大型斜拉橋高塔柱索道管精密定位測(cè)量方法研究

1、大型斜拉橋高塔柱索道管精密定位測(cè)量方法研究黃張?jiān)?, 趙仲榮1, 黃騰1, 金華2(1. 河海大學(xué)土木工程學(xué)院, 江蘇南京210024; 2. 南京長(zhǎng)江二橋建設(shè)指揮部, 江蘇南京210028摘要:本文結(jié)合南京長(zhǎng)江二橋南汊橋高塔柱索道管精密定位測(cè)量實(shí)踐, 分析了索道管定位方法, 總結(jié)三維極坐標(biāo)法放樣高塔柱索道管的原理、精度和數(shù)據(jù)處理等問(wèn)題, 證明是可行的, 能確保定位的精度。關(guān)鍵詞:索道管; 三維極坐標(biāo)法中圖分類(lèi)號(hào):U 446. 2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BAbstract :A p recision pos itioning m ethod w ith 3-D p olar coordinates to

2、set out the cablew ay-tu bes of tower-column in a bridge is in-troduced. Its principle, accuracy and d ata processin g ar e descr ibed. T he meth od is operational and can achieve high er accuracy. A practi-cal project is us ed as a case.Key words :cablew ay -tube ; 3-D polar coordinates 收稿日期:1999-1

3、1-23; 修訂日期:2000-02-24作者簡(jiǎn)介:黃張?jiān)?1969 , 男(漢族 , 浙江寧波人, 河海大學(xué)講師1前言大型斜拉橋主要由塔、梁、索三大部分組成, 是一種塔墩高、主梁跨度大的高次超靜定結(jié)構(gòu)體系。這種超靜定結(jié)構(gòu)體系對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的要求十分嚴(yán)格, 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的變化都將影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分配和成橋線(xiàn)性。為滿(mǎn)足大型斜拉橋這種高次超靜定結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求, 在斜拉橋高塔柱施工中, 索道管的精密定位顯得非常重要。受實(shí)際施工條件限制, 高塔柱索道管的定位施工放樣困難, 但要求精度高。如南京長(zhǎng)江二橋南汊橋主塔高度195. 550m , 定位精度要求平面位置偏差小于5mm , 高程偏差小于10mm 。如何比

4、較好地解決索道管精密定位測(cè)量是至關(guān)重要的, 對(duì)以后大橋的主梁施工和有效發(fā)揮斜拉索的垂直分力向上提拉起到關(guān)鍵作用, 也直接影響到大橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配和成橋線(xiàn)性。因此, 針對(duì)主塔結(jié)構(gòu)和索道管的布置, 選擇科學(xué)的方法, 制定詳細(xì)而周密的索道管定位方案是保證索道管定位質(zhì)量的基礎(chǔ)。2高塔柱索道管的布置及定位精度設(shè)計(jì)斜拉索是連接主塔和主梁的紐帶, 而索道管是將纜索兩端分別錨固在主塔和主梁上的重要構(gòu)件, 為了防止纜索與索道管口發(fā)生摩擦而損壞纜索, 影響工程質(zhì)量, 以及保證對(duì)稱(chēng)主塔兩側(cè)的各斜拉纜索位于同一設(shè)計(jì)平面上, 防止錨固定偏心而產(chǎn)生的附加彎矩超過(guò)設(shè)計(jì)允許值, 對(duì)索道管錨墊板中心和塔壁外側(cè)套筒中心的三維空間坐

5、標(biāo)位置提出了很高的精度要求, 按大型斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)定, 一般要求纜索、錨具軸線(xiàn)偏差小于5mm 。纜索通常采用扇形布置, 主塔上的索道管均布置在主塔的上塔柱段, 它們分布密集, 傾角變化大, 在順橋向, 岸側(cè)和江側(cè)索道管近似對(duì)稱(chēng)于墩中心線(xiàn)。索道管的長(zhǎng)度和塔柱形狀、施工方法、張拉作業(yè)的空間布置和傾角等因素有關(guān), 如圖1所示為張拉空間在塔柱中間的索道管布置示意圖。南京長(zhǎng)江二橋南汊橋南塔上、下游塔柱在標(biāo)高127. 834m 182. 084m 間各布設(shè)20對(duì)索道管, 其傾角最大79. 1, 最小26. 8, 索道管最長(zhǎng)8. 35m , 最短1. 56m 。一般情況, 索道管越長(zhǎng), 體積越大, 重量越重,

6、則相應(yīng)的定位難度越大。圖1張拉空間在塔柱中間的索道管布置示意圖索道管的定位精度設(shè)計(jì)參考“公路施工及驗(yàn)收規(guī)范匯編”(JT T 03386 , 結(jié)合大型斜拉橋設(shè)計(jì)要求和施工工藝。在靜態(tài)狀態(tài)下, 由于纜索拉力的作用點(diǎn)位置偏差而產(chǎn)生的附加彎距不得超過(guò)某一設(shè)計(jì)值; 而施工中纜索中心和索道管中心不同心的最不利影響也不得因管口中心偏差而與纜索發(fā)生摩擦, 以至于影響纜索的使用壽命。綜合以上因素, 目前較多采用索道管口中心三維坐標(biāo)偏差小于5m m 的精度要求。3高塔柱索道管定位方法斜拉橋隨著跨度的不同, 塔柱高度亦不同, 索道管的埋設(shè)也不同。為了將這些密集而龐大的物件一次性達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的精度要求, 保證眾多索道

7、管口的中心位于同一坐標(biāo)平面內(nèi),確定空間點(diǎn)的三維坐標(biāo), 必須擬定相應(yīng)的測(cè)量作業(yè)方案和方法。 (1 傳統(tǒng)作業(yè)方法:建立過(guò)兩坐標(biāo)軸(橋軸坐標(biāo)系 的鉛垂豎面作基準(zhǔn)面, 然后利用空間點(diǎn)面關(guān)系確定空間點(diǎn)的平面坐標(biāo), 利用塔柱的高程基準(zhǔn), 輔以鋼尺導(dǎo)入法聯(lián)測(cè)高程。鑒于高塔柱很高, 施工空間小而且現(xiàn)場(chǎng)干擾大, 必須建立定位控制體系, 設(shè)置專(zhuān)用的定位支架, 便于索道管的支承和定位調(diào)整。如圖2所示, 在索道鋼管上焊接有專(zhuān)用的定位支座, 支座的底板支承在定位架上, 并設(shè)置相應(yīng)的水平和豎向牽引微動(dòng)螺桿, 供索道管調(diào)整定位時(shí)使用。利用這種傳統(tǒng)作業(yè)方法必須建立矩形定位控制網(wǎng)和豎直基準(zhǔn)面, 該方法操作困難, 工作量大, 而

8、且速度不易控制,尤其在連續(xù)的高空作業(yè)中不易滿(mǎn)足要求。 圖2索道管定位支架(2 三維空間極坐標(biāo)法:借助于現(xiàn)代高精度測(cè)量?jī)x器(如T C2002全站儀等 , 利用斜拉橋施工專(zhuān)用控制網(wǎng), 進(jìn)行全站儀空間三維極坐標(biāo)測(cè)量, 直接測(cè)定索道管錨墊板中心和塔壁外側(cè)索道管中心, 從而進(jìn)行定位調(diào)整。它將以高精度、高速度提供放樣點(diǎn), 同時(shí)克服施工干擾給測(cè)量帶來(lái)的困難, 大大提高工作效率。(a 索道管錨墊板中心的標(biāo)定, 利用一定厚度的鋼板加工一個(gè)圓形中心標(biāo)定器(如圖3(b 所示 , 該標(biāo)定器的直徑與斜拉索鋼套管內(nèi)徑一致, 四周焊接對(duì)稱(chēng)的四塊墊板, 精確標(biāo)定圓周中心, 并做好標(biāo)記。使用時(shí)只要把中心標(biāo)定器蓋到索道管錨板中心

9、,吻合即可得到錨板中心位置。圖3(a 索道管錨板口圖3(b 索道管錨墊板中心標(biāo)定器(b 塔壁外側(cè)索道管中心的標(biāo)定, 同樣, 用一定厚度(約1cm 鋼板加一個(gè)半圓形的標(biāo)定器(如圖4(b 所示 , 該標(biāo)定器直徑與斜拉索索道管內(nèi)徑一致, 精確標(biāo)定圓周中心并作好標(biāo)記。使用時(shí)只要把標(biāo)定器插入預(yù)先標(biāo)定好的套管外口中心所在圓周線(xiàn)上, 吻合即得外側(cè)套筒中心位置。該方法使用方便, 速度快,而且能滿(mǎn)足施工要求。圖4(a 索道管側(cè)面圖圖4(b 索道管出口中心標(biāo)定器4三維空間極坐標(biāo)測(cè)量精度分析(1 以南京長(zhǎng)江二橋南汊橋索道管施工放樣為例,使用圖5施工放樣工作示意圖Leica T C 2002型全站儀測(cè)定單點(diǎn)三維坐標(biāo),

10、 儀器精度(0. 5, 1mm+1ppm D , 如圖5所示, 由兩岸岸邊專(zhuān)用控制網(wǎng)點(diǎn)(N Q 01、NQ 02 , 或另一主塔下橫梁控制點(diǎn)(N T 、BT 上架設(shè)全站儀, 測(cè)站到測(cè)點(diǎn)的距離約介于500m 700m 之間, 兩者高差約介于100m 180m 之間。專(zhuān)用控制點(diǎn)建有觀(guān)測(cè)墩和強(qiáng)制對(duì)中器, 對(duì)中誤差可以不考慮。(a 受氣象條件影響改正公式為:$D =281. 8-0. 29065P1+0. 00366t, 式中P 為大氣壓, t 為大氣溫度。(b 受球氣差影響改正公式為:$H =1-K2R D2, 式中K 為大氣垂直折光系數(shù), R 為地球曲率半徑。經(jīng)氣象改正和球氣差改正后, 可得到三維

11、極坐標(biāo)測(cè)量精度估計(jì)公式:m 2X =m 2D sin 2Z cos 2A +D 2co s 2Z cos 2A m 22+D 2sin 2Z sin 2A m 22m 2Y =m 2D sin 2Z sin 2A +D 2cos 2Z sin 2Am 2Q 2+D 2sin 2Z co s 2A m 2Q2m 2H=m 2Dco s 2Z +D 2sin 2Z m 2Z 2式中D 為斜距, Z 為天頂距, A 為水平方向。從上式可以看出,放樣點(diǎn)位精度取決于測(cè)量?jī)x器的精度(m D 、m Z 、m A 和放樣圖形元素(D 、A 、Z , 它們與測(cè)站點(diǎn)的位置和放樣點(diǎn)的高度有關(guān)。以南京長(zhǎng)江二橋南汊橋施

12、工放樣為例, 采用T C2002全站儀, 精度分析計(jì)算如表1:3 表1測(cè)站狀態(tài)放樣點(diǎn)精度D (m A( Z ( M X (mm M Y (mm M H (mm5000. 6701. 51. 11. 35500. 6701. 51. 31. 46000. 6701. 61. 41. 56500. 6701. 61. 51.67000. 6701. 71. 61.77500. 6701. 81. 71. 8從上表數(shù)據(jù)分析可知, 采用T C 2002等高精度全站儀能滿(mǎn)足高塔柱索道管的精度要求。 圖6投影面的改正示意圖(2 投影面的改正:在三維極坐標(biāo)法放樣中, 由于測(cè)站和塔柱放樣點(diǎn)的高差很大, 應(yīng)考慮

13、高程投影面的改正。如圖6所示, 距離投影公式為:$S =H -H 0S , 式中H =1(H 站+H 鏡 , H 0為投影面高程, S 為平距, R 為地球曲率半徑。由上式求得放樣斜距D 和天頂距Z 的改正數(shù)如下:$D =0 2+(S +$S 2-(H -H 0 2+S 2$Z =ar ct anS +$S H -H 0-arcta nSH -H 0以南京長(zhǎng)江二橋南汊橋施工放樣為例, 邊長(zhǎng)最大為700m計(jì)算列表如下:表2H -H 0(m$S (mm $D (mm $Z ( 20+2. 2+2. 20. 0240+4. 4+4. 40. 0760+6. 6+6. 60. 1780+8. 8+8.

14、 70. 29100+11. 0+10. 90. 45從表2可知隨著S 和H 的增加, 高程投影改正引起的改正數(shù)也隨之增加, 因此對(duì)其是不能忽略的, 當(dāng)測(cè)站遠(yuǎn)離高塔柱時(shí), 對(duì)三維極坐標(biāo)法放樣應(yīng)進(jìn)行有效的改正。此項(xiàng)改正均可以利用儀器內(nèi)部的固化程序連同氣象條件同時(shí)完成改正, 只要觀(guān)測(cè)前進(jìn)行改正設(shè)置即可, 不影響施工放樣速度。5結(jié)束語(yǔ)現(xiàn)代大型斜拉橋工程的建設(shè)需要施工測(cè)量人員快速準(zhǔn)確地提供放樣點(diǎn)位, 新型測(cè)量?jī)x器的應(yīng)用為滿(mǎn)足這種工程施工的需要提供了設(shè)備保障。在實(shí)際工作中結(jié)合工程的進(jìn)度、現(xiàn)場(chǎng)條件、大氣溫度等情況, 研究選定有利測(cè)量作業(yè)時(shí)間和相應(yīng)方案, 能大大提高測(cè)量速度, 滿(mǎn)足現(xiàn)代化快速施工要求, 并確保工程的高質(zhì)量。結(jié)合南京長(zhǎng)江二橋南汊橋高塔柱索道管精密定位測(cè)量實(shí)踐, 說(shuō)明三維坐標(biāo)法放樣是一種科學(xué)可行及有效的方法。參考文獻(xiàn)1吳棟材, 謝建綱. 大型斜拉橋施工測(cè)量. 北京:測(cè)繪出版社,1997年2