CN115659479B - 一种桥梁短线法预制施工梁段匹配方法 - Google Patents

一种桥梁短线法预制施工梁段匹配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种桥梁短线法预制施工梁段匹配方法，先进行N节段和N+2节段施工，然后将N段和N+2段放置在匹配制梁台上，建立每个节段的局部坐标系，根据坐标系转换关系建立施工坐标系；根据施工坐标系进行N+2段相对于N段匹配，匹配完后设置模板进行N+1段现浇施工，同时在预制工位进行N+4段施工；固化后，将N、N+1段依次移出匹配制梁台，将N+2段移动到原来N位置；将N+4段移动到原来的N+2位置，进行重新匹配，依次循环直至完成所有节段预制；本发明N+1段和N+4段能同时施工，并且无需梁段高精度匹配放样，加快施工速度同时减小因场地振动对施工精度的干扰。

Description

一种桥梁短线法预制施工梁段匹配方法
技术领域
本发明属于桥梁施工领域，涉及一种短线法桥梁节段预制拼装施工技术，具体涉及一种桥梁短线法预制施工梁段匹配方法。
背景技术
目前预应力混凝土桥梁采用节段预制拼装施工法施工越来越多，该工法核心在于节段的预制，具体分为长线法与短线法两种。长线法节段预制施工工艺相对成熟，在国内已有二十多年的历史；短线法节段预制具有工厂化、标准化、装配化高和现场所需作业空间小的特点，已被广泛地应用用于实际工程上；但是由于短线法节段预制施工工艺复杂、测量精度要求高、线形控制复杂，导致成本较高，因此在交通繁忙的市区内桥梁工程中应用较多。经过研究发现，采用短线法节段预制的实际工程中缺乏有效控制方法，桥梁线形控制精度不能满足要求，一定程度上限制短线法节段预制施工方法的进一步发展。
现有技术中，短线法一般采用预制梁段+现浇段+端面模板的匹配施工方式，即对桥梁分段后，按照节段顺序施工，以前一个已经预制好的梁段作为后一个梁段的一个端模板，另外设置一个端模板的方式对下后一个梁段进行施工，该施工方式，每次只能现浇施工一个梁段，并且由于另外一端采用端模板，端模板按照制备时，由于测量因素、浇注时振动偏移的等因素会造成较大误差，导致后续梁段安装过程中线性调整困难。
另外短线法节段预制线形控制是通过每次调整匹配梁段的空间位置来保证梁体的设计线形。此控制包括两方面：匹配梁段理论安装位置和每次制造误差的补偿修正。假设梁体的设计线形为整体坐标系，即将浇筑的相邻节段为局部坐标系，这就需要进行一定的坐标转换来确定匹配梁段的理论安装位置；实现坐标转换的基础是梁体节段的理论六点坐标的计算。在节段预制过程中一般布设有6个控制点，理论上只要两种不同的坐标系间有３个公共点，就可确定两个坐标系的相对位置。为消除可能存在的误差以及得到更准确的转换参数值，需要对3个冗余控制点观测进行平差处理。同时由于测量误差的存在，要求控制点分别在三维空间的不同象限中，才能求得可靠的转换参数。如果控制点分布范围太小，平移参数和旋转参数的相关性非常大，从而导致转换参数不稳定。
三维坐标转换通常采用７个转换参数，即３个平移参数、３个旋转参数和１个尺度参数。根据旋转与尺度参考点的不同定义，三维坐标转换模型可分为：Bursa-Wolf模型（简称Bursa模型）、Molodendky模型和武测模型等。其中Bursa模型应用较为广泛。Bursa模型要求计算转换的参数的控制点至少为３个，且不要在一条直线上。根据Bursa模型的表达式可将梁段上各测点在整体坐标系下的坐标转换到局部坐标系下的坐标，最后再转到梁段施工坐标系下的坐标，从而指导梁段预制。在不同的坐标系统转换过程中，任何微小的误差，都会降低梁段预制精度，严重时，可使预制成型的梁段无法使用，只能报废处理。因此，在坐标变换过程中，如何进行偏差修正极大影响梁段匹配预制精度。因此，如何提高短线法施工效率和匹配精度是急需解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提出一种桥梁短线法预制施工梁段匹配方法，用于短线法预制施工梁段过程中预制梁段匹配计算，桥梁节段预制过程中，本发明可以将N+1节段和N+4节段同时施工，极大节省了预制周期，通过对于匹配段纠偏，大大提高了本发明成桥线性。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种桥梁短线法预制施工梁段匹配方法，包括以下步骤：
步骤1、在桥梁短线法的匹配制梁台上设置测量塔、第一匹配段工位、第二匹配段工位、第一现浇工位和第二现浇工位，第一匹配段工位和第二匹配段工位并列间隔设置，两个匹配段工位之间间隔为第一现浇工位，第二现浇工位设于匹配制梁台上任意位置；所述测量塔上设有用于对两个匹配段工位上预制节段进行测量的观测设备；
步骤2、根据桥梁设计线形与节段划分建立整体坐标系O（X，Y，Z），每个预制节段上设有若干观测点，N号预制节段上第i个观测点在整体坐标系内坐标表示为P（X i,n ，Y i,n ，Z i,n ）；
步骤3、建立节段局部坐标系：基于预制节段建立局部坐标系，N号预制节段上的建立局部坐标系记为O n ，N+2号预制节段上的建立局部坐标系记为O n+2，根据N号预制节段和N+2号预制节段在整体坐标系O中的相对位置关系计算得到N号预制节段和N+2号预制节段的局部坐标系相对位置关系；
步骤4、通过第二现浇工位依次制备N号预制节段和N+2号预制节段，并吊装至第一匹配段工位和第二匹配段工位；
步骤5、建立施工坐标系：调整N+2号预制节段的姿态使得局部坐标系记为O n+2的Z轴与测量塔的轴线平行；基于N+2号预制节段建立施工坐标系F，施工坐标系F的原点与局部坐标系O n+2的原点重合，Z轴与局部坐标系记为O n+2的Z轴重合，施工坐标系即为测量塔上测量设备的测量坐标系，通过N+2号预制节段的局部坐标系O n+2与整体坐标系之间相对位置关系，得到施工坐标系与整体坐标系之间相对位置关系；
步骤6、N+2号预制节段调整及施工坐标系误差修正：在不考虑误差情况下，根据施工坐标系与整体坐标系的转换关系计算N+2号预制节段上观测点在施工坐标系内的理论坐标；
通过测量塔测得N+2号预制节段上观测点的实际坐标，通过平差计算方法确定平均误差，利用平均误差调整N+2号预制节段的姿态和位置，完成N+2号预制节段施工放样，同时通过平均误差对施工坐标系与整体坐标系的转换关系进行校正；
步骤7、确定匹配节段位置：根据N号预制节段和N+2号预制节段的在整体坐标系中的相对位置关系，计算N号预制节段上观测点在施工坐标系中的匹配坐标；
步骤8、放样匹配节段：根据匹配坐标和实际观测坐标差调整N号预制节段的位置和姿态，完成N号预制节段和N+2号预制节段之间匹配；
步骤9、浇筑段施工：在N号预制节段和N+2号预制节段之间安装N+1号预制节段的模板，进行N+1号预制节段的现浇施工，完成第一次匹配施工；同时在第二现浇工位安装N+4号预制节段的模板，进行N+4号预制节段的现浇施工；
步骤10、预制梁段移位：待N+1号预制节段硬化后，将N号预制节段、N+1号预制节段依次移出匹配制梁台，并搬运至存梁区，然后将N+2号预制节段移动到原N号预制节段所在的第一匹配段工位，作为下一次匹配施工的N号预制节段；将N+4号预制节段移动到原N+2号预制节段所在的第二匹配段工位作为下一次匹配施工的N+2号预制节段；
步骤11、循环执行步骤5至步骤10，直至完成所有预制节段施工。
本发明将传统的短线法施工“预制梁段+现浇段+端面模板”的匹配施工改进为“预制梁段+现浇段+预制梁段”的匹配施工，因此本发明其总体思路为：令预制段编号布置为（FL i 、FH i 、FR i 、FL i 、FH i 、FR i ）；将施工坐标系原点（0,0）由传统短线法中由固定端模顶面中心调整为N+2号预制节段远离现浇段一侧的端面FH3，FH3-FL3为Y-Y轴，FH3-BH3为X-X轴，遵守右手螺旋法则，调整N+2号预制节段的姿态保证Z轴垂直向上。匹配段为N号预制节段，对应控制点分别为观测点FL1、FH1、FR1、FL1、FH1、FR1，N号预制节段的局部坐标系原点（0,0）为观测点FH1，观测点FH1-观测点FL1为Y-Y轴，观测点FH1-观测点BH1为X-X轴，遵守右手螺旋法则；然后根据坐标系转换公式确定N号预制节段相对于施工坐标系（即N+2号预制节段的局部坐标系）位置，然后按照与传统方法相关思路和步骤进行坐标测量和平差计算，进而实现桥梁短线法预制施工梁段匹配算法。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
本发明将传统的短线法施工“预制梁段+现浇段+端面模板”的匹配施工改进为“预制梁段+现浇段+预制梁段”的匹配施工，算法进行适应性改造，该工法无需梁段高精度匹配放样，并通过平差纠偏提高了匹配精度，在施工上，通过N+1段和N+4段同时施工，极大提高了施工效率，并且还不影响匹配精度，因此本发明加快施工速度同时减小因场地振动对施工精度的干扰，对应算法的实现，解决该技术的关键技术问题，方便应用推广。
附图说明
图1为本发明实施例中预制施工梁段匹配方法流程图。
图2为本发明实施例中匹配制梁台上布局分布示意图。
图3为本发明实施例中预制节段上观测点分布示意图。
100-匹配制梁台，101-测量塔，102-第一匹配段工位，103-第二匹配段工位，104-第一现浇工位，105-第二现浇工位；200-N号预制节段，210-N+1号预制节段，220-N+2号预制节段，230-N+4号预制节段，FL1、FH1、FR1、BL1、BH1、BR1、FL3、FH3、FR3、BL3、BH3、BR3-观测点。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
为解决上述问题，本发明提出一种桥梁短线法预制施工梁段匹配方法，用于预制桥梁节段双端面同步匹配短线施工方法中预制梁段匹配计算。
具体实施步骤为：
步骤1、如图2所示，在桥梁短线法的匹配制梁台100上设置测量塔101、第一匹配段工位102、第二匹配段工位103、第一现浇工位104和第二现浇工位105，第一匹配段工位102和第二匹配段工位103并列间隔设置，两个匹配段工位之间间隔为第一现浇工位104，第二现浇工位105设于匹配制梁台100上任意位置，当然最优的是与第二匹配段工位103对齐设置；所述测量塔101上设有用于对两个匹配段工位上预制节段进行测量的观测设备，比如全站仪等；
步骤2、根据桥梁设计线形与节段划分建立整体坐标系O（X，Y，Z），每个预制节段上设有若干观测点，N号预制节段200上第i个观测点在整体坐标系内坐标表示为P（X i,n ，Y i,n ，Z i,n ）；本实施例中，在每个预制节段上设置6个观测点，如图3所示，分别取预制节段左右两端的两个边点和中间点，六个观测点编号为：FL n 、FH n 、FR n 、BL n 、BH n 、BR n ；FL n 为左端上边点，FH n 为左端中间点，FR n 为左端下边点，BL n 为右端上边点，BH n 为右端中间点，BR n 为右端下边点，其中观测点FH n -BH n 连线为N号预制节段200的中间线。
步骤3、建立节段局部坐标系：基于预制节段建立局部坐标系，N号预制节段200上的建立局部坐标系记为O n ，n为与N相同的序号，N+2号预制节段220上的建立局部坐标系记为O n+2，根据N号预制节段200和N+2号预制节段220在整体坐标系O中的相对位置关系计算得到N号预制节段200和N+2号预制节段220的局部坐标系相对位置关系；
建立节段局部坐标系过程中，对于N号预制节段200，以观测点FH 1作为N号预制节段200的局部坐标系的原点，观测点FH 1-观测点FL 1连线为N号预制节段200的局部坐标系Y轴，观测点FH 1-观测点BH 1连线为X轴，Z轴遵守右手螺旋法则。
N+2号预制节段220局部坐标系记为O n+2，建立方法相同，即以观测点FH 3作为N+2号预制节段220的局部坐标系的原点，观测点FH 3-观测点FL 3连线为N+2号预制节段220的局部坐标系Y轴，观测点FH 3-观测点BH 3连线为X轴，Z轴遵守右手螺旋法则。
局部坐标系和整体坐标系之间转换关系如下：
根据桥梁设计线形与节段划分得到预制节段和和桥梁整体之间的关系，得到局部坐标系与整体坐标系之间的转换关系；对于N号预制节段200上的局部坐标系O n 与整体坐标系转换关系如下：
Figure SMS_1
公式（1）
上式中，
Figure SMS_2
为N号预制节段200中第i个观测点在局部坐标系O n 中的三维坐标；
Figure SMS_3
为N号预制节段200的局部坐标系O n 相对于整体坐标系O的平移量；
Figure SMS_4
为N号预制节段200中第i个观测点在整体坐标系O中的三维坐标；
K n 为N号预制节段200上观测点坐标转换过程中的比例调整矩阵，R(ε) n 为N号预制节段200上观测点坐标转换过程中的旋转矩阵。
对于N+2号预制节段220上观测点在局部坐标系O n+2与整体坐标系转换关系如下：
Figure SMS_5
公式（2）
上式中，
Figure SMS_6
为N+2号预制节段220中第i个观测点在局部坐标系O n+2中的三维坐标；
Figure SMS_7
为N+2号预制节段220的局部坐标系O n+2相对于整体坐标系O的平移量；
Figure SMS_8
为N+2号预制节段220中第i个观测点在整体坐标系O中的三维坐标；
Figure SMS_9
为N+2号预制节段220上观测点坐标转换过程中的比例调整矩阵逆矩阵，
Figure SMS_10
为N号预制节段200上观测点坐标转换过程中旋转矩阵的转置矩阵。
上式建立的局部坐标系O n+2和局部坐标系O n 均为理论坐标系，由于桥梁设计和节段划分时尺寸参数是已知的，因此上式公式（1）和公式（2）中转换参数是已知的。
步骤4、通过第二现浇工位105依次制备N号预制节段200（N从等于0开始）和N+2号预制节段220，并吊装或通过小车转移至第一匹配段工位102和第二匹配段工位103，具体的，根据桥梁设计线形与节段划分，先通过第二现浇工位105现浇制备N号预制节段200，N号预制节段200养护到一定强度后，通过吊装设备移动到第一匹配段工位102，然后第二现浇工位105现浇制备N+2号预制节段220，N+2号预制节段220养护到一定强度后通过吊装设备移动到第二匹配段工位103，如图1和图3所示状态。
步骤5、建立施工坐标系：调整N+2号预制节段220的姿态使得局部坐标系记为O n+2的Z轴与测量塔101的轴线平行；基于N+2号预制节段220建立施工坐标系F，施工坐标系F的原点与局部坐标系O n+2的原点重合，Z轴与局部坐标系记为O n+2的Z轴重合，施工坐标系即为测量塔101上测量设备的测量坐标系，通过N+2号预制节段220的局部坐标系O n+2与整体坐标系之间相对位置关系，得到施工坐标系与整体坐标系之间相对位置关系；
施工坐标系建立方法和N+2号预制节段220局部坐标系建立方法相同，如图3所示，即以观测点FH 3作为施工坐标系的原点，观测点FH 3-观测点FL 3连线为施工坐标系的Y轴，观测点FH 3-观测点BH 3连线为施工坐标系的X轴，施工坐标系的Z轴遵守右手螺旋法则。
施工坐标系F基于局部坐标系记为O n+2建立，因此，施工坐标系与整体坐标系转换公式如下：
Figure SMS_11
公式（3）
上式中，
Figure SMS_12
为N+2号预制节段220中第i个观测点在施工坐标系中的三维坐标；
K F 为从整体坐标系往施工坐标系转换过程中的比例调整矩阵，
Figure SMS_13
；
R(ε) F 为从整体坐标系往施工坐标系转换过程中旋转矩阵，其中
Figure SMS_14
。
步骤6、N+2号预制节段220调整及施工坐标系误差修正：在不考虑误差情况下，根据施工坐标系与整体坐标系的转换关系计算N+2号预制节段220上观测点在施工坐标系内的理论坐标；
通过测量塔101测得N+2号预制节段220上观测点的实际坐标，通过平差计算方法确定平均误差，利用平均误差调整N+2号预制节段220的姿态和位置，完成N+2号预制节段220施工放样，同时利用平均误差修正施工坐标系；具体如下：
步骤6.1、基于步骤5中公式（3）计算得到N+2号预制节段220中第i个观测点在施工坐标系中的理论三维坐标
Figure SMS_15
步骤6.2、计算N+2号预制节段220上每个观测点的实测坐标与理论坐标之差，公式如下：
Figure SMS_16
公式（4）
Figure SMS_17
为N+2号预制节段220上第i个观测点在施工坐标系F中的实测三维坐标；
Figure SMS_18
为N+2号预制节段220上第i个观测点在施工坐标系F中实测坐标与理论坐标之差；
步骤6.3、计算施工坐标系中N+2号预制节段220上观测点的实测坐标与理论坐标的平均差，公式如下：
Figure SMS_19
公式（5）
Figure SMS_20
为施工坐标系中N+2号预制节段220上观测点的实测坐标与理论坐标的平均差；
步骤6.4、利用N+2号预制节段220上观测点的实测坐标与理论坐标的平均差来调整N+2号预制节段220的位置和姿态；
步骤6.5、基于修正位置和姿态后的N+2号预制节段220重新计算施工坐标系与整体坐标系的转换参数；
Figure SMS_21
公式（6）
dK和dR(ε)分别是利用平均差对比例调整矩阵和旋转矩阵的修正计算。
步骤7、确定匹配节段位置：根据N号预制节段200和N+2号预制节段220的在整体坐标系中的相对位置关系，计算N号预制节段200上观测点在施工坐标系中的匹配坐标；计算公式如下：
对于N号预制节段200上的观测点在施工坐标系与整体坐标系转换关系如下：
Figure SMS_22
公式（7）
上式中，
Figure SMS_23
为N号预制节段200中第i个观测点在施工坐标系中的理论三维坐标；
Figure SMS_24
为N号预制节段200中第i个观测点在整体坐标系O中的三维坐标。
步骤8、放样匹配节段：根据匹配坐标和实际观测坐标差调整N号预制节段200的位置和姿态，完成N号预制节段200和N+2号预制节段220之间匹配；具体方法如下：
步骤8.1、通过观测塔（上的测量设备全站仪）测量得到N号预制节段200上所有观测点的实测坐标
Figure SMS_25
步骤8.2、计算N号预制节段200上每个观测点的实测坐标与理论坐标之差，公式如下：
Figure SMS_26
公式（8）
Figure SMS_27
为N号预制节段200中第i个观测点在施工坐标系中实测坐标与理论坐标之差；
步骤8.3、计算施工坐标系中N号预制节段200上观测点的实测坐标与理论坐标的平均差，公式如下：
Figure SMS_28
公式（9）
Figure SMS_29
为施工坐标系中N号预制节段200上观测点的实测坐标与理论坐标的平均差；
步骤8.4、利用施工坐标系中N号预制节段200上观测点的实测坐标与理论坐标的平均差来调整N号预制节段200的位置和姿态，完成N号预制节段200的匹配放样。
步骤9、浇筑段施工：在N号预制节段200和N+2号预制节段220之间安装N+1号预制节段210的模板，并放置钢筋笼及观测标，浇筑混凝土施工，养护至一定强度，完成第一次匹配施工；同时在第二现浇工位105安装N+4号预制节段230的模板，并放置钢筋笼及观测标，浇筑混凝土施工，养护至一定强度得到N+4号预制节段230；
步骤10、预制梁段移位：待N+1号预制节段210硬化后，将N号预制节段200、N+1号预制节段210依次移出匹配制梁台100，并搬运至存梁区，然后将N+2号预制节段220移动到原N号预制节段200所在的第一匹配段工位102，作为新的N号预制节段；将N+4号预制节段230移动到原N+2号预制节段220所在的第二匹配段工位103作为新的N+2号预制节段；
步骤11、循环执行步骤5至步骤10，直至完成所有预制节段施工。
本发明实施例步骤6至步骤8中N号预制节段200和N+2号预制节段220之所以需要进行偏差修正是因为节段预制过程中产生的实际形状与理论形状存在偏差；由于这种偏差存在，虽然设计时，6个观测点处于预制节段的同一平面，但实际施工完成后，通过测量塔101测量时，得到的坐标点数据可能不完全在一个平面上，当然这种误差如果在一定程度范围内，是允许的，因此需要对N号预制节段200、N+2号预制节段220的实际位置进行校正；对于本发明来说，本发明一般采用设置在测量塔101上的全站仪来测量预制节段上各个观测点的坐标，施工坐标系实际上就是全站仪的坐标系，测量时将全站仪的目标点（光轴）与N+2号预制节段220的局部坐标原点重合，然后按照建立N+2号预制节段220局部坐标系的方式建立施工坐标系；当然由于预制节段上6个观测点实际坐标和理论坐标存在偏差，所以施工坐标系相对于N+2号预制节段220不是那么正，虽然对于测量没有影响，但是对于后续N号预制节段200匹配计算数据复杂度构成影响；因此需要先对N+2号预制节段220进行调整，其中一种调整方式就是保证施工坐标系的XOY平面尽量与6个观测点之间距离保持最小。最优的，调整过程中，保证施工坐标系的坐标原点与N+2号预制节段220上的观测点FH n+2保持重合，并且始终需要保证施工坐标系的Z轴和测量塔101的轴线平行，也就是处于铅直方向。
所述偏差包括梁长误差和偏角误差；所述梁长误差为梁段在预制过程中，由于多种因素影响，会使梁段的实际轴线长度与理论轴线长度不一致；所述偏角误差为梁段实际浇筑后匹配梁段的位置发生改变，造成了现浇梁段与匹配梁段之间的夹角发生改变，导致了角度误差的产生。在预制过程中平面、立面都会产生角度误差。以上误差主要来源于测量误差、模板系统偏差、台座基础沉降、测量塔101不稳定以及匹配梁胀模引起的整体位移。
本发明还提供一种利用Bursa模型公式进行三维坐标转换时的旋转矩阵计算方法，具体如下：
对空间坐标变换采用7参数模型:3个平移参数(ΔX，ΔY，ΔZ)、3个旋转参数(ε x ，ε y ，ε z )和1个尺度参数K。ΔX，ΔY，ΔZ分别为X，Y，Z方向上的平移量，ε x ，ε y ，ε z 分别为绕X，Y，Z轴的旋转角度。由于节段受到混凝土硬化与温度等因素影响，节段尺寸也会发生微小的变化，因此，尺度参数K也纳入坐标变换模型。基于7参数的空间坐标转换模型如公式（1）所示
R(ε)的构建过程如下：
首先将N号预制节段200的局部坐标系的坐标轴绕X轴逆时针旋转ε x ，构建旋转矩阵R(ε x )；再将坐标轴绕新的Y轴逆时针旋转ε y ，构建旋转矩阵R(ε y )；最后将坐标轴绕新的Z轴逆时针旋转ε z ，构建旋转矩阵R(ε z )。3次旋转变换合并得到旋转矩阵R(ε) n ；
R(ε) n =R(ε x )R(ε y )R(ε z ) 公式（10）
Figure SMS_30
公式（11）
Figure SMS_31
公式（12）
Figure SMS_32
公式（13）
Figure SMS_33
公式（14）
其中，R11=cosε y cosε z ；R12=cosε x sinε z +sinε x sinε y cosε z ；R13=sinε x sinε z -cosε x sinε y cosε z ；R21=-cosε y sinε z ；R22=cosε x cosε z -sinε x sinε y sinε z ；R23=sinε x cosε z +cosε x sinε y sinε z ；R31=sinε y ；R32=-sinε x cosε y ；R32=cosε x cosε y ；
显然，公式（14）代入公式（1）是一个非线性方程，对于Bursa模型，认为ε x ，ε y ，ε z 的值很小，利用sinε x ≈ε x ，sinε y ≈ε y ，sinε z ≈ε z ，cosε x ≈1，cosε y ≈1，
cosε z ≈1，sinε x sinε y ≈0，sinε x sinε z ≈0，sinε y sinε z ≈0进行近似替代，所以公式（14）可以简化为
Figure SMS_34
公式（15）
Bursa模型将简化后的旋转矩阵R(ε)代入式(1)则转换为线性方程，方便利用最小二乘进行间接平差求解计算转换7参数。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种桥梁短线法预制施工梁段匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在桥梁短线法的匹配制梁台上设置测量塔、第一匹配段工位、第二匹配段工位、第一现浇工位和第二现浇工位，第一匹配段工位和第二匹配段工位并列间隔设置，两个匹配段工位之间间隔为第一现浇工位，第二现浇工位设于匹配制梁台上任意位置；所述测量塔上设有用于对两个匹配段工位上预制节段进行测量的观测设备；
步骤2、根据桥梁设计线形与节段划分建立整体坐标系O（X，Y，Z），每个预制节段上设有若干观测点，N号预制节段上第i个观测点在整体坐标系内坐标表示为P（X i,n ，Y i,n ，Z i,n ）；
步骤3、建立节段局部坐标系：基于预制节段建立局部坐标系，N号预制节段上的建立局部坐标系记为O n ，N+2号预制节段上的建立局部坐标系记为O n+2，根据N号预制节段和N+2号预制节段在整体坐标系O中的相对位置关系计算得到N号预制节段和N+2号预制节段的局部坐标系相对位置关系；
步骤4、通过第二现浇工位依次制备N号预制节段和N+2号预制节段，并吊装至第一匹配段工位和第二匹配段工位；
步骤5、建立施工坐标系：调整N+2号预制节段的姿态使得局部坐标系记为O n+2的Z轴与测量塔的轴线平行；基于N+2号预制节段建立施工坐标系F，施工坐标系建立方法和N+2号预制节段的局部坐标系建立方法相同，施工坐标系F的原点与局部坐标系O n+2的原点重合，Z轴与局部坐标系记为O n+2的Z轴重合，施工坐标系即为测量塔上测量设备的测量坐标系，通过N+2号预制节段的局部坐标系O n+2与整体坐标系之间相对位置关系，得到施工坐标系与整体坐标系之间相对位置关系；
步骤6、N+2号预制节段调整及施工坐标系误差修正：在不考虑误差情况下，根据施工坐标系与整体坐标系的转换关系计算N+2号预制节段上观测点在施工坐标系内的理论坐标；
通过测量塔测得N+2号预制节段上观测点的实际坐标，通过平差计算方法确定平均误差，利用平均误差调整N+2号预制节段的姿态和位置，完成N+2号预制节段施工放样，同时通过平均误差对施工坐标系与整体坐标系的转换关系进行校正；
步骤7、确定匹配节段位置：根据N号预制节段和N+2号预制节段的在整体坐标系中的相对位置关系，计算N号预制节段上观测点在施工坐标系中的匹配坐标；
步骤8、放样匹配节段：根据匹配坐标和实际观测坐标差调整N号预制节段的位置和姿态，完成N号预制节段和N+2号预制节段之间匹配；
步骤9、浇筑段施工：在N号预制节段和N+2号预制节段之间安装N+1号预制节段的模板，进行N+1号预制节段的现浇施工，完成第一次匹配施工；同时在第二现浇工位安装N+4号预制节段的模板，进行N+4号预制节段的现浇施工；
步骤10、预制梁段移位：待N+1号预制节段硬化后，将N号预制节段、N+1号预制节段依次移出匹配制梁台，并搬运至存梁区，然后将N+2号预制节段移动到原N号预制节段所在的第一匹配段工位，作为下一次匹配施工的N号预制节段；将N+4号预制节段移动到原N+2号预制节段所在的第二匹配段工位作为下一次匹配施工的N+2号预制节段；
步骤11、循环执行步骤5至步骤10，直至完成所有预制节段施工。
2.根据权利要求1所述桥梁短线法预制施工梁段匹配方法，其特征在于：每个预制节段上设有6个观测点，分别取预制节段左右两端的两个边点和中间点，六个观测点编号为：FL n 、FH n 、FR n 、BL n 、BH n 、BR n ，n表示预制节段的编号；其中观测点FH n -BH n 连线为N号预制节段的中间线。
3.根据权利要求2所述桥梁短线法预制施工梁段匹配方法，其特征在于：步骤3中，建立局部坐标系方法如下：
以观测点
Figure QLYQS_1
作为N号预制节段的局部坐标系的原点，观测点FH n -FL n 连线为N号预制节段的局部坐标系Y轴，观测点FH n -BH n 连线为X轴，Z轴遵守右手螺旋法则，建立局部坐标系记为O n ；按照相同方法建立局部坐标系O n+2。
4.根据权利要求3所述桥梁短线法预制施工梁段匹配方法，其特征在于：步骤3中，局部坐标系和整体坐标系之间转换关系如下：
根据桥梁设计线形与节段划分得到预制节段和和桥梁整体之间的关系，得到局部坐标系与整体坐标系之间的转换关系；对于N号预制节段上的局部坐标系O n 与整体坐标系转换关系如下：
Figure QLYQS_2
公式（1）
上式中，
Figure QLYQS_3
为N号预制节段中第i个观测点在局部坐标系O n 中的三维坐标；
Figure QLYQS_4
为N号预制节段的局部坐标系O n 相对于整体坐标系O的平移量；
Figure QLYQS_5
为N号预制节段中第i个观测点在整体坐标系O中的三维坐标；
K n 为N号预制节段上观测点坐标转换过程中的比例调整矩阵，R(ε) n 为N号预制节段上观测点坐标转换过程中的旋转矩阵；
对于N+2号预制节段上观测点在局部坐标系O n+2与整体坐标系转换关系如下：
Figure QLYQS_6
公式（2）
上式中，
Figure QLYQS_7
为N+2号预制节段中第i个观测点在局部坐标系O n+2中的三维坐标；
Figure QLYQS_8
为N+2号预制节段的局部坐标系O n+2相对于整体坐标系O的平移量；
Figure QLYQS_9
为N+2号预制节段中第i个观测点在整体坐标系O中的三维坐标；
Figure QLYQS_10
为N+2号预制节段上观测点坐标转换过程中的比例调整矩阵逆矩阵，
Figure QLYQS_11
为N号预制节段上观测点坐标转换过程中旋转矩阵的转置矩阵。
5. 根据权利要求4所述桥梁短线法预制施工梁段匹配方法，其特征在于：步骤5中，施工坐标系F基于局部坐标系记为O n+2建立，因此，施工坐标系与整体坐标系转换公式如下：
Figure QLYQS_12
公式（3）
上式中，
Figure QLYQS_13
为N+2号预制节段中第i个观测点在施工坐标系中的三维坐标；
Figure QLYQS_14
为从整体坐标系往施工坐标系转换过程中的比例调整矩阵，
Figure QLYQS_15
；
R(ε) F 为从整体坐标系往施工坐标系转换过程中旋转矩阵，其中
Figure QLYQS_16
。
6. 根据权利要求5所述桥梁短线法预制施工梁段匹配方法，其特征在于：步骤6中，具体步骤如下：
步骤6.1、基于步骤5中公式（3）计算得到N+2号预制节段中第i个观测点在施工坐标系中的理论三维坐标
Figure QLYQS_17
步骤6.2、计算N+2号预制节段上每个观测点的实测坐标与理论坐标之差，公式如下：
Figure QLYQS_18
公式（4）
Figure QLYQS_19
为N+2号预制节段上第i个观测点在施工坐标系中的实测三维坐标；
Figure QLYQS_20
为N+2号预制节段上第i个观测点在施工坐标系中实测坐标与理论坐标之差；
步骤6.3、计算施工坐标系中N+2号预制节段上观测点的实测坐标与理论坐标的平均差，公式如下：
Figure QLYQS_21
公式（5）
Figure QLYQS_22
为施工坐标系中N+2号预制节段上观测点的实测坐标与理论坐标的平均差；
步骤6.4、利用N+2号预制节段上观测点的实测坐标与理论坐标的平均差来调整N+2号预制节段的位置和姿态；
步骤6.5、基于修正位置和姿态后的N+2号预制节段重新计算施工坐标系与整体坐标系的转换参数；
Figure QLYQS_23
公式（6）
dK和
Figure QLYQS_24
分别是利用平均差对比例调整矩阵和旋转矩阵的修正计算。
7. 根据权利要求6所述桥梁短线法预制施工梁段匹配方法，其特征在于：步骤7中，对于N号预制节段上的观测点在施工坐标系与整体坐标系转换关系如下：
Figure QLYQS_25
公式（7）
上式中，
Figure QLYQS_26
为N号预制节段中第i个观测点在施工坐标系中的理论三维坐标；
Figure QLYQS_27
为N号预制节段中第i个观测点在整体坐标系O中的三维坐标。
8. 根据权利要求7所述桥梁短线法预制施工梁段匹配方法，其特征在于：步骤8中，放样匹配具体方法如下：
步骤8.1、通过观测塔测量得到N号预制节段上所有观测点的实测坐标
Figure QLYQS_28
步骤8.2、计算N号预制节段上每个观测点的实测坐标与理论坐标之差，公式如下：
Figure QLYQS_29
公式（8）
Figure QLYQS_30
为N号预制节段中第i个观测点在施工坐标系中实测坐标与理论坐标之差；
步骤8.3、计算施工坐标系中N号预制节段上观测点的实测坐标与理论坐标的平均差，公式如下：
Figure QLYQS_31
公式（9）
Figure QLYQS_32
为施工坐标系中N号预制节段上观测点的实测坐标与理论坐标的平均差；
步骤8.4、利用施工坐标系中N号预制节段上观测点的实测坐标与理论坐标的平均差来调整N号预制节段的位置和姿态，完成N号预制节段的匹配放样。
9.根据权利要求8所述桥梁短线法预制施工梁段匹配方法，其特征在于：步骤9中，N+1号预制节段和N+4号预制节段的现浇方法一样，均是先打模板，然后放置钢筋笼及观测标，浇筑混凝土施工，养护至一定强度。
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