大跨度悬索桥施工测量技术研究

黄红林 徐 飞

(中铁大桥局集团第二工程有限公司，江苏 南京 210015)

连镇铁路五峰山长江大桥是我国首座公铁两用悬索桥，为主跨1 092 m的双塔单跨钢桁梁悬索桥，具有跨度大、设计荷载大、主缆直径大、设计速度高等特点。针对悬索桥的这些特点，主塔、锚杆、索鞍定位精度要求高，塔、索和桥面线性控制严格。为达到这些目标，必须根据桥址的地形情况，运用合适的测量方法和测量设备才能进行。

1 准备工作

建立桥梁施工控制网。根据规范要求，桥轴线边的相对中误差应达到1/250 000[1]。待主塔封顶后，可在塔顶布设加密点，作为后期施工控制点。图1为五峰山长江大桥主桥首级网图。其他准备工作有：1)各种放样数据的计算、复核；2)高精度的测量机器人(精度0.5＂/1+1 ppm)；3)锚碇、塔柱、钢梁变形监测点的制作和埋设；4)基准索和一般索股测量工具的准备。

2 三维坐标法定位精度分析

在悬索桥的主要部位定位测量中，包括主塔定位测量，锚固系统(支架、后锚梁、锚杆)安装定位测量，索鞍的定位测量，均以全站仪三维坐标法为主。三维坐标法精度可按以下公式估算[2]：

(1)

其中，D为斜距,mm；Z为天顶距，(°);α为方位角，(°);mD为斜距中误差，mm；mZ为天顶距中误差,(＂);mα为方位角中误差,(＂)。

3 距离归化改正

按三维坐标法放样塔柱时，由于地球曲率的影响，测站点与塔中心的距离随着高度的增加会发生改变，因此，在放样过程中应加以改正[3]。

(2)

其中，DH为归算至投影高程面测距边长度；DP为测线水平距离；HP为投影面高程；HM为测距边两点的平均高程；R为地球曲率半径；S为经气象及加、乘常数等改正后的斜距；h为仪器的发射中心与棱镜的反射中心间高差。

4 主缆安装测量

主缆线形的调整是通过控制相应工况下主缆各跨中点绝对垂度来实现的，其调整精度主要由基准索股的线形调整精度决定，而一般索股是根据基准索股的线形进行相对控制，因此基准索股线性精度决定了主缆的安装线形精度。

4.1 K值反演推算

基准索股的垂度测量采用全站仪单向三角高程法。根据单向三角高程公式[4]：

(3)

其中，hab为A，B两点的高差；Dab为A,B的水平距离；α为竖直角；ia为仪器高；vb为目标高；K为大气折光系数。

式中K为未知值，它随气温、气压、日照、时间、视线高度等因素的影响而变化。因此，在垂度测量前，应利用两已知高程点进行K值的反演推算。根据式(3)可得：

(4)

表1为五峰山长江大桥的K值推算试验结果。

表1 K值的推算试验成果表

从试验的数据看，K值在夜间变化不大。因此基准索股的垂度测量应在夜间进行，每次测量前反演推算K值，及时对三角高程结果进行修正。

4.2 基准索股调整

调整基准索时，将两台全站仪分别架设在主塔两侧的控制点上，放样出边跨与中跨跨中位置(见图2)，放样时应同步进行，这样可对观测结果进行校核。

测出实际的K值后，运用特制的棱镜(见图3)，进行垂度调整，其调整量还应考虑主塔变形量、索鞍预偏量、温度修正、塔的受力等综合因素的影响。

调整后的两侧基准索股相对高差应小于10 mm，待状态稳定后方可安装一般索股。

4.3 一般索股调整

一般索股的调整采用相对高差法，即以基准索股为参考，根据一般索股与基准索股的相对位置关系，安装一般索股至设计位置[5](见图4)。

调整的原则是使各索股与相邻索股之间既无压力也无空隙。因此在调整过程中，应定期对一般索股和基准索股的位置进行复核。当检测基准索股与理论值存在较大偏差时，应启动第二根或第三根基准索，作为后期各索股安装的依据。

4.4 索夹放样

索夹放样前，应测出主缆的实际线形、主塔偏位状况以及各跨的跨径，为索夹的放样提供初始数据。主缆线形随温度的变化而发生变化，索夹放样应选择阴天或夜间气温相对稳定的时段进行。首先放样出吊索中心线与主缆天顶线交点位置(见图5)，采用量距的方法确定出索夹两边缘的位置，在边缘外10 cm处设置参考标志。使用两台仪器同时放样，取平均值作为索夹的最终位置。

5 钢桁梁架设测量

钢桁梁单元构件在工厂加工时，应对桁高、节间距、桁间距、对角线等各结构尺寸进行检查并预拼，避免梁体误差积累过大难以调整，同时在梁体上相应位置做好测量标志点。

边跨钢梁架设，采用顶推和滑移的方式，按照设计的预拱度，进行线性匹配测量，连接成整体。

主跨钢梁首先完成跨中三个节段梁架设，其余节段自跨中向两岸对称交替架设。每安装一个节段后，测量本节段、已架设梁测点的坐标、高程，同时测量主缆跨中点的高程变化情况(如图6所示)及主塔变形情况。

6 主塔变形观测

主塔的变形监测工作，贯穿于整个上部结构施工过程，包括猫道安装、主缆安装、钢梁架设、主索鞍顶推等工况。

在主塔封顶后，在塔顶埋设棱镜，连续观测2 d～3 d，取平均值作为塔柱变形的初始值。观测仪器宜用高精度的测量机器人，自动观测记录数据，观测频率以具体施工工况或监控指令为主。

图7是3号主塔架梁期间变形曲线图。架梁前，由于主索鞍朝边跨侧预先偏移了1.9 m，加上梁体荷载，架梁前期塔向中跨变形较大，最大达到276 mm。为了抵消梁体荷载导致塔的变形过大，在中跨3个节段梁E50,E51,E50′架设后，逐渐顶推索鞍至设计位置，塔的变形也逐渐变小甚至偏向边跨侧，最后通过加载二期恒载(道砟和轨道)使塔偏位回归到平衡。

7 结语

五峰山长江大桥主缆施工过程中，考虑了大气折光的影响；架梁期间通过对索、塔、梁连续的监测，掌握了索和塔的变形规律。通过测量二期恒载后梁体的线形，能与设计线形吻合，索、塔实测变形与监控模型计算的一致，证明了该桥的施工测量方法和线形监测技术是成功的，质量成果是可靠的，具有很高的实际应用价值。