自锚式悬索桥结构线形监控测量研究
2018-03-05
0 引言
上部结构施工阶段是悬索桥结构线形控制的关键时期，需要进行大量的施工测量及监控测量。通常为保证施工监控测量的精确及达到复核的目的，在施工测量控制网的基础上，需要根据结构几何形态参数监测工作的可实现性和现场操作便利性要求，进行局部控制网优化处理，为便于测量结果比较及应用，监控测量按与施工测量同网、同基准点的原则进行。
线形测量包括塔顶偏位测量、主要构造实际位置成果测量、主缆安装线形测量、索夹安装位置测量、吊索张拉过程主缆和主梁线形测量。自锚式悬索桥结构如图-1所示。
1 塔顶变位测量
由于主塔在施工和成桥状态均通过吊杆和主缆承担相当部分的荷载，在不平衡荷载和大气温差及日光照射下均会使主塔产生不同程度的变形，为不影响索力调整，须掌握主塔在自然条件下的变化规律。
索塔复测工作前，应仔细查阅前期工程竣工测量资料，它是监控计算及监控测量的直接依据。同时，在后续施工阶段中应跟踪塔柱在主梁安装及合拢过程中的变形，为主梁安装控制提供参考数据。
主塔变位测量包括顺桥向和横桥向二个方向变位值的测量，塔顶变位的监测采用高精度全站仪进行。为对塔顶变位提供参照，在塔顶及塔身均布置观测点，以圆棱镜做为照准目标，在塔壁四周中线处设置标记测点，测站点布置在桥梁轴线上适当位置。
为监测日照温差对主塔变位的影响，在架设猫道前选择气温变化较大的一天，进行塔柱24～48小时变位测试。记录时间－气温－位移曲线，了解塔柱随温度变化发生的纵横桥向偏移规律，为后续施工过程测量提供参考。
本阶段的具体复测工作如下：
（1）测量索塔的纵向位置控制点，并做标记，结合温度测量，测定塔顶控制点处的位置和标高、主塔塔柱的平面位置，并与计算值比较，给出这些值的施工误差。由于这些值直接影响后续施工，需要仔细测量。
（2）因塔顶控制点不易观测，为方便后续工况对主塔进行监测，需设计标记点在距塔顶最近、方便测量且不易被破坏的位置，后续工况测量时将此点作为塔顶位置及标高的代表点。当前工况需测量出此标记点相对于控制点的位置（X、Y、Z），便于以后通过测量标记点来求得桥塔的标高和纵向位置。
2 猫道架设过程中的监控测量
猫道为悬索桥施工中必备的临时结构,为主缆架设、索夹和吊索安装等提供了施工操作平台，也是材料及工具的运输通道。猫道作业全部为高空作业,受自然环境影响,猫道的架设难度大、危险程度高。为了使猫道施工的线形最大限度地接近设计线形，除较好地实测和控制猫道索的垂度外，应对该工况下桥塔水平位移进行复测，因为猫道的垂度与索塔、散索套间的距离有密切的关系。由于自锚式悬索桥猫道线形为空间线形，两跨猫道索内力不同会导致桥塔偏位，而桥塔偏位又将影响猫道索的施工质量，因此必须对猫道施工时桥塔水平位移进行监测控制。
猫道施工时桥塔水平位移的监测，可采用坐标进行监测，利用塔顶测量标记点。此项监测测点的初始值根据施工实际环境情况测量结果取用，实时测量坐标与初始值的差值即为该工况下塔顶水平位移量。
3 主缆架设前桥塔、主鞍座、主缆锚固构造实际位置的成果测量
猫道架设完毕后，塔顶标高和平面位置受温度影响的静态变形及其变形规律对悬索桥上部结构施工中的索塔偏位监测、跨径变化监测、基准索股和主缆的垂度控制以及索夹放养等有着至关重要的影响。此时，猫道与索塔形成一整体结构，应对桥塔、主鞍座、主缆锚固构造进行测量，它是索股架设计算的直接依据，本阶段具体的监测工作如下：
（1）测量猫道引起的索塔水平位移及标高变化，并测量发生位移的温度；取1个晚上的2次测量结果均值与裸塔结果进行比较以求得偏位值。
（2）根据理论预偏量及猫道架设引起的塔柱纵向位移计算鞍座安装预偏量。施工单位可根据此预偏量对散索鞍和主鞍座进行精确预偏，对实际的鞍座安装预偏量由不同人员进行多次测量确认，然后加水平支承，限制其纵向滑动。
桥塔、主鞍座、主缆锚固构造测量后，结合最新的结构恒载数据重新计算索鞍的预偏量和基准丝股的架设控制线形，设计温度下的计算值应提交给业主指定单位复核确认。检查新计算的预偏量是否与已设置的预偏量一致，如有变化，调整索鞍预偏量。
4 基准索股架设过程中的监控测量
基准索股架设前，需对索鞍预偏量进行复测，确认位置精确无变化。索鞍预偏完毕后，即可进行主缆基准索股的架设。影响基准索股线形的参数有温度变化、桥塔偏位。本阶段具体的监测工作如下：
（1）确定基准索股绝对垂度监控测量方法
基准索股垂度测量采用单向三角高程测量，在数据处理时考虑当地大气折光系数的改正和地球曲率的改正，而当地水面大气折光系数的获取，可根据对向三角高程测量试验的方法，在当地不同气候条件下经过试验获取，所获得的大气折光系数具有一定的代表性，可对观测的垂直角进行改正，最后采用改正后的垂直角计算待测点的高程，此法运用得当的话，在500～1000m的范围内，绝对垂度的测量可达到±1.0～1.5cm的精度，可满足基准索股垂度测量的精度要求。
（2）监测桥塔边跨一侧基准索股和主缆间相对垂度
基准索股相对高差的测量，也拟采用此测量方法进行测量，首先采用液体静力水准测量即联通管水准测量的方法，在风小、夜间温度变化较小和索股稳定的时候，直接测量上下游基准索股间的相对垂度，再用三角高程中间法复核上下游基准索股的相对垂度；上下游主缆间的相对高差，也采用这种方法实施监控。此项监控项目在虎门大桥、江阴大桥、海沧大桥实施中情况较好，两种测量方法的较差一般在±5mm以下，能满足特大型悬索桥施工监控的精度要求。
（3）基准索股架设完毕、稳定观测阶段的监测
在基准索股调整好之后，要对基准索股进行至少3天的稳定观测。在每天晚上3次测量各跨索股的跨度变化量和索股跨中标记点的纵向位置、顶部标高。监控人员将根据各次复核结果确定基准索股的架设精度，如不满足要求，将需重新调整基准索股。
5 一般索股架设过程中桥塔变形、梁端位移的监控测量
在一般索股的牵引和温度、线形误差等因素的影响将使作用在索塔上的水平力发生变化，从而导致索塔的变形和梁端的位移，而为控制索股和主缆的线形，从监控角度确保索塔安全，必须监测索塔的变形和梁端的位移。
在一般索股架设过程中，索塔变形和梁端位移一般是一维变量，主要的变形方向为顺桥向，所选择的变形监测方法应简洁、快速、可靠、高效且易于实现，才能有效配合施工。在虎门大桥、海沧大桥、润扬长江大桥南汊桥悬索桥上部构造施工中，均采用测距仪或全站仪“距离差监测法”，监测上部构造施工各工况的索塔变形和梁端位移，取得了较好的监测效果。
6 主缆架设完成后的成果复测
在主缆紧缆之后，要对空缆线形加以精确测量。测量的方法与基准索股架设期间的监测方法相同。在进行空缆线形测量之前，解除散索套处的临时支承对纵向的约束，以得到真实的空缆线形。
空缆状态线形测量要素如下：索塔塔柱顶的纵横坐标、高程、各跨平均温度、主缆跨中位置及标高、散索鞍转动量及锚跨温度。应在夜间气温稳定的情况下测量3次空缆线形。
测量成果将用于在施工监控仿真分析系统中计算主缆的架设精度情况以及根据桥塔几何形态和实测空缆线形反算主缆无应力长度并计算对成桥主缆线形的影响量。
参考文献：
[1]杨德灿，孙杰，胡荣根．大跨度悬索桥的施工程序及技术要点分析[J]．交通科技，2004．
[2]李江乐．悬索桥的施工控制综述[J]．山西建筑，2008．
[3]蔡峰,王磊. 自锚式悬索桥桥面线型控制技术研究[J]．桥梁技术，2011．
[4]王鹏,吴迅,石雪飞. 自锚式悬索桥施工控制[J].结构工程师2008(01).
作者简介：刘战（1986--），男，长安大学公路学院硕士研究生，桥梁与隧道专业。
