钢管混凝土拱桥吊装过程线形监测方法

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现代桥梁建设中，随着桥梁工艺的发展，钢管混凝土拱桥以其在材料、施工和经济上表现出的优势，已越来越被人们所采用。目前，大跨度钢管混凝土拱桥主要采用缆索吊装—斜拉扣定施工新技术，拱桥的线形通过实测每节钢管拱的标高及拱轴线位置并借助扣索实施动态调整来保证。为确保主拱按预期线形合拢，吊装过程中的监测监控工作尤为重要。位于长江三峡境内牛肝马肺峡对岸的九畹溪大桥，属库区移民交通复建配套工程，该桥主跨160m，由15节钢管先经地面预拼、后空中吊装再法兰盘焊接成形。这里山势陡峭，施工条件极其恶劣。因此，选择合理的监测方法且不受施工因素干扰是控制好线形的关键。
    1、桥梁监测控制测量
    大桥的线形监测工作分为拱轴线和标高控制两部分，与施工测量完全独立。根据桥长、桥跨及跨越的结构形式，选定平面监测网为三等独立三角网，各控制点均砌水泥观测墩。边长采用LeicaDII600测距仪（标称精度为3mm±2×10－6D）往返测量，水平角采用WildT3经纬仪，高程控制选用北京测绘仪器厂的DS1精密水准仪施测Ⅱ等水准。为保证高程精度一致性，九畹溪两岸的水准点做到联测。网的各项精度指标为：测角中误差±0．6″，三角形最大闭合差1．2″，最弱边精度1?440000。
    2、钢管拱肋的线形监测
    为做好大桥监控工作，确保大桥施工质量，每节钢管拱吊装完，监测工作开始实施并及时上报监测数据。针对实际工作环境，为测到每段拱肋的拱轴线和标高，采用双经纬仪作前方交会，可实现桥梁施工三维监测的同步化。拱肋上的监测点，事先在法兰盘或拱背其它通视良好部位做标记。
    2．1　拱轴线的监测
    已知点A、B的坐标为XA、YA和XB、YB，在A、B两点设站，测出水平角a和b，按下式计算未知点P的坐标：
    XP＝[XActgb＋XBctga＋（YB－YA）]/[ctga＋ctgb]
    YP＝[YActgb＋YBctga－（XB－XA）]/(ctga＋ctgb) （1）
    若每段拱肋的YP值为一固定常数，则表明拱轴线正确，未发生偏移。
    2．2　拱肋标高的监测
    测定拱肋标高的原理是三角高程测量。
    Q，Z控制点高程为HQ、HZ，P点高程为HP，Q、Z点上经纬仪仪器高为iQ、iZ（用游标卡尺量取）
，Q、Z到P点的水平距离为DQP、DZP，a，r为竖直角。根据三角高程测量原理有：
    HP＝HQ＋DQPtga＋iQ＋fQP （2）
    HP＝HZ＋DZPtgr＋iZ＋fZP （3）
    式中　
    fQP＝0．43D2QP?R，fZP＝0．43D2ZP?R，R＝6371km，水平距离DQP、
    DZP由下式求出：
    DQP＝（XP－XQ）2＋（YP－YQ）2（4）DZP＝（XP－XZ）2＋（YP－YZ）
    2（5）由（2）、（3）两式计算标高取平均值，若计算值与设计值相等，则表示拱肋标高已调整到位。
    3、线形监测的精度估计
    3．1　拱轴线监测精度估计
    根据前方交会精度估计公式，P点的平面位置精度mP为式中　m″———为测角中误差；
    ρ″＝206265；
    DAB———为A、B点间的水平距离；
    3．2　标高监测精度估计
    根据式（2）或式（3），利用误差传播定律，可得单经纬仪监测P点精度mHp为：
    mHp＝±mH2＋mi2＋mf2＋tg2δm2D＋D2m″2δ?（ρ″2cos4δ） （7）
    式中　δ———为竖直角；
    mδ″———为其观测误差；
    mH———为Q点或Z点高程误差；
    mD———为边长的测量误差；
    mf———为球气差误差；
    mi———为仪器高测量误差。
    4、工程应用
    在九畹溪大桥的吊装过程中，由于对每一工况实施监测监控，并使之达到预抬的标高，从而减小了钢管拱合拢前调整拱肋的整体控制难度，保证了钢管拱的顺利合拢。结果表明：前方交会方法运用合理，测量方便，数据结果合乎精度要求，达到了监控目的。
    为节省篇幅、说明问题、简化表格，表1特给出了交会角与竖直角相等时点位精度。交会角a、b在30°～40°时具有较高的平面监测精度，竖直角在40°以内时标高测量精度较高；表2监测数据表明测量值与设计值存在误差，主要反映在一方面测量有误差，另一方面整个钢管拱存在着徐变。