处作为下一批次拼装的基准匹配梁，进行下一批次N+3、N+4滑道井字梁的拼装，依次类推进行滑道井字梁的滚动拼装，拼装完成后以钢轨为骨架进行滑道井字梁的制作。

2）在预拼装过程中，滑道井字梁上安装预先设计的两根钢轨，当拼装精度达到要求后，对滑道井字梁钢轨进行平面和高程喷涂标识。

如图3～5所示，滑道井字梁钢轨为“工”字形钢架结构，在滑道井字梁钢轨正面四角进行平面喷涂标识和一侧两端进行高程喷涂标识，具体喷涂位置见图3和图4所示。每批完成后，对喷涂完成后的喷涂点进行测量。预拼装厂房设有安装塔，以安装塔为坐标原点建立每批次的测量坐标系，测量滑道井字梁钢轨预拼装安装倾角。

计算坐标系中各喷涂点的坐标，以安装塔为坐标原点建立预拼装坐标系，将喷涂点测量坐标系坐标数据转换为预拼装坐标系数据，方法如下：采用矩阵法计算标识点坐标，实现标识点在拼装测量坐标系与预拼总体坐标系中的相互转换。假设第n批次滚动拼装的滑道井字梁钢轨编号为3n-2、3n-1、3n，如图7所示，测量坐标系下匹配梁3n-2号滑道井字梁1、2、3、4号位置标识点平面坐标为：

x_3n-2＝[x_3n-2,1x_3n-2,2x_3n-2,3x_3n-2,4]^T

y_3n-2＝[y_3n-2,1y_3n-2,2y_3n-2,3y_3n-2,4]^T

预拼坐标系下匹配梁3n-2滑道井字梁1、2、3、4号位置标识点平面坐标为：

X_3n-2＝[X_3n-2,1X_3n-2,2X_3n-2,3X_3n-2,4]^T

Y_3n-2＝[Y_3n-2,1Y_3n-2,2Y_3n-2,3Y_3n-2,4]^T

以匹配梁1、2、3、4号标识点作为公共点，采用六参数坐标变换将第n批次拼装滑道井字梁钢轨标识点测量坐标数据转换到预拼装坐标系下。从测量坐标系(x,y)变换到预拼装坐标系可以用公式表示：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\λ}}_x\cos \mathrm{\α}& -{\mathrm{\λ}}_y\cos \mathrm{\β}\\ {\mathrm{\λ}}_x\sin \mathrm{\α}& {\mathrm{\λ}}_y\sin \mathrm{\β}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right];$

其中：Δx,Δy为平移参数；

α、β为旋转参数；

λ_x、λ_y为比例因子；

x、y为测量坐标数据；

X、Y为预拼装坐标系数据。

选用通用型线性回归模型：Z＝k₁+k₂x+k₃y，进行最小二乘求解，六参数可以表示为：

Δx＝a₀，Δy＝b₀；

$\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{b_1}{a_1}\right),\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{{-a}_2}{b_2}\right);$

${\mathrm{\λ}}_x=\frac{a_1}{\cos \mathrm{\α}},{\mathrm{\λ}}_y=\frac{a_2}{\sin \mathrm{\β}};$

其中：

$\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ a_2\end{array}\right]={\left(B^{T}B\right)}^{-1}{B}^T\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ X_2\\ .\\ .\\ .\\ X_n\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{b}_0\\ b_1\\ b_2\end{array}\right]={\left(B^{T}B\right)}^{-1}{B}^T\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\\ .\\ .\\ .\\ Y_n\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{ccc}1& x_1& y_1\\ 1& x_2& y_2\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ 1& x_n& y_n\end{array}\right];$

预拼装坐标系的XOY平面位于水平面内，X轴沿滑道井字梁安装位置理论中线由第一榀梁向第二榀梁方向延伸，Y与X轴右手正交，Z轴垂直于XOY平面与XOY平面坐标右手正交，坐标原点位于第一榀滑道井字梁上端标识点中点理论安装位置；

3）用滑道井字梁钢轨标识点描述滑道井字梁线形，通过平面标识点在预拼装坐标系下的平面坐标数据，获得平面拼装线形；

4）现场施工，以滑道井字梁安装第一排两个混凝土墩的连线中点为起始原点设立滑道井字梁水下安装坐标系，将预拼装平面坐标转换为水下安装坐标系，获得水下安装的平面目标线形，预拼装平面坐标系数据转换为水下平面安装坐标系数据的计算方法为矩阵法，通过三参数平面坐标数据转换求解，三参数平面坐标转换计算公式如下：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& \sin \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right]$

其中：Δx,Δy为平移参数；

θ为旋转参数；

x、y为测量坐标数据；

X、Y为预拼装坐标系数据。

5）以水下安装的平面目标线形为基准进行水下安装滑道井字梁平面调整，以零度角为基准，对每榀滑道井字梁两根钢轨相对高程进行调整，以预拼装安装倾角为基准进行水下滑道井字梁高程调整，高程调整中每榀滑道井字梁调整计算方法为：

θ_n+1＝2arctani-θ_n

其中：i—滑道井字梁预拼装安装倾角；

θ_n为第N榀安装完成后滑道井字梁斜坡倾角；

θ_n+1为第N+1榀安装完成后滑道井字梁斜坡倾角。

高精度摄影测量仪测量待安装滑道井字梁标识点在水下安装坐标系下的坐标，使用双轴倾角传感器精确测量下水斜坡倾角和滑道井字梁两根轨道相对高差引起的扭转倾角。

如图8所示，斜坡倾角为钢轨上端2个标识点中点与下端2个标识点中点组成的线段与水平面的夹角，扭转倾角为钢轨同一根钢轨2个标识点中点与另一根钢轨2个标识点中点的高程差与钢轨轨间距的比值。

双轴倾角传感器X轴测量滑道井字梁下水斜坡倾角，Y轴测量滑道井字梁两根轨道相对高差引起的扭转倾角，对照目标安装线程使用三向高精度千斤顶调整水下安装误差，控制安装误差在±1mm。

本发明的优点是：通过建立预拼装坐标系，将滑道井字梁钢轨上的喷涂点转换为数学模式，再通过坐标体系转换，进行水下安装的时候，将滑道井字梁钢轨上的点一一对应，整个安装井然有序能够最大程度的减少安装误差，将误差控制在±1mm内，极大的提高了施工的准确性。

Claims (7)

1.一种梳式滑道井字梁深水高精度安装线形控制方法，其特征在于：所述的控制方法包括以下步骤：

1)滑道井字梁在预制厂台座上进行预拼装，设置台座坡度为项目施工理论安装坡度，在滑道井字梁上安装两根滑道井字梁钢轨，待拼装精度达到要求后，对滑道井字梁钢轨进行平面喷涂标识和高程喷涂标识；

2)建立预拼装坐标系，对喷涂的标识点进行坐标数据测量，将单独滑道井字梁钢轨的标识点测量坐标数据转换为预拼装坐标系数据；测量滑道井字梁钢轨预拼装安装倾角；

3)通过标识点在预拼装坐标系下的平面坐标数据，建立平面预拼装线形；

4)建立滑道井字梁水下安装坐标系，通过坐标变换将预拼装坐标系下标识点坐标数据转换到水下安装坐标系，将预拼装坐标系下的平面预拼装线形转化为水下安装的平面目标线形；

5)以水下安装的平面目标线形为平面调整基准、以滑道井字梁钢轨预拼装安装倾角为高程调整基准、进行水下滑道井字梁安装施工，以零度角为基准，对每榀滑道井字梁两根钢轨相对高程进行调整，高精度测量和水下高精度调位实现水下滑道井字梁钢轨标识点间的匹配关系，安装误差不大于1mm。

2.如权利要求1所述的一种梳式滑道井字梁深水高精度安装线形控制方法，其特征在于：所述的预拼装方法步骤为：

1)将第一节滑道井字梁移至安装台座上，以第一节滑道井字梁作为匹配梁段，第一节滑道井字梁梁段的前端与待安装的第二节滑道井字梁的后端进行拼装，拼装完成后，将第二节滑道井字梁的前端与待安装的第三节滑道井字梁的后端进行拼装，每三榀为一批；

2)安装下一批次前先将上一批次中的第一节和第二节滑道井字梁转移至存梁区，以第三节滑道井字梁作为下一批次拼装的基准匹配梁，依次进行滚动拼装；

3)在滑道井字梁钢轨正面进行平面喷涂标识和侧部进行高程喷涂标识，每批完成后，对喷涂完成后的喷涂点进行测量，计算坐标系中各喷涂点的坐标，建立预拼装坐标系。

3.如权利要求1所述的一种梳式滑道井字梁深水高精度安装线形控制方法，其特征在于：所述的单独滑道井字梁测量坐标数据转换为预拼装坐标系数据的计算方法为六参数坐标转换，计算步骤为：

利用矩阵法计算调整坐标：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\λ}}_{x}cos\mathrm{\α}& -{\mathrm{\λ}}_{y}cos\mathrm{\β}\\ {\mathrm{\λ}}_{x}sin\mathrm{\α}& {\mathrm{\λ}}_{y}sin\mathrm{\β}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x\\ \mathrm{\Δ}y\end{array}\right]$

其中：Δx、Δy为平移参数；

α、β为旋转参数；

λ_x、λ_y为比例因子；

x、y为测量坐标数据；

X、Y为预拼装坐标系数据；

选用通用型线性回归模型Z＝k₁+k₂x+k₃y进行最小二乘求解，六参数可以表示为：

Δx＝a₀，Δy＝b₀；

$\mathrm{\α}=arctan\left(\frac{b_1}{a_1}\right),\mathrm{\β}=arctan\left(\frac{-a_2}{b_2}\right);$

${\mathrm{\λ}}_x=\frac{a_1}{cos\mathrm{\α}},{\mathrm{\λ}}_y=\frac{a_2}{\sin \mathrm{\β}};$

其中

$\left[\begin{array}{c}{a}_0\\ a_1\\ a_2\end{array}\right]={\left(B^{T}B\right)}^{-1}{B}^T\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ X_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ X_n\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{b}_0\\ b_1\\ b_2\end{array}\right]={\left(B^{T}B\right)}^{-1}{B}^T\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ Y_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ Y_n\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{ccc}1& x_1& y_1\\ 1& x_2& y_2\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ 1& x_n& y_n\end{array}\right].$

4.如权利要求1所述的一种梳式滑道井字梁深水高精度安装线形控制方法，其特征在于：所述的滑道井字梁预拼装平面坐标系数据转换为水下平面安装坐标系数据的计算方法为三参数平面坐标转换：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\θ}& 0\\ 0& \sin \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x\\ \mathrm{\Δ}y\end{array}\right]$

其中：Δx,Δy为平移参数；

θ为旋转参数；

x、y为测量坐标数据；

X、Y为预拼装坐标系数据。

5.如权利要求1所述的一种梳式滑道井字梁深水高精度安装线形控制方法，其特征在于：所述的以滑道井字梁预拼装安装倾角为高程调整基准进行水下滑道井字梁安装施工，每榀滑道井字梁安装倾角调整计算方法为：

θ_n+1＝2arctani-θ_n

其中：i为滑道井字梁钢轨预拼装安装台座的坡度；

θ_n为第N榀安装完成后滑道井字梁斜坡倾角；

θ_n+1为第N+1榀安装完成后滑道井字梁斜坡倾角。

6.如权利要求1所述的一种梳式滑道井字梁深水高精度安装线形控制方法，其特征在于：使用三向高精度千斤顶调整滑道井字梁水下安装误差。

7.如权利要求1所述的一种梳式滑道井字梁深水高精度安装线形控制方法，其特征在于：使用双轴倾角传感器精确测量滑道井字梁水下安装倾角和滑道井字梁两根钢轨之间的扭转倾角。