浅谈大型斜拉桥的索塔施工测控技术

浅谈大型斜拉桥的索塔施工测控技术
闫桂新 

摘要：不同的桥梁，不同的索塔，应根据设计要求、索塔周围的环境等制定不同的施工测量方案与实施程序，以满足施工测量的精度要求。本文对大型斜拉桥的索塔施工测控技术进行分析，阐述了斜拉桥索塔的施工测量特点，对相对基准法在索塔施工测量中的应用，以及主塔索道管的精密定位技术。
关键词：斜拉桥；索塔；施工测控

1 引 言
现代大型斜拉桥主要是索、梁、塔兰大部分组成，是一种墩塔高、主梁跨度大的高度超静定结构体系的桥梁。这种结构体系对每个节点要求十分严格，节点的坐标变化都将影响结构内力的分配，因此测控工作是桥梁施工的重要组成部分。在大型斜拉桥中，其结构的传力路径是主梁->斜拉索->索塔，可见索塔是整体桥梁结构传力的最重要构件，一旦索塔出现问题，则易导致整体桥梁的倾覆，因此，索塔的施工监控是斜拉桥施工监控中非常重要的内容。
2 斜拉桥索塔的施工测量特点
索塔的施工测量有如下特点：(1)精度要求高。无论是塔身的倾斜度、垂直度，还是轴线偏位、几何尺寸以及索道管的定位等都提出较高的要求，属于精密工程测量范畴。(2)位置特殊。一般索塔位于水域，使施工控制点的布设受到较大的限制。(3)施工干扰大。施工中的索塔在一个很小的空间内高度集中了各种构件、支架、施工机械，不论采取支架立模还是滑模加护撑等施工工艺，均可能不同程度造成仪器通视困难，条件较劣。(4)特性强。不同的桥型施工测量要求不同；相同的桥型，不同的设计，不同的地理位置，对施工测量也提出不同的要求：即使桥型、设计相同，施工环境不同，施工测量方法也要求不同。
3  相对基准法在索塔施工测量中的应用
3.1 基于基准点的距离差分改正
相对基准三维极坐标法中，基准点应选择在稳定、通视条件好的位置， 索塔承台或下横梁处可以认为是平面位置最稳定处(因有庞大的桩基础，平面位置变动一般可忽略不计，但高程方向微小的沉降，可定期进行纠正)，因此索塔承台或下横梁和岸上强制观测墩的位置相对稳定，可近似认为索塔承台墩中心点到强制观测墩中心的距离不变，而实测距离往往与此距离存在差异，此差异可以认为是平差改正、气象改正不严密的原因引起的，若将此差异按比例加到观测边长上则相当于将观测边长改正到平差计算的基准面上，有利于提高精度。
3.2 基于变形基准的变形改正
位于上横梁或上塔柱上的经过精密测设的固定点称为相对基准点，相对基准点本身位于变形区域内，它将随索塔一起每天作周期性的扭转摆动，在索塔每天作周期性摆动的前提下，可提出基于相对基准的变形改正的思想，该思想关键是如果相对基准点随索塔一起作周期性摆动，相对基准点的变形可以反映索塔的变形，那么以相对基准点为依据的相对基准极坐标法可以保证放样点与相对基准点的相对位置关系，因此索塔在形变状态下放样依然能够保证其在平衡位置下的准确位置，同时最重要的是该方法可以在非平衡时间作业，大大加长作业时间，可以有效保证施工进度。
此方法操作时以下几个方面的问题值得注意：
(1) 如果相对基准点位于上横梁，那么求出的变形量是代表相应高度上的，如果放样点不在此高度则只进行了近似改正，当塔柱变形较大时，则改正不准确，所以在这种情况下要求尽量选择索塔变形较小的时段放样；
(2) 该方法要求仪器精度高，稳定可靠，用徕卡TCA1800自动照准功能，可提高测量精度，如果仪器精度低、不稳定，将得不到好的结果；
(3) 基于单个相对基准点的变形改正不能改正扭转变形，如果索塔扭转较严重，可考虑使用两个或多个相对基准点，来解决扭转变形改正的问题。
3.3 三角高程相对基准差分法
大气折光影响是单向三角高程测量的主要误差来源，为削弱大气折光的影响，采用等距差分技术。相对基准点作为高程控制点，用水准仪或对向三角高程的方法精密测定其高程，放样时以索塔相对基准点作三角高程后视，实时求得待测点相对于相对基准点的高差，由于观测视线所通过的环境与后视基本相同，大气垂直折光误差可基本消除。
采用本法测量时，应注意以下几点：(1) 相对基准点的高程应确保准确，可采用多种方法精密求得；(2) 相对基准点尽量随着塔柱的伸高而上移，以确保该线路上的大气折光系数基本一致；(3) 施测时应用两个己知相对基准点高程来推算，相互检核，在限差之内取平均值作为最后高程值，超限重测。
4 主塔索道管的精密定位技术
大型斜拉桥工程中，索道管的定位是一项工作难度最大，精度要求最高的测控工作。由于索道管位于索塔的最高端，受索塔周日变形影响较大，对施工测量精度提出了更高的要求，必须选择合适的方法，因此结合索道管的施工工艺，选取合适的测量方法，制定严密的施工测量技术规则。
4.1 斜拉索导管的精密定位方法
斜拉索预埋钢管实地定位之前，应在塔柱变形小的时段，采用相对基准极坐标法在已完塔柱顶面或劲性骨架上放样出塔柱轴线位置基准控制点，高程用差分二角高程法确定。索导管的定位采用控制顶口和底口中心三维坐标法。顶口中心的三维坐标根据设计资料计算得到，底口中心的三维坐标则根据导管的实际长度和设计倾斜度计算。顶口和底口中心的高程定位采用差分三角高程法或几何水准测量方法测定。每节段斜拉索导管调整定位结束后，为保证定位的正确性，要进行独立的检核。其检核方法以已完塔柱顶面为变形基准，采用相对极坐标法，直接用仪器测定导管顶口、底口中心标志的坐标和高程。具体实施步骤如下：
(1) 检查索导管直径，根据加工中心线恢复出索导管上下口中心，检核无误后做好标记。检查索导管实际长度(上下口中心的间距)，如与理论加工长度不符，值大于1mm时，必须依据各参数中心计算下口中心坐标(上口中心坐标不变)并复核。
(2) 放样锚固管的概略位置于劲性骨架上，使之基本就位，采用三维极坐标法测量索导管上口中心点并用水准仪或水准尺检测其横向轴线的水平度；
(3) 由上口中心的实测坐标(调整到位后)、斜拉索的空间方向余弦值(设计值)和两中心间距计算下管口中心的设计坐标，因索道管下管口坡面垂直，为便于支立棱镜杆，下口中心应沿中心线垂直外移适当距离，即X坐标相应增减外移；
(4) 将管口中心调整到设计并检测，加固完成后再进行复检测，当偏差大于3mm时应查找分析原因并切割开焊接处重新进行调整，依次反复上述调整H、X、Y过程，直至调整及加固后偏差均小于3mm；
(5) 由于调校下管口时可能引起上管口的移动，故应复测上管口中心并再次调校；并重复以上步骤，直到满足定位精度要求。
4.2 索道管定位精度的检测
索塔混凝土施工完成后要及时对索导管进行成品验收，验证安装定位、加固、施工的效果，检测时索导管上口时因无法同室须用全站仪将基准点三维坐标引测到模板顶口，然后用水准仪、线坠、线绳、钢卷尺等对索导管上口中心进行坐标增量的测量，计算上口中心坐标及其成品误差；索导管下口中心的验收则用控制点直接检测，但必须等到索塔外侧模板拆除、上翘后才能进行检测；成品检测后要及时分析、查找误差出现的原因并相应地进行改进优化控制、加固方法，使其安装精度更高。