斜拉橋主塔索道管精密定位工法

1、1 前言隨著橋梁建設(shè)的發(fā)展 , 斜拉橋以其良好的結(jié)構(gòu)性能和跨越能力以及優(yōu)美的建 筑造型在現(xiàn)代橋梁中占據(jù)著重要地位 . 而斜拉橋主塔索導(dǎo)管的定位則是其施工過 程中一項(xiàng)精度要求最高、 工作難度最大， 對成橋質(zhì)量影響顯著的測量工作。 本工 法可應(yīng)用于建設(shè)條件相類似的項(xiàng)目， 其成果將為斜拉橋索導(dǎo)管定位測量工作帶來 積極的推動作用 .2 工法特點(diǎn)目前,主塔索導(dǎo)管的定位方法較多 ,主要有間接測量定位法、 場地定位安裝后 直接吊裝法等。由于其定位的精度很大程度上受管件或其他構(gòu)件的加工誤差影 響，很難滿足其定位精度要求。另外受其工法影響，其定位需要多次轉(zhuǎn)換，工序 繁瑣，不直觀。 而本工法采用三維直接定位法，

2、配以高精度精密全站儀對索導(dǎo)管 的中軸線進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時安裝定位， 從而達(dá)到索導(dǎo)管真正意義要求上的精度以及測 量位置的直觀性。 在索導(dǎo)管定位時， 采用可編程計(jì)算器， 提前將索導(dǎo)管空間線型 模型進(jìn)行編程，測量時可進(jìn)行實(shí)時測量計(jì)算，從而提高測量效率。此工法通過技術(shù)創(chuàng)新以及成功應(yīng)用， 突破了常規(guī)的索導(dǎo)管定位施工方法， 為 國內(nèi)此項(xiàng)技術(shù)工法填補(bǔ)了空白。3 適用范圍本工法適用于斜拉橋索導(dǎo)管定位、 懸索橋索導(dǎo)管定位以及類似索導(dǎo)管之類的 管道施工定位。4 工藝原理索道管的定位精度包括兩個方面：一是錨固點(diǎn)空間位置的三維允許偏差 5mm二是索道管軸線與斜拉索軸線的允許角度偏差 5。根據(jù)兩方面的要求和 斜拉索的結(jié)構(gòu)受力

3、特性， 索道管的定位應(yīng)優(yōu)先保證其軸線精度， 其次才是錨固點(diǎn) 位置的三維精度。 索道管軸線與斜拉索軸線的相對偏差主要由索道管兩端口中心 的相對定位精度決定。4.1空間直角坐標(biāo)系的建立橋梁建設(shè)通常建立以橋軸線方向?yàn)?X軸的平面橋梁獨(dú)立坐標(biāo)系和以某高程 系為基準(zhǔn)的高程值來表達(dá)工程結(jié)構(gòu)物的位置。 為了溝通索道管空間圖形與數(shù)組之 間有序的聯(lián)系，以達(dá)到簡化計(jì)算和方便實(shí)際操作的目的， 需要建立索道管空間圖 形的數(shù)學(xué)模型，使空間圖形與數(shù)組對應(yīng)起來。而建立這個數(shù)學(xué)模型前要先建立空 間直角坐標(biāo)系，通常以主橋直線段橋軸線為 X軸（縱軸）、在水平面內(nèi)與X軸垂 直的軸為丫軸（橫軸）、而通過平面坐標(biāo)系原點(diǎn)的鉛垂線則是 Z

4、軸。4.2索導(dǎo)管特征點(diǎn)與特征軸線的尋找索導(dǎo)管常規(guī)定位采用索導(dǎo)管的頂面線或底面線進(jìn)行定位，但是，受索導(dǎo)管上附著物（螺旋筋、加緊鋼板、附著鋼筋等）影響，上下特征線將不方便或不能夠 準(zhǔn)確尋找。為了解決索導(dǎo)管的定位問題，我們根據(jù)索導(dǎo)管的尺寸以及外形特征對 索導(dǎo)管的錨固處以及出塔處設(shè)計(jì)加工了專門的定位板，（見圖一、圖二）。使用時， 錨固處定位板直接放置在錨墊板上， 直接觀測定位板中心即錨固點(diǎn)中心坐標(biāo)， 進(jìn) 行錨墊板位置的調(diào)整定位；出塔處將出塔處定位板放置于索導(dǎo)管開口處， 注意使 定位板的半圓弧與圓桿下側(cè)同索導(dǎo)管的內(nèi)壁同時緊貼后，觀測定位板中心即索導(dǎo)管出口處中心坐標(biāo)，對索導(dǎo)管出口位置進(jìn)行調(diào)整定位。2-21

5、-1圖一 索導(dǎo)管定位板示意圖（出塔處定位板）說明：1、本圖與圖一尺寸均以毫米計(jì)；2 、圖中D尺寸為索道管的內(nèi)徑減2mr，R尺寸為索道管內(nèi)口半徑減1mm3 、2m圓桿與半圓蓋板保持垂直；4 、加工誤差要求在+0.5mn以內(nèi)。5 、連接處盡量用錨接，減少焊接變形。圖二索導(dǎo)管定位板示意圖（錨固處定位板）4.3索導(dǎo)管定位模型：為了定位方便，索道管定位的數(shù)學(xué)模型由空間直線方程推導(dǎo)、 簡化后，可用下式表達(dá)：(1)：Y = 丫0 + a (X - X 0) .Z = Z + b(X - X o)式中單位以米計(jì)，式中xo,Yo,Zo,a,b對每一根索道管而言均為常數(shù)（依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙給出的索道管錨固點(diǎn)坐標(biāo)、塔壁側(cè)

6、索道管中心點(diǎn)坐標(biāo)以及索道管傾斜角 度就可得出），里程X為自變量，表示斜拉索中心線上某一點(diǎn)的里程，丫、Z分別是與X相對應(yīng)的斜拉索中心線上某一點(diǎn)的橫向坐標(biāo)與高程。4.4精度分析設(shè)測站點(diǎn)坐標(biāo)為Xo,Yo,Zo,則索道管上的觀測點(diǎn)P點(diǎn)的三維坐標(biāo)表達(dá)式為:X P = X + S cos z cos a* Yp =Y +S cos z sin Zp = Z。+S sinz式中單位以米計(jì)，S為斜距，a為方位角，z為豎角應(yīng)用誤差傳播定律對（2）式求導(dǎo)后得出P點(diǎn)的觀測中誤差為:(2)2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2M xp =M X。+cos zcosotM s+S sin zcosot(MZ

7、/P) +S cos zsin otWP)2 2 2 2 2 2 2 2 2222 2 *M Yp =M 飛 +cos zsin M s+S sin zsin g(Mz/P) +S cos zcos 口口/戸)9222222M 2 = M 2z。+sin2 z M 2s+S2 cos z (MZ / P)2 (3)式中單位以毫米計(jì)，Mzp是三角高程單向觀測的高程中誤差。在一般情況下，三 角高程測量誤差主要還包括大氣折光影響、 儀器高量測誤差等。其中大氣折光是 三角高程測量的主要誤差源，索導(dǎo)管定位時可通過后視主塔橫梁上的標(biāo)高點(diǎn)來進(jìn)行改正；棱鏡高直接由棱鏡桿上標(biāo)數(shù)讀出，精確標(biāo)定后其中誤差取v =1

8、mm平面點(diǎn)位測量誤差要考慮棱鏡的對點(diǎn)誤差 t。棱鏡對點(diǎn)誤差由棱鏡桿傾斜誤差和棱鏡桿尖對點(diǎn)誤差構(gòu)成，棱鏡桿傾斜誤差以圓水準(zhǔn)器的格值8 /2mm計(jì)算,桿高0.6m時，傾斜誤差為0.7mm,棱鏡桿尖對點(diǎn)誤差在采用精加工標(biāo)志件時取0.5mm,因此棱鏡對點(diǎn)中誤差近似取為1mm綜上分析可得P點(diǎn)測量誤差為:(4)Mx 二,M2Xp - .2 M Y =Jm 2YP +t2=Y，M 2zP +y2 +M 2k式中單位以毫米計(jì)，據(jù)江順橋控制網(wǎng)及儀器使用情況，TCR180C全站儀標(biāo)稱精度 為T, 1+1ppm,取最大觀測豎角Zmax =15 ,最大斜距Smax二750m,對點(diǎn)誤差忑1mm, 控制點(diǎn)點(diǎn)位誤差 MX。

9、= MY。= MZ。= Mq 漢=+2.12mm ，Mk =D2 ，k/2R=：0.03mm代入(4)式求得單鏡位測量P點(diǎn)最大誤差為：M X = M Y =垃.44mm 5mm/ 、丿(5)M Z = *2.38mm 300m，按拋物線計(jì)算會帶來一定的誤差，因 而采用更精確的懸鏈線方程求解。534投影面的改正在三維極坐標(biāo)法對索導(dǎo)管進(jìn)行觀測時， 索導(dǎo)管分布在上塔柱，其所在位置與 兩岸側(cè)的測站點(diǎn)之間高差較大，所以在索導(dǎo)管定位時必須考慮高程投影面的改 正。距離投影改正公式為：H - H RS式中H為測線平均高程，H0為投影面高程，S為平距，R為地球曲率半徑 通過改正全站儀里棱鏡常數(shù)設(shè)置的辦法進(jìn)行修正

10、測量距離。5.3.5球氣差改正受氣象條件影響改正公式為:6 281.8 - .29065 P1 + 0.00366 t式中P為大氣壓，t為大氣溫度；受球氣差影響改正公式為:1 - K2R式中，K為大氣折光系數(shù)，R為地球曲率半徑。此項(xiàng)改正可以利用修改全站儀內(nèi)部程序設(shè)置里的氣象條件來完成改正 536三角咼程誤差的消除對于高塔柱的高程測量，全站儀測距三角高程具有方法簡便靈活、作業(yè)速度 快、效率高、受地形條件限制較少等特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于幾何水準(zhǔn)測量。目前影 響全站儀三角高程精度的主要因素仍然是大氣折光的影響。由于大氣折光系數(shù)與氣候、地區(qū)以及地形等復(fù)雜因素相關(guān)，即使同一邊的兩端也不盡相同，因此，用 對向

11、觀測或水準(zhǔn)測量反算的大氣折光系數(shù) K值或平均K值，對一個地區(qū)的三角高 程進(jìn)行改正，并不能真正減弱大氣折光的影響。而對于大跨度的斜拉橋進(jìn)行索導(dǎo) 管測量時，對向觀測非常困難，大氣折光影響比較嚴(yán)重。為減少這種誤差，在主 塔橫梁大小里程側(cè)各埋設(shè)一個高精度的高程控制點(diǎn)，在進(jìn)行索導(dǎo)管三維測量時，后視橫梁上的高程控制點(diǎn)，實(shí)時計(jì)算:2 RS2用計(jì)算所得的厶k值對全站儀設(shè)置的K值進(jìn)行修正。由于視線所通過的環(huán)境與后視大致相同，可以基本消除大氣折光對高程測量的影響。537定位時間段的選擇在進(jìn)行索導(dǎo)管定位時，由于塔柱受日照、風(fēng)力、以及塔柱內(nèi)外溫度不均等因 素影響，塔柱位置會發(fā)生隨機(jī)的變化。在進(jìn)行索導(dǎo)管高精度定位時，要

12、選擇合適 的測量時間段。在沒有日照、沒有3級以上大風(fēng)，且空氣濕度及塔柱溫度變化不 大的時間段里進(jìn)行索導(dǎo)管定位。一般情況下，宜選擇在夜間8點(diǎn)到第二天早上5點(diǎn)進(jìn)行測量定位作業(yè)，以減少塔柱變形對索導(dǎo)管定位精度的影響。6主要測量儀器設(shè)備主要測量儀器設(shè)備序號名稱數(shù)量備注1全站儀1臺標(biāo)稱精度（測角w T,測距w1+1ppn）2計(jì)算器2部可編程3棱鏡2套棱鏡桿為可伸長的45cm棱鏡桿4對講機(jī)4部7投入人員情況表主要投入人員序號技術(shù)人數(shù)備注1高級工程師12工程師23技術(shù)員24測量員28質(zhì)量與安全控制8.1嚴(yán)格按照控制網(wǎng)測設(shè)規(guī)范要求進(jìn)行控制網(wǎng)測設(shè)；8.2對加工后的定位板進(jìn)行尺寸檢查，其加工誤差不得大于0.5mm

13、8.3儀器精度滿足要求，每次測量前對儀器進(jìn)行檢查、校準(zhǔn)；8.4定期或不定期對棱鏡桿進(jìn)行檢查校準(zhǔn)；8.5各測量人員要各盡其職。9安全措施索導(dǎo)管施工屬于高空作業(yè)，應(yīng)在保證安全的前提下進(jìn)行測量工作。9.1各操作人員必須佩戴安全帽方能進(jìn)入施工場地；9.2高空操作人員必須系安全帶，穿防滑鞋；9.3索導(dǎo)管定位處設(shè)置定位平臺，確保人員安全。10效益分析10.1經(jīng)濟(jì)效益此工法的成功應(yīng)用，精度上滿足了設(shè)計(jì)要求，施工方面大大提高了定位效率 為塔柱的如期竣工節(jié)省了時間.同時,高精度的定位工法使得索導(dǎo)管免去了由于 定位精度不夠而采取的一系列措施費(fèi)用，為公司節(jié)省了一定的成本費(fèi)用.10.2社會效益索導(dǎo)管精密定位工法的成功研究應(yīng)用，使得我公司在業(yè)主單位和監(jiān)理單位獲 得了良好的聲譽(yù)，同時為我公司樹立了良好的社會形象，并為我公司