大跨度桥梁钢索塔安装测量方法及精度分析

何广源，吴迪军，李书银， 叶世儒

(1. 中铁大桥勘测设计院集团有限公司, 湖北 武汉 430050；2. 中铁大桥局集团第四工程有限公司, 江苏 南京 210031)

一、引 言

马鞍山长江公路大桥连接马鞍山和巢湖两市，桥位位于马鞍山河段江心洲，主桥长10.9 km。跨长江主航道的主桥为世界上最大跨径的三塔两跨悬索桥，主跨跨径为1080 m。中塔离两岸大堤的距离超过1100 m，塔柱结构为钢混叠合结构，塔高175.3 m，其中混凝土塔高47.5 m，钢索塔高127.8 m。中塔施工放样是该桥施工测量的难点和关键所在。与混凝土塔相比，钢索塔更容易受日照、温度、风等外在因素的影响而产生形变，因此，钢索塔施工测量的难度更大。本文以马鞍山长江公路大桥中塔柱钢索塔施工测量为例，探讨大跨度桥梁钢索塔安装测量控制方法及技术措施。

二、钢索塔安装测量方法

马鞍山长江公路大桥中塔柱钢索塔分T1—T21共21节，其中T5、T11、T16为调节段。每节钢索塔节段在车间加工预拼后再运输到现场安装，其形状和大小已经成型，只有在调节段才能进行微调。因此，整个钢索塔安装测量控制的关键在于首节T1节段的放样定位精度和各调节段的安装调整。

塔柱的垂直度和形体质量是反映塔柱施工质量的两项重要指标，也是各节段及部件施工的总体体现[1-2]。由于钢索塔形体已经事先在工厂制作时确定，因此，塔柱垂直度是反映塔柱施工质量的最重要指标。其次就是塔柱的高程控制，本项目设计提出的精度要求是，安装过程中节段四角高差限差要求：横桥向≤1 mm，顺桥向≤2 mm；柱倾斜度误差不大于塔高的1/4000；最终索塔高程误差要求≤10 mm。

根据钢索塔的设计和施工要求，测量控制的重点是：通过对钢索塔顶面轴线点和四角点的测量来实现垂直度和平整度的控制目标。钢索塔顶面测量控制点分布如图1所示，其中，X1、X2、Y1、Y2为钢索塔安装施工轴线测量控制点，a、b、c、d为钢索塔顶面四角高程、高差测量点。

图1 钢索塔安装测量控制点分布示意图

1. 平面测量方法

(1) 首节段T1节的测量

在混凝土塔柱顶面和钢索塔T1节段连接的内侧左右边缘处浇注4个强制对中观测墩，在首节段T1安装前，采用精密三角测量方法按二等精度联测两岸首级控制点，作为钢索塔安装施工的平面控制点。郑德华在研究分析南京长江二桥和润扬大桥等桥首级控制网时，得出以下结论：对于跨江宽度在3 km以内的施工控制网，采用边角网方法观测，控制点精度能满足2 mm的要求[3]。利用这些控制点按图1中的X、Y轴线控制点采用归化改正方法对钢索塔首节段T1节进行放样定位。

(2) 其他节段的安装测量

首先，利用上述施工平面控制点采用全站仪归化改正方法在下横梁表面上、下游合适位置分别放样投影点；其次，用激光准直仪将平面投影点垂直投影到相应节段钢索塔顶面，并在顶面用带刻度的透明接收板进行接收、标记及固定，上、下游钢索塔各独立投影一个点；然后，在上、下游钢索塔投点近似直线的钢塔外侧边缘的合理位置，采用研制的测量辅助装置固定在钢索塔上，架设全站仪，整平并后视投影点，调整仪器到两个投影点的延长线上，固定、整平并通过测距检核两点的投影坐标；最后，根据距离和投影点坐标反推测站坐标，通过设站、后视投影点，对上、下游钢索塔轴线控制点X1、X2及Y1、Y2进行测量。

(3) 精度控制措施

采用以下措施进行精度控制：

1) 临时加密点利用混凝土顶面的带强制对中墩的控制点采用归化方法进行放样。

2) 采用铅垂准直仪在垂直向上投点时，同时将专门的带刻度的透明接收板测量辅助装置固定到钢索塔表面进行接收、标记。铅垂准直仪垂直投影的标称精度为1/200 000，对于不到200 m的塔高的投影高度，这项误差显然影响较小，为避免投影偏差，投点时采用4个方向投点。

3) 后视和设站采用专门研制的强螺栓固定在钢索塔表面进行接收和固定装置，能大大减少该项误差；同时放样时，在钢塔轴线控制点上均用冲眼标记，且采用小棱镜进行测量。

4) 坐标法放样的精度主要受测距误差、天顶距测量误差和水平角测量误差三方面的影响。由于设站在每节段钢索塔外侧，距离很小，天顶距约90°，水平角也很小，因此，极坐标法放样引起的误差很小。

5) 为检验安装测量的精度，在钢索塔外测边缘固定测量辅助装置并架设全站仪，调整使仪器中心在上、下游钢索塔Y1或Y2之间的延长线上，通过测距方式求得上、下游钢索塔之间的中心距，并与轴线放样点的坐标进行对比验证。

2. 高程测量方法

钢索塔高程测量包括绝对高程和钢索塔节段四角相对高差测量。

1) 以中塔承台上既有首级控制网跨河水准点作为高程控制点，采用高程传递方法测量每节段钢索塔顶面的绝对高程。目前在高层建筑物施工中高程传递的主要方法有：悬挂钢尺法、三角高程法、全站仪+弯管目镜天顶测距法[4]。其中，自由设站全站仪天顶测距测高法原理如图2所示，该法具有简单明了、精度高、操作方便灵活、受风雾等气候影响小等特点[4-6]。

图2 自由设站全站仪天顶距测高原理

2) 钢索塔节段顶面四角高差测量：通过在钢索塔顶面采用能固定到钢索塔可卸载的测量辅助装置上架设水准仪，采用直接测量方法进行，操作方便，精度高且可靠。

钢索塔安装历时长，随着高度的增高和外在环境天气的渐变，由于热胀冷缩现象，钢塔高度随温度的变化较大。每节段测量高程时，应根据实际温度将实测钢索塔高度改正到设计标准温度下的塔高，保证塔高基准的一致性。其次，应根据实测数据对调节段进行垫片微调，减小累积误差，使得最终塔高满足设计和施工的要求。

三、实测结果与分析

图3为钢索塔T1—T21钢索塔架设的垂直度结果图，图中纵坐标系为偏差值，上横坐标为对应钢索塔编号，下横坐标表示钢索塔接口编号；每个图框内外侧两条斜线为最大允许偏差，其余两条折线为顺、横桥向的实测偏差。从图3中可以看出，钢索塔所有节段及最终成桥垂直段均满足要求；T1—T4钢索塔安装累积误差发生偏差，在T5调节段的J6连接处根据测量数据调节并采用钢横支撑和千斤顶进行顶推到位，再进行后续节段的安装；同样在其他调节段均采用这些方法来有效减少钢索塔的偏移。

图3 钢索塔节段垂直度结果图

表1为钢索塔架设垂度数值指标，钢索塔最低精度为上游塔柱顺桥向(1/177 50)，远远优于规范和设计的1/4000要求，下游塔柱最终高程略超限，分析主要可能原因有：钢索塔架设历时长约9个月，随着塔柱施工重量的增加承台有一定量的下沉，途中历经一次控制网复测；从控制网复测成果看来，较上一次复测，承台下沉了约4.4～4.8 mm；钢索塔自身由于重量原因存在一定压缩。但整体来说，上、下游塔柱高差较小，对整个钢索塔和后续工程的影响很小，满足工程设计和施工的要求。可见，本文的钢索塔安装测量控制方法可靠且可行、精度较高。

表1 钢索塔架设最终垂度指标

注：横桥向往上游方向为正，顺桥向以里程增加方向为正。

四、结 论

1) 钢索塔安装误差逐层累积且只能在调节段才能根据四角高差进行垫片微调，因此，对安装测量的数据可靠性和精度要求高，需根据施工工艺及现场测量条件选择合理可行的测量方法。同时，考虑到钢索塔受日照影响产生形变的因素，应选择在夜间22∶00至凌晨5∶00大气稳定的时间段进行测量。

2) 本文中自由设站全站仪天顶距测高法，具有操作方便、精度高等特点，是高层建筑高程测量中比较有效的测量方法。

3) 钢索塔首节段的定位对最终钢索塔的垂直度影响显著，应确保首节段施工测量的精度，并进行复核测量。

4) 钢索塔安装历时长，随着高度的增高和外在环境天气的渐变，塔自身高度随温度的变化比较大；测量时把不同温度下的塔高根据实测温度按钢索塔膨胀系数进行改正到设计标准温度下的塔高，以保证塔高基准的一致性。

参考文献：

[1] KIMITOSHI M, SHIRO O, TETSURO F,et al. Study of Estimation for Figure and Damage of a Steel Pylon Foundation [J]. NipponKoei Technical Forum, 2002, 25(10): 77-84.

[2] 魏浩翰, 何立恒, 隋铭明，等. 南京长江三桥钢索塔现场拼装测量的关键技术[J]. 南京林业大学学报：自然科学版, 2009, 33(1):101-105.

[3] 郑德华. 特大型桥梁首级平面施工控制网的必要精度研究[J]. 测绘通报, 2003(6): 20-23.

[4] 王岩, 岳建平, 马保卫，等. 三种高程传递方法的精度分析[J]. 北京测绘, 2005(1):20-24.

[5] 陈铁鑫, 任少华, 王岩. 高层建筑的高程传递方法及精度分析[J]. 现代测绘, 2007, 30(5): 6-8.

[6] 雷巨光, 刘成龙, 高淑照. 全站仪中的新技术在高层建筑垂直度监测中的应用[J]. 测绘, 2009, 32(1): 26-29.