斜拉桥主塔索道管精密定位工法.doc

1 前言
随着桥梁建设的发展,斜拉桥以其良好的结构性能和跨越能力以及优美的建筑造型在现代桥梁中占据着重要地位.而斜拉桥主塔索导管的定位则是其施工过程中一项精度要求最高、工作难度最大，对成桥质量影响显著的测量工作。本工法可应用于建设条件相类似的项目，其成果将为斜拉桥索导管定位测量工作带来积极的推动作用.
2 工法特点
目前,主塔索导管的定位方法较多,主要有间接测量定位法、场地定位安装后直接吊装法等。由于其定位的精度很大程度上受管件或其他构件的加工误差影响，很难满足其定位精度要求。另外受其工法影响，其定位需要多次转换，工序繁琐，不直观。而本工法采用三维直接定位法，配以高精度精密全站仪对索导管的中轴线进行现场实时安装定位，从而达到索导管真正意义要求上的精度以及测量位置的直观性。在索导管定位时，采用可编程计算器，提前将索导管空间线型模型进行编程，测量时可进行实时测量计算，从而提高测量效率。
此工法通过技术创新以及成功应用，突破了常规的索导管定位施工方法，为国内此项技术工法填补了空白。
3 适用范围
本工法适用于斜拉桥索导管定位、悬索桥索导管定位以及类似索导管之类的管道施工定位。
4 工艺原理
索道管的定位精度包括两个方面：一是锚固点空间位置的三维允许偏差±5mm；二是索道管轴线与斜拉索轴线的允许角度偏差<5′。根据两方面的要求和斜拉索的结构受力特性，索道管的定位应优先保证其轴线精度，其次才是锚固点位置的三维精度。索道管轴线与斜拉索轴线的相对偏差主要由索道管两端口中心的相对定位精度决定。
4.1空间直角坐标系的建立
桥梁建设通常建立以桥轴线方向为X轴的平面桥梁独立坐标系和以某高程系为基准的高程值来表达工程结构物的位置。为了沟通索道管空间图形与数组之间有序的联系，以达到简化计算和方便实际操作的目的，需要建立索道管空间图形的数学模型，使空间图形与数组对应起来。而建立这个数学模型前要先建立空间直角坐标系，通常以主桥直线段桥轴线为X轴（纵轴）、在水平面内与X轴垂直的轴为Y轴（横轴）、而通过平面坐标系原点的铅垂线则是Z轴。
4.2 索导管特征点与特征轴线的寻找
索导管常规定位采用索导管的顶面线或底面线进行定位，但是，受索导管上附着物（螺旋筋、加紧钢板、附着钢筋等）影响，上下特征线将不方便或不能够准确寻找。为了解决索导管的定位问题，我们根据索导管的尺寸以及外形特征对索导管的锚固处以及出塔处设计加工了专门的定位板，（见图一、图二）。使用时，锚固处定位板直接放置在锚垫板上，直接观测定位板中心即锚固点中心坐标，进行锚垫板位置的调整定位；出塔处将出塔处定位板放置于索导管开口处，注意使定位板的半圆弧与圆杆下侧同索导管的内壁同时紧贴后，观测定位板中心即索导管出口处中心坐标，对索导管出口位置进行调整定位。

图一 索导管定位板示意图（出塔处定位板）

图二 索导管定位板示意图（锚固处定位板）
4.3 索导管定位模型：
为了定位方便，索道管定位的数学模型由空间直线方程推导、简化后，可用下式表达：
……………………………………（1）
式中单位以米计,式中对每一根索道管而言均为常数（依据设计图纸给出的索道管锚固点坐标、塔壁侧索道管中心点坐标以及索道管倾斜角度就可得出），里程X为自变量，表示斜拉索中心线上某一点的里程， Y、Z分别是与X相对应的斜拉索中心线上某一点的横向坐标与高程。
4.4 精度分析
设测站点坐标为X0,Y0,Z0，则索道管上的观测点P点的三维坐标表达式为：
……………………………………（2）
式中单位以米计, S为斜距，α 为方位角，z为竖角
应用误差传播定律对（2）式求导后得出P点的观测中误差为：
式中单位以毫米计，是三角高程单向观测的高程中误差。在一般情况下，三角高程测量误差主要还包括大气折光影响、仪器高量测误差等。其中大气折光是三角高程测量的主要误差源，索导管定位时可通过后视主塔横梁上的标高点来进行改正；棱镜高直接由棱镜杆上标数读出，精确标定后其中误差取ν=1mm。平面点位测量误差要考虑棱镜的对点误差τ。棱镜对点误差由棱镜杆倾斜误差和棱镜杆尖对点误差构成，棱镜杆倾斜误差以圆水准器的格值8′/2mm计算,杆高0.6m时,倾斜误差为0.7mm,棱镜杆尖对点误差在采用精加工标志件时取0.5mm,因此棱镜对点中误差近似取为1mm。综上分析可得P点测量误差为： ………………………………………………（4）
式中单位以毫米计，据江顺桥控制网及仪器使用情况，TCR1800全站仪标称精度为1″， 1+1ppm，取最大观测竖角最大斜距对点误差 控制点点位误差， 代入（4）式求得单镜位测量P点最大误差为：
………………（5）
5 工法工艺流程及操作要点
5.1工艺流程

图三 索导管定位工艺流程图

5.2索导管定位测量
5.2.1粗定位：
定位前，先在前后竖直的劲性骨架上搭焊两根角钢（如图四），焊接角钢前，先测出劲性骨架的里程，根据索导管下底面线性关系，并根据里程反算出该里程导管底面的设计高程，在劲性骨架上做标记，进行角钢焊接。在进行角钢焊接时，角钢的高度统一适当放低1至2cm，以便索导管进行精调。角钢焊接好之后，在角钢的顶面放出索导管轴线的Y方向，并做记号。索导管吊装时，注意将索导管的底面与角钢的接触点与角钢上的点重合。

图四 索导管定位示意图
5.2.2精调：
索导管粗吊装好之后进行索导管精调。精调时，首先利用锚固处定位板直接测定锚固处三维坐标对锚固点进行精调。将锚固点精调到位，暂用倒链进行固定,然后再利用出塔处定位板对索导管出塔处进行调整。出塔点调整时，根据索导管轴线性方程，利用实测轴线里程（X坐标）进行设计高程与横桥向(Y坐标)推算，进行上下左右调整。出塔点调好之后，再对锚固点进行复测、调整，直至锚固点和出塔点同时满足定位要求，然后对索导管进行加固。
5.3工艺注意事项
5.3.1仪器配备
要满足索导管的定位要求，必须要借助于现代高精度的测量仪器。全站仪的高精度在很大程度上依赖于轴系误差的改正功能，尤其对于主塔倾角较大的索导管外业观测情况，因此，选用的全站仪性能非常重要。同时，在索导管定位前必须实时检测各项轴系误差以确保设置值为当前状态下的实测值，这对于高精度的单镜模式非常重要。
5.3.2 控制测量
根据测区地形条件，用于索导管定位测量的局部控制网通常布设为二等控制网，网形为大地四边形，控制点均埋设为带有强制对中装置的观测墩。用三维极坐标法进行索导管定位时，标高采用三角高程法传递，因此，观测墩既作为平面控制点，同时也是高程控制点。按照索导管的定位要求，控制测量应从两个方面考虑：对于锚固点的绝对三维精度，控制测量应符合不显著影响原则，即控制点误差所引起的误差为放样点总误差的0.4倍时，使总误差仅增加10％,因此,依据精密控制测量要求取平面控制和高程控制的相邻点相对点位中误差小于±3mm；对于索导管轴线与斜拉索轴线的相对偏差，由于使用同一个控制点观测索导管两端口中心的三维坐标，因此其定位精度不受控制点本身误差的影响。由于控制网在施工中使用频繁，因此，在索导管定位前及定位过程中须经常对控制网的稳定可靠性进行检测。采用极坐标法放样时，应坚持使用双后视法，以减小角度观测误差。
5.3.3索导管垂曲改正
斜拉索由于自重等原因，在悬挂后会产生一个自由下垂的拱度，并随着斜拉索拉力的变化而变化。因此，斜拉索两端钢导管安装时，必须考虑垂度引起的索两端倾角的变化量，否则将造成导管轴线偏位，一般情况下，可按抛物线计算索导管的倾角修正值，即：

图四 斜拉索垂度影响示意图

式中 ：斜拉索容重；：斜拉索成桥后索力；
：斜拉索两端水平投影长度；：斜拉索截面面积。
当索的水平投影长度很长时（L>300m），按抛物线计算会带来一定的误差，因而采用更精确的悬链线方程求解。
5.3.4投影面的改正
在三维极坐标法对索导管进行观测时，索导管分布在上塔柱，其所在位置与两岸侧的测站点之间高差较大，所以在索导管定位时必须考虑高程投影面的改正。
距离投影改正公式为：
，
式中H为测线平均高程，H0为投影面高程，S为平距，R为地球曲率半径。
通过改正全站仪里棱镜常数设置的办法进行修正测量距离。
5.3.5球气差改正
受气象条件影响改正公式为：

式中P为大气压，t为大气温度；
受球气差影响改正公式为：

式中，K为大气折光系数，R为地球曲率半径⑵。
此项改正可以利用修改全站仪内部程序设置里的气象条件来完成改正。
5.3.6三角高程误差的消除
对于高塔柱的高程测量，全站仪测距三角高程具有方法简便灵活、作业速度快、效率高、受地形条件限制较少等特点，经济指标优于几何水准测量。目前影响全站仪三角高程精度的主要因素仍然是大气折光的影响。由于大气折光系数与气候、地区以及地形等复杂因素相关，即使同一边的两端也不尽相同，因此，用对向观测或水准测量反算的大气折光系数K值或平均K值，对一个地区的三角高程进行改正，并不能真正减弱大气折光的影响。而对于大跨度的斜拉桥进行索导管测量时，对向观测非常困难，大气折光影响比较严重。为减少这种误差，在主塔横梁大小里程侧各埋设一个高精度的高程控制点 ，在进行索导管三维测量时，后视横梁上的高程控制点，实时计算：

用计算所得的值对全站仪设置的K值进行修正。由于视线所通过的环境与后视大致相同，可以基本消除大气折光对高程测量的影响。
5.3.7定位时间段的选择
在进行索导管定位时，由于塔柱受日照、风力、以及塔柱内外温度不均等因素影响，塔柱位置会发生随机的变化。在进行索导管高精度定位时，要选择合适的测量时间段。在没有日照、没有3级以上大风，且空气湿度及塔柱温度变化不大的时间段里进行索导管定位。一般情况下，宜选择在夜间8点到第二天早上5点进行测量定位作业，以减少塔柱变形对索导管定位精度的影响。
6 主要测量仪器设备
主要测量仪器设备
序号
名称
数量
备注
1
全站仪
1台
标称精度（测角≤1″，测距≤1+1ppm）
2
计算器
2部
可编程
3
棱镜
2套
棱镜杆为可伸长的45cm棱镜杆
4
对讲机
4部

7 投入人员情况表
主要投入人员
序号
技术
人数
备注
1
高级工程师
1

2
工程师
2

3
技术员
2

4
测量员
2

8 质量与安全控制
8.1严格按照控制网测设规范要求进行控制网测设；
8.2对加工后的定位板进行尺寸检查，其加工误差不得大于0.5mm；
8.3仪器精度满足要求，每次测量前对仪器进行检查、校准；
8.4定期或不定期对棱镜杆进行检查校准；
8.5各测量人员要各尽其职。
9 安全措施
索导管施工属于高空作业，应在保证安全的前提下进行测量工作。
9.1各操作人员必须佩戴安全帽方能进入施工场地;
9.2高空操作人员必须系安全带，穿防滑鞋;
9.3索导管定位处设置定位平台，确保人员安全。
10 效益分析
10.1 经济效益
此工法的成功应用,精度上满足了设计要求,施工方面大大提高了定位效率,为塔柱的如期竣工节省了时间.同时,高精度的定位工法使得索导管免去了由于定位精度不够而采取的一系列措施费用,为公司节省了一定的成本费用.
10.2 社会效益
索导管精密定位工法的成功研究应用,使得我公司在业主单位和监理单位获得了良好的声誉，同时为我公司树立了良好的社会形象，并为我公司承接下一工程奠定了基础。
11 工程实例
索导管精密定位工法在江顺桥的使用看来，其定位技术是科学合理的。索导管的快速准确定位满足了设计要求，为后续挂索工作提供了保障。同时定位技术实践证明，运用空间直线方程的三维极坐标法对精度要求较高的结构物进行精密定位，不受施工环境限制，外业观测简便，定位速度快，数据处理严密，定位精度稳定，满足现代化快速且高精度的施工要求，是一种非常有效的方法，易于推广应用。