專利名稱：斜拉橋塔梁同步施工時塔柱及索道管的測量控制方法
技術領域：
本發明涉及斜拉橋施工測量控制技術，具體說是斜拉橋塔柱和梁體同步施工(塔 梁同步施工)時的塔柱及索道管的測量控制技術。
背景技術：
隨著我國國民經濟和橋梁建造技術的高速發展，大跨度斜拉橋工程越來越多，工 期壓力越來越大，塔柱和索道管的測量定位精度要求也越來越高。斜拉橋的常規建造方法 是先塔后梁、對稱懸拼、夜間測量控制。即首先自下而上施工塔柱，塔柱施工完畢，在塔柱兩 側對稱逐段安裝主梁、張拉斜拉索，直至全橋合龍；測量儀器布置在橋下的測量控制點上， 對目標塔柱及索道管進行測量控制；測量時選擇在溫度相對恒定的深夜至黎明日出前時 段，以避免日照、溫度梯度對塔柱結構的影響。上述施工方法能夠合理利用橋梁塔柱的剛度 和斜拉索的張力，利用晝夜氣溫變化規律盡量減小日照、溫度梯度對結構物變形的影響，適 用范圍很廣；其不足之處在于塔柱、主梁不能同步施工，施工工期長；測量控制點位于橋 下，與主塔上各測量點的距離差別較大，測量精度各不相同，測量誤差較大；選擇在夜間進 行測量控制，一些關鍵工序(如索道管安裝定位)必須安排在夜間施工，未能充分有效利用 白天的有利施工時段，進一步降低了施工效率；夜間施工、測量的環境差，人員易疲勞、安全 風險較大。為克服上述不足，橋梁工程師試圖改進工藝將塔、梁由順次施工變為同步施工； 將夜間測量控制變為全天候測量控制。即在塔柱施工尚未封頂時(往往是施工至中塔柱合 龍后)，就開始施工主梁，主梁仍舊采用對稱懸臂安裝方法；利用白天良好的施工條件進行 測量控制。上述改進工藝的施工技術難度大，原因在于日照、溫度梯度以及主梁通過斜拉 索作用于塔柱上的荷載，均會造成塔柱的未知變形，該變形如不過濾掉，會影響塔柱后續安 裝節段的位置，并影響塔柱索道管定位精度，最終導致質量缺陷。因此，斜拉橋塔梁同步施 工作為一項新的技術方案，其關鍵技術在于如何通過測量定位控制技術，保證塔柱的施工 線形滿足設計要求，控制和減小索道管安裝誤差，消除日照、溫度梯度等因素影響，特別是 塔梁同步施工時塔柱和梁體間的相互影響和干擾。運用常規測量控制方法，難以保證塔梁同步施工時斜拉橋的塔柱和索道管的測量 定位精度要求，原因如下1、斜拉橋塔柱受到一側日照，溫度不均勻升高，形成溫度梯度，根據熱脹冷縮的原 理，塔柱會發生平移變形和旋轉變形，上述變形量未知且不斷變化，導致塔柱線形難以控 制。2、在斜拉橋塔柱施工和索道管施工測量定位過程中，要在地面設置和使用多方 位、和塔柱距離不等的多個測量控制點，各控制點到塔柱(及索道管)的距離相差很大，造 成塔柱和索道管施工測量定位時測量的精度不一致，形成系統誤差。3、塔柱和梁體同步施工過程中，由于梁體提前施工造成斜拉橋索力不完全對稱而 使塔柱發生各類變形，該變形不能通過現有技術實際測出，因此無法過濾，造成塔柱和索道管定位的測量控制精度低，施工偏差大，難以滿足設計要求。
發明內容
本發明針對以上不足或技術難題，旨在提供一種滿足斜拉橋塔梁同步施工、可全 天候對塔柱實施監測控制、能有效過濾塔柱各種變形的測量控制技術方案。本發明采用的技術方案是按照以下步驟進行測量定位①塔柱施工過程中，先后在中塔柱根部、中塔柱上部及上塔柱上埋設棱鏡頭，設置 E組、F組、G組三組測量點，②在第一時段測量并統計計算出E組、F組、G組各測量點在塔柱荷載平衡、沒有日 照且無不良溫度梯度狀態下的三維坐標，③在第二時段測量并統計計算出E組、F組、G組各測量點在塔柱荷載不平衡、有日 照且存在不良溫度梯度狀態下的三維坐標，④通過比較E組、F組、G組對應測量點在第一時段和第二時段的三維坐標，計算出 第二時段塔柱柱體的平移量和旋轉量，得到塔梁同步施工條件下不平衡荷載、日照和不良 溫度梯度引起的塔柱變形量，⑤在塔柱頂面上設置若干個測量控制點，在該測量控制點上布置測量儀器，在氣 溫變化小且沒有日照的時間段，利用后方交會法觀測既有控制坐標系中不在同一條直線 上、坐標值已知的三個控制點&、Hp H3，測量并平差計算出測量控制點的三維坐標，并根據 本次觀測時間段內塔柱的變形量進行坐標修正，所述測量控制點能與各索道管中心及塔柱 特征點通視，滿足直接觀測要求，⑥以塔柱上的測量控制點為基準，建立獨立坐標系，⑦利用獨立坐標系，對塔柱特征點及各索道管進行測量定位，所述測量定位工作 能全天候進行，所述塔柱特征點是指位于塔柱內外表面、用來控制塔柱柱體形狀和空間位 置的測量點。在上述方案的基礎上，所說的E組、F組、G組測量點分別為一個或兩個，布置在塔 柱朝向主梁一側的外表面上，其數量根據斜拉橋主塔的外形來確定。在上述方案的基礎上，所述第一時段、第二時段可以是塔梁同步施工工況下的任 一時段，根據塔柱施工的測量控制需要來確定。在上述方案的基礎上，所述G組測量點可以根據塔柱施工的進展而變換位置，實 現塔柱施工的全程測量控制。在上述方案的基礎上，所述測量控制點的數量根據塔柱及索道管定位的需求來確定。在上述方案的基礎上，所述測量控制點可以根據塔柱施工的進展而變換位置，實 現塔柱施工的全程測量控制。有益效果(1)提供了一種測量及計算方法，能夠準確得到塔柱在日照、不良溫度梯度、不平 衡荷載和斜拉索索力不對稱等因素影響下的變形值。通過過濾掉該變形對塔柱定位及塔柱 索道管定位的影響，為塔柱施工的理想線形以及索道管的準確定位提供了保障；(2)在塔柱頂面適當的位置設置測量控制點，利用該測量控制點建立不受塔柱變形影響到獨立坐標系，控制塔柱及索道管的施工定位，消除了現有技術的系統誤差，實現了 全天候施工測量控制，提高了測量精度，改善了觀測條件，減小了勞動強度，降低了施工安 全風險；(3)本發明首次為解決斜拉橋塔梁同步施工的測量控制難題提供了一條有效途 徑，使斜拉橋塔梁同步施工技術方案的實施成為可能，可縮短施工周期、提高施工效率、降 低建造成本，具有積極的經濟和社會效益。(4)本發明同樣適用于非塔梁同步施工的斜拉橋的測量控制。
圖1斜拉橋塔梁同步施工時塔柱上觀測點布置示意2斜拉橋塔梁同步施工時塔柱變形示意3獨立坐標系建立示意4利用獨立坐標系進行塔柱及索道管測量定位示意中1-E組測量點；2-F組測量點；3-G組測量點；4_測量控制點；5_索道管中 心；6-塔柱特征點。
具體實施例方式下面結合實例對本發明作進一步詳細說明。如圖1，待塔柱橫梁施工完畢，開始分節段施工中塔柱、上塔柱，同時，可根據施工 需要同步開始主梁施工，即塔梁同步施工。在塔柱施工過程中，在中塔柱的根部埋設棱鏡 頭，設置E組測量點1，在塔柱上部埋設棱鏡頭，設置F組測量點2，在上塔柱埋設棱鏡頭，設 置G組測量點3。E組測量點1、F組測量點2、G組測量點3分別為一個或兩個，均布置在塔柱朝向 主梁一側的外表面上，其數量根據斜拉橋主塔的外形來確定。如圖1所示，斜拉橋主塔中塔 柱有兩肢，上塔柱為一肢，此時，E組測量點1、F組測量點2均設置兩個(中塔柱每肢布置 一個)，G組測量點3設置一個，即可滿足塔柱空間位置觀測的要求。G組測量點3根據塔柱施工的進展而變換位置，實現塔柱施工的全程測量控制。一 般的，上塔柱是分節段澆筑或安裝的，為更準確的反映塔柱的變形，G組測量點3會布置在 已施工完成的最上一節上塔柱上。測量點設置后，開始主塔測量工作，方法是利用高精度局部控制網中至少兩個控 制點，同時擺設高精度全站儀對塔柱的各測量點進行連續監測。如圖2，在第一時段測量并統計計算出E組測量點1、F組測量點2、G組測量點3 在塔柱荷載平衡、沒有日照且無不良溫度梯度狀態下的三維坐標。第一時間段一般選擇在 深夜至第二天黎明日出之前這段時間，因該時間段氣溫相對恒定，塔柱柱體四周的溫度差 較小，無不良溫度梯度。所謂溫度梯度，是指結構體兩個點之間的溫度差。這里所說的不良 溫度梯度是指會引起塔柱平移變形和旋轉變形的溫度差。根據第一時段測出的各測量點坐 標，可以繪制出塔柱理論軸線。在第二時段測量并統計計算出E組測量點1、F組測量點2、G組測量點3在塔柱荷 載不平衡、有日照且存在不良溫度梯度狀態下的三維坐標。根據第二時段測出的各測量點坐標，可以繪制出變形后的塔柱軸線。通過比較E組測量點1、F組測量點2、G組測量點3在第一時段和第二時段的三維 坐標(即比較塔柱理論軸線和變形后塔柱軸線)，計算出第二時段塔柱柱體的平移量A和 旋轉量9，得到塔梁同步施工條件下不平衡荷載、日照和不良溫度梯度引起的塔柱變形量。所說的第一時段、第二時段可以是塔梁同步施工工況下的任一時段，根據塔柱施 工的測量控制需要來確定；進行測量數據相互比對的某個第一時段與某個第二時段應相近 或相鄰，以保證這兩個時段塔柱結構為同一結構體(塔柱未進行下一節段的澆筑或安裝)。可以選擇多個第二時段分別測量E組測量點1、F組測量點2、G組測量點3的三維 坐標，并進行坐標比對，以便得到某一個影響因素(不平衡荷載或不良溫度梯度或日照)引 起的塔柱結構變形量；同樣的，進行測量數據相互比對的兩個第二時段應相近或相鄰，以保 證這兩個時段塔柱結構為同一結構體(塔柱未進行下一節段的澆筑或安裝)。以上是塔梁同步施工條件下塔柱在各種不利影響因素所用下的變形量測量計算、 過濾技術。如圖3，在塔柱頂面(所說的塔柱頂面并非專指整個塔柱的頂部平面，而是指施工 過程中的某一階段的塔柱頂面)上設置若干個測量控制點4，在該測量控制點4上布置測量 儀器，利用后方交會法測出該測量控制點4的坐標。即在測量控制點4上布置測量儀器，觀 測既有控制坐標系(X0Y)中三個坐標已知的控制點Hi、H2、H3，得到測量控制點4與Hi、H2、H3 各點間的水平角，平差計算出測量控制點4的三維坐標；所述測量控制點4應能與各索道管 中心5及塔柱特征點6通視，滿足直接觀測要求；坐標已知的三個控制點Hi、H2、H3不能在同 一條直線上；為保證測量控制點4三維坐標的精度，本次測量應選擇在溫度變化小且沒有 日照的時間段，同時根據觀測時間段塔柱的變形量進行坐標修正；為減小誤差，測量時間應 盡量縮短。所說的塔柱特征點6是指能控制塔柱空間位置及結構形狀的測量點，如塔柱截 面內外表面的角點。以塔柱上的測量控制點4為基準，建立獨立坐標系(^(^)，所謂獨立坐標系，是 指獨立于橋梁控制坐標系(X0Y)的坐標系，該坐標系的功能是給塔柱結構及索道管定位。 如圖3，獨立坐標系的坐標原點選定后(可在塔柱頂面上任選一點，圖3所示坐標原點為 一個測量控制點)，以任意方向為\軸(圖3所示\軸與塔柱截面的一條邊平行)，以與\ 軸垂直的軸為I軸，建立直角坐標系。如圖4，獨立坐標系建立完畢，即可計算出塔柱特征點6及索道管中心5在獨立坐 標系中的三維坐標，并利用該坐標放樣出上述點位，達到控制塔柱施工及索道管定位的目 的；利用兩個測量控制點4之間的連線及索道管中心5與坐標原點連線之間的夾角a， 可以校核索道管中心5的坐標。當日照、溫度變化或在荷載和斜拉橋索力變化時，塔柱會產生一定的偏移量和旋 轉量，同時測量控制點4也會產生同樣的偏移量和旋轉量，但測量控制點4到各索道管中心 5及各塔柱特征點6之間的位置變化量相對于塔柱的偏移量和旋轉量來說十分微小，可以 忽略不計，故在測量控制點4上設置全站儀用索道管中心5和各塔柱特征點6的理論坐標 值來進行施工控制，不僅測量精度滿足要求，還不受塔柱自身變形的影響，可以全天候進行 測量定位。所述測量控制點4的數量根據塔柱及索道管定位的需求來確定。塔柱形狀簡單、索道管數量少、通視條件良好時，測量控制點4的數量較少；反之，塔柱形狀復雜、索道管數 量多、通視條件不好時，適當增加測量控制點4的數量。 所述測量控制點4根據塔柱施工的進展而變換位置，實現塔柱施工的全程測量控 制。塔柱一般是節段法澆筑或安裝的，每施工一個節段，測量控制點4的位置相應上移一個 節段，以滿足測量控制的要求。
權利要求
斜拉橋塔梁同步施工時塔柱及索道管的測量控制方法，其特征在于按照以下步驟進行①塔柱施工過程中，先后在中塔柱根部、中塔柱上部及上塔柱上埋設棱鏡頭，設置E組、F組、G組三組測量點，②在第一時段測量并統計計算出E組、F組、G組各測量點在塔柱荷載平衡、沒有日照且無不良溫度梯度狀態下的三維坐標，③在第二時段測量并統計計算出E組、F組、G組各測量點在塔柱荷載不平衡、有日照且存在不良溫度梯度狀態下的三維坐標，④通過比較E組、F組、G組對應測量點在第一時段和第二時段的三維坐標，計算出第二時段塔柱柱體的平移量和旋轉量，得到塔梁同步施工條件下不平衡荷載、日照和不良溫度梯度引起的塔柱變形量，⑤在塔柱頂面上設置若干個測量控制點，在該測量控制點上布置測量儀器，在氣溫變化小且沒有日照的時間段，利用后方交會法觀測既有控制坐標系中不在同一條直線上、坐標值已知的三個控制點H1、H1、H3，測量并平差計算出測量控制點的三維坐標，并根據本次觀測時間段內塔柱的變形量進行坐標修正，所述測量控制點能與各索道管中心及塔柱特征點通視，滿足直接觀測要求，⑥以塔柱上的測量控制點為基準，建立獨立坐標系，⑦利用獨立坐標系，對塔柱特征點及各索道管進行全天候測量定位，所述塔柱特征點是指位于塔柱內外表面、用來控制塔柱柱體形狀和空間位置的測量點。
2.根據權利要求1所述的斜拉橋塔梁同步施工時塔柱及索道管的測量控制方法，其特 征在于所說的E組、F組、G組測量點分別為一個或兩個，布置在塔柱朝向主梁一側的外表 面上，其數量根據斜拉橋主塔的外形來確定。
3.根據權利要求1所述的斜拉橋塔梁同步施工時塔柱及索道管的測量控制方法，其特 征在于所述第一時段、第二時段可以是塔梁同步施工工況下的任一時段，根據塔柱施工的 測量控制需要來確定。
4.根據權利要求1所述的斜拉橋塔梁同步施工時塔柱及索道管的測量控制方法，其特 征在于所述G組測量點根據塔柱施工的進展而變換位置，實現塔柱施工的全程測量控制。
5.根據權利要求1所述的斜拉橋塔梁同步施工時塔柱及索道管的測量控制方法，其特 征在于所述測量控制點的數量根據塔柱及索道管定位的需求來確定。
6.根據權利要求1所述的斜拉橋塔梁同步施工時塔柱及索道管的測量控制方法，其特 征在于所述測量控制點根據塔柱施工的進展而變換位置，實現塔柱施工的全程測量控制。
全文摘要
本發明提供了一種斜拉橋塔梁同步施工條件下塔柱及索道管的測量控制方法，采用分時段測量比對的方法，過濾出塔柱受日照、溫度梯度、不平衡荷載作用下的變形；并在塔柱上設置測量控制點，建立獨立坐標系，用以控制塔柱及索道管的空間位置。本發明可以全天候測量控制塔柱施工，提高了塔柱及索道管的測量控制精度，解決了斜拉橋塔梁同步施工的關鍵技術難題，對提高斜拉橋施工效率和質量大有裨益。
文檔編號G01B11/16GK101799276SQ20101013145
公開日2010年8月11日 申請日期2010年2月26日 優先權日2010年2月26日
發明者佘巧寧, 蘭其平, 吳兵, 潘東發, 秦順全, 鄧少鋒 申請人:中鐵大橋局股份有限公司