悬索桥主缆架设施工中的测量控制

赵燕

摘要：重点阐述悬索桥主缆架设施工中的测量控制，如何利用现代测量仪器和测量控制方法，调整主缆基准索股架设的线型满足设计要求；通过主缆架设中对索塔偏位及主缆线形监测的数据指导施工，实现高效率、高精度架设主缆所需要的测量精度要求。

关键词：悬索桥 主缆 架设 测量控制

1 概述

悬索桥指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸（地锚式）或桥梁两端（自锚式）的缆索作为上部结构主要承重构件的桥梁。悬索桥是一种结构合理的桥梁型式，它能使材料充分发挥各自的特长，尤其是现代悬索桥缆索多采用高强度钢丝，桥面采用钢-混结合加劲梁加强，具有刚度大、用料省、自重轻的特点，在各种体系桥梁中的跨越能力最大，跨径可以达到1000米以上，是大跨径桥梁的主要形式之一；另外，悬索桥主塔可以造得比较高，整体造型优美、流畅；采用空中架设猫道施工，不影响通航。因此，在比较深急的水流上建造大跨度及特大跨度公路桥，悬索桥则为首选。

2 工程概况

武汉市鹦鹉洲长江大桥主桥位于武汉市中心城区，北接汉阳的鹦鹉大道，南连武昌的复兴路，是《武汉市城市总体规划（2010～2020年）》中明确的过长江通道，全长3420m。桥址距下游长江大桥约2.0km，是武汉市首座八车道长江大桥，设计车速60公里/小时。

武汉市鹦鹉洲长江大桥主桥采用三塔四跨钢-混凝土结合梁地锚式悬索桥，主桥长2100m；三塔不等高，主缆中心线在中塔顶处理论交点高程为+162.5，在边塔顶处理论交点高程为+144.5。主梁跨度布置：200+2×850+200=2100m，主缆跨度布置：225+2×850+225=2150m。该桥是世界上首次采用主缆连续的三塔四跨悬索桥，也是世界上最大跨度的三塔四跨悬索桥。

本桥主缆横向布置两根，间距为36m，主跨矢跨比为1/9。每根主缆由114股索股组成，每根索股由127根直径为5.25mm的镀锌高强钢丝组成。主缆采用钢支架锚固体系，为双股锚和单股锚相结合，锚杆均为焊接H形钢制杆件，锚杆上端伸出锚体混凝土外，与主缆丝股相连，下端与锚梁连接，锚梁则埋在锚体混凝土的后端。传力方式是主缆通过锚杆将力传给锚梁，再通过锚梁承压将力传给锚体。

3 主缆架设前的测量控制

由于悬索桥施工过程中具有强烈的几何非线性，温度、风速、施工和制造误差等对线形影响非常敏感，应将构件的无应力尺寸（主缆、吊索、加劲梁）作为主要的控制参数。应分别于猫道施工前、主缆施工前、加劲梁施工前进行全桥贯通测量；同时，由于主缆架设时索股的牵引，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跨径的变化，而为控制索股和主缆线形，又必须监测索塔的变形和跨径的变化，因此在主缆架设阶段，除进行主缆的架设测量外，还必须进行索塔的变位监测及主缆的线形监测，通过各工况监测数据的比较，调整主缆架设线形满足设计要求。为保证全桥跨距及高程一致，统一测量基准，应建立上部结构施工控制网，并定期进行复测。

3.1 施工控制网的布测

武汉市鹦鹉洲长江大桥工程原有平面控制点共18个，精度等级为C级GPS点，汉阳岸和武昌岸各9个，DQ1～DQ9在汉阳岸，DQ10～DQ18在武昌岸，其中DQ6～DQ13为强制观测墩、其它的为不锈钢标志，高程控制点共11个，精度等级为国家二等水准点，设计院布设有独立水准点3个（QBM1、QBM4、QBM6），与平面控制点共用点有4个（DQ7、DQ8、DQ9、DQ13）。由于部分控制点已破坏，为满足上部结构施工测量需要，又加密了适当的控制点（V5、M5），上部结构施工前按首级网精度要求进行复测，其成果满足规范相应等级精度要求。

高程控制武昌岸：QBM6、BYQ、QBM4、DQ13、A，汉阳岸：DQ9、DQ8、Y3、Y7、DQ7、B4、QBM1，组成附合水准线路，按二等水准测量及二等跨河水准测量精度进行施测。

主缆架设施工中主要使用汉阳侧DQ7、DQ8、V5，武昌侧DQ11、DQ12、M5进行设站，高程控制以QBM2、QBM4为基准。

3.2 全桥贯通测量

主缆架设前的全桥贯通测量，测定塔柱的倾斜度、轴线偏差及塔顶高程。以确定各跨径及高程是否符合设计要求。主要使用汉阳侧DQ7、DQ8，武昌侧DQ11、DQ12，高程控制点使用QBM2、QBM4为基准。平面测量采用全站仪坐标法直接测量，放样出塔柱上横梁中心点及塔柱上下游轴线；高程测量采用全站仪三角高程法测量，并配合水准仪钢尺复核，将高程引至塔顶。平面及高程测量均按相关规范要求的精度进行。

3.3 变形监测点的布测

在南锚上下游散索鞍附近、中塔塔顶上下游、边塔塔顶上下游各布设2个变形监测点，并埋设变形测量监控标志。采用全站仪三维坐标法，放样塔柱上下游轴线，并以不同的测站点和后视点进行复核。塔顶高程传递采用全站仪三角高程法将高程引至塔顶，并配以水准仪结合长钢尺进行复核。

由于塔柱受日照、风力、温度等自然因素的影响，塔柱会产生变形。为了找出塔柱偏位随温度变化的规律，在猫道架设前，选择气温变化较大的时候，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的过程，为后续施工过程测量提供参考。

为了减少日照和风力等外界因素的影响，应尽可能恒定塔柱的测量时段，选择气候条件较为稳定的时段进行观测（如夜间无风时），变形测量观测周期按设计要求进行。

主缆架设前应选择气候条件较为稳定的时段测定裸塔时变形监测点的初始值。

4 主缆架设施工测量控制

主缆是悬索桥的主要结构组成部分，它承担桥梁上部结构的全部恒载及活载。主缆架设成型的质量，是悬索桥施工的关键工序。由于主缆架设是在猫道上完成的，除对主缆基准索股、一般索股、索夹、吊索等线形调整测量外，还须进行锚碇、塔柱的变形监测，求出气温对主缆跨中标高及索塔顶水平位移的影响规律，以保证主缆线形及索夹位置满足设计要求及桥梁施工安全。endprint

4.1 主缆架设各项技术指标

4.1.1 主缆

①基准索股中跨跨中高差允许误差（mm）：±42.5（±L/20000，L=850m）

②基准索股边跨跨中高差允许误差（mm）：±22.5（±L/10000，L=225m）

③上、下游基准索股高差（mm）：10

④一般索股相对于基准索股高差（mm）：+10，-5

4.1.2 索夹、吊索

①纵向偏位（mm）：10

②上、下游吊点高差（mm）：20

③吊点偏位（mm）：20

4.2 主缆架设施工测量控制

主缆架设时基准索股的测量与调整，是悬索桥主缆架设中最关键的一环。由于一般索股的垂度测定是以基准索股为参照基准，因此基准索股垂度调整的精度决定着整个主缆架设的精度，所以应严格控制基准索的垂度测量和调整精度。

4.2.1 主缆架设测量控制点的选择

主缆架设测量时应在桥址两岸各选择适当控制点2个（如：汉阳侧DQ7、DQ8、DQ9，武昌侧DQ11、DQ12、M5），四台测量机器人在此分别设站，同步观测主缆上设置的棱镜及塔顶上下游监测点设置的固定塔偏监测用棱镜。（见右图）

4.2.2 主缆基准索股测量控制

主缆基准索股垂度测定是通过测量基准索股的绝对高程而得的；基准索股垂度调整是通过垂度及锚跨拉力来控制。

①将牵引就位的第一根索股（1号索）作为基准索，基准索股高程测量应在气温稳定、无雨雾、风速较小的夜间进行。测量前应对外界气温和索股温度进行测量，索股温度的测量用接触式温度计。测点沿长度方向布置为：散索鞍处、边跨跨中、边塔顶、主跨跨中、中塔顶共9个断面；测点沿断面方向布置为：索股上缘及下缘；温度稳定的条件为：长度方向索股的温差Δt1≤2℃；横截面索股的温差Δt2≤1℃。不符合上述温度稳定条件不能进行索股调整。

②基准索股的线形应采用绝对垂度进行调整。根据基准索股跨中设计坐标及里程，测设基准索股边跨及中跨跨中点位，并刻划标志，安装棱镜夹。利用全站仪双测站单向三角高程测量法，测量基准索跨中位置棱镜夹上两棱镜中心高程，然后换算出基准索中跨跨中高程，上下游基准索股高差；同时，还应测量塔顶偏移、索股温度等数据，将数据报监控单位用于计算索股调整长度并作温度和跨度修正。反复上述操作，直至中跨跨中的垂度符合设计要求。中跨跨中垂度调整完成后，再调整两边跨跨中垂度，调整方法同中跨，垂度调整完成后在索鞍处将索股固定。

③基准索股垂度调整完成后，应对其线形至少连续观测三个晚上，观测宜在风力小于5级的夜间且温度稳定时进行，并应记录对应的跨中高程、气温、索股温度及索鞍IP点的偏量。如各项限差都未超过允许偏差的范围，第一根索股的垂度即调整完成。确认基准索股的线形稳定后，将连续三个晚上的数据经算术平均后作为基准索股的最终线形，之后才能进行一般索股的架设。

主缆架设前应选择气候条件较为稳定的时段测定裸塔时变形监测点的初始值。

由表中测量数据可算得：北中跨上游平均差值0.0274m；北中跨下游平均差值0.0296m；北中跨较差0.0022m（<0.0100m）。满足相应规范的限差要求。

④在主缆索股的整个架设过程中，要经常对基准索股进行监控观测。在主缆架设1/3，1/2，2/3时都要仔细地测量，并做好记录进行比较。

4.2.3 主缆一般索股测量控制

一般索股架设采用垂度调整法进行调整固定。即：以基准索股为参照基准，测量其与基准索股相对高差而进行相对垂度调整。

①一般索股的垂度测定，应在气温稳定的夜间于各跨的高程控制点处，用大型卡具（如：水平尺配合卡尺或直尺）测定其与基准索的相对垂度差，被测定的索股在测定处的垂度应抬高200～300mm，边跨跨中预抬高100～200mm，使其完全悬空，以免垂压、缠交其下面的索股。操作时，先测新索股与基准索股之间的高差，然后在夜间风速较小、无雨、雾、温度相对稳定的时间内将其垂度调整到允许偏差0，+5mm以内。

②测定时要测定基准索股与被测索股的温度，确定有无相对温差。

③检查所测索股与其它股是否有接触，是否处于自由悬挂状态。

一般索股应采用与相邻索股若即若离的原则架设，理想状态索股之间无压力，但是由于存在施工误差，相邻索股之间有可能会互相挤压，或存在较大的间隙。因此，一般索股架设过程中，应每隔一层或两层，对一般索股和基准索股的绝对高程进行阶段性测量，一方面检查索股架设线形的绝对偏差，另一方面还可以检查基准索股的有效性。当实测1号基准索股与理论值存在较大偏差或不便测量时，启动第二根（48号）或第三根基准索，以替代基准索股作为后期索股架设的依据，以确保每一根索股相对于基准索的调整误差满足设计要求。

4.2.4 主缆紧缆后线形测量

当主缆的一般索股和基准索股架设完成后，应进行紧缆施工。紧缆分为预紧缆和正式紧缆两部分，是把架设好的114根索股通过紧缆机紧成一根主缆，使空隙率符合设计要求，并用软钢带将主缆捆扎紧，使原为六边形的主缆截面接近为圆形。

主缆紧缆完成后，在夜间恒定的大气温度条件下，测量出主缆空缆线形，即测定每跨1/4、1/2、3/4处的主缆空缆线形，包括主缆的绝对垂度、两根主缆的高差、以及两塔的跨径和索鞍的预偏量。将实测数据报监控，为索夹位置的计算和放样测量提供初始数据。

4.2.5 主缆索夹安装测量控制

索夹的施工放样在悬索桥施工中是相当重要的一环。索夹位置的准确与否，将关系到结构的受力状况，因此在施工中必须采取最佳的测量放样方法，准确地放出各个索夹的位置，以确保索夹最大限度的接近设计位置。endprint

①索夹放样之前，必须进行测量放样数据的计算，主要包括：吊索中心线与主缆的中心线交点在空缆状态下的坐标；吊索中心线与主缆天顶线交点的坐标；该天顶线交点到索夹两端的距离。

②由于索夹数量较多，白天沿主缆的曲线把索夹的位置在主缆上作临时标记。选择夜间气温相对稳定的时段，以临时标记为参考进行索夹的放样。

③由于索夹位置受温度变化的影响非常显著，而索夹中心里程是根据特定的结构状态计算出来的，在实际操作时，结构的实际状态与计算采用的状态存在一定误差，因此，放样时应测量空气温度和主缆表面温度并对索夹位置加以修正。

④索夹放样完成后，采用距离法检验相邻两索夹的吊索中心线与天顶线的交点之间的距离是否与计算值相符。

索夹安装完成后进行吊索安装，安装误差应满足相应规范的限差要求。

4.3 主缆架设变形监测

主缆架设变形监测主要包括索塔偏位监测及主缆线形监测。

4.3.1 索塔偏位监测

①索塔偏位监测工况为：主缆架设、加劲梁安装过程中及主索鞍顶推前后。

②索塔偏位监测频次依据规范及设计要求进行。

③索塔偏位监测应选择阴天或凌晨等温度相对稳定时间段，对中塔塔顶上下游、边塔塔顶上下游、南锚上下游散索鞍附近各布设的2个变形监测点（A、B）进行变形监测。平面采用全站仪三维坐标法，每次需正、倒镜观测12个测回后取平均值，并对测量数据进行加、乘常数、温度和气压改正，并以不同的测站点和后视点进行复核。塔顶高程传递采用全站仪三角高程法将高程引至塔顶，并配以水准仪结合长钢尺进行复核。

4.3.2 主缆线形监测

①主缆线形监测工况为：主缆架设过程中、加劲梁安装过程中。

②主缆线形监测频次依据规范及设计要求进行。

③主缆线形监测应在夜间恒定的大气温度条件下，采用全站仪双测站单向三角高程测量法，测量每跨的1/4、1/2、3/4处主缆的绝对垂度、两根主缆的高差。监测方法同基准索股的绝对垂度测量方法相同。

5 结束语

通过对悬索桥主缆架设施工中测量控制的介绍，可知主缆架设中的测量控制主要包括：各部位的施工放样测量和变形监测，其中的变形监测穿插在各个施工工况中。而通过对塔柱24～48小时变位测试的时间-气温-位移曲线及对塔柱、缆索系统的变形监测数据的比较，掌握了塔柱随温度变化的过程，积累了各工况下悬索桥塔柱及缆索系统的变化规律，为今后悬索桥施工提供了科学的依据，为施工安全、质量、进度提供了技术保障。

参考文献：

[1]《武汉市鹦鹉洲长江大桥上部结构施工组织设计》.

[2]《武汉市鹦鹉洲长江大桥主桥上部结构施工监控实施方案》.

[3]《武汉市鹦鹉洲长江大桥上部结构施工测量方案》.

[4]《工程测量规范》（GB50026-2007）.

[5]《公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程》JTG F80/1-2004.

[6]《公路桥涵施工技术规范》JTG/T F50-2011.endprint

①索夹放样之前，必须进行测量放样数据的计算，主要包括：吊索中心线与主缆的中心线交点在空缆状态下的坐标；吊索中心线与主缆天顶线交点的坐标；该天顶线交点到索夹两端的距离。

②由于索夹数量较多，白天沿主缆的曲线把索夹的位置在主缆上作临时标记。选择夜间气温相对稳定的时段，以临时标记为参考进行索夹的放样。

③由于索夹位置受温度变化的影响非常显著，而索夹中心里程是根据特定的结构状态计算出来的，在实际操作时，结构的实际状态与计算采用的状态存在一定误差，因此，放样时应测量空气温度和主缆表面温度并对索夹位置加以修正。

④索夹放样完成后，采用距离法检验相邻两索夹的吊索中心线与天顶线的交点之间的距离是否与计算值相符。

索夹安装完成后进行吊索安装，安装误差应满足相应规范的限差要求。

4.3 主缆架设变形监测

主缆架设变形监测主要包括索塔偏位监测及主缆线形监测。

4.3.1 索塔偏位监测

①索塔偏位监测工况为：主缆架设、加劲梁安装过程中及主索鞍顶推前后。

②索塔偏位监测频次依据规范及设计要求进行。

③索塔偏位监测应选择阴天或凌晨等温度相对稳定时间段，对中塔塔顶上下游、边塔塔顶上下游、南锚上下游散索鞍附近各布设的2个变形监测点（A、B）进行变形监测。平面采用全站仪三维坐标法，每次需正、倒镜观测12个测回后取平均值，并对测量数据进行加、乘常数、温度和气压改正，并以不同的测站点和后视点进行复核。塔顶高程传递采用全站仪三角高程法将高程引至塔顶，并配以水准仪结合长钢尺进行复核。

4.3.2 主缆线形监测

①主缆线形监测工况为：主缆架设过程中、加劲梁安装过程中。

②主缆线形监测频次依据规范及设计要求进行。

③主缆线形监测应在夜间恒定的大气温度条件下，采用全站仪双测站单向三角高程测量法，测量每跨的1/4、1/2、3/4处主缆的绝对垂度、两根主缆的高差。监测方法同基准索股的绝对垂度测量方法相同。

5 结束语

通过对悬索桥主缆架设施工中测量控制的介绍，可知主缆架设中的测量控制主要包括：各部位的施工放样测量和变形监测，其中的变形监测穿插在各个施工工况中。而通过对塔柱24～48小时变位测试的时间-气温-位移曲线及对塔柱、缆索系统的变形监测数据的比较，掌握了塔柱随温度变化的过程，积累了各工况下悬索桥塔柱及缆索系统的变化规律，为今后悬索桥施工提供了科学的依据，为施工安全、质量、进度提供了技术保障。

参考文献：

[1]《武汉市鹦鹉洲长江大桥上部结构施工组织设计》.

[2]《武汉市鹦鹉洲长江大桥主桥上部结构施工监控实施方案》.

[3]《武汉市鹦鹉洲长江大桥上部结构施工测量方案》.

[4]《工程测量规范》（GB50026-2007）.

[5]《公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程》JTG F80/1-2004.

[6]《公路桥涵施工技术规范》JTG/T F50-2011.endprint

①索夹放样之前，必须进行测量放样数据的计算，主要包括：吊索中心线与主缆的中心线交点在空缆状态下的坐标；吊索中心线与主缆天顶线交点的坐标；该天顶线交点到索夹两端的距离。

②由于索夹数量较多，白天沿主缆的曲线把索夹的位置在主缆上作临时标记。选择夜间气温相对稳定的时段，以临时标记为参考进行索夹的放样。

③由于索夹位置受温度变化的影响非常显著，而索夹中心里程是根据特定的结构状态计算出来的，在实际操作时，结构的实际状态与计算采用的状态存在一定误差，因此，放样时应测量空气温度和主缆表面温度并对索夹位置加以修正。

④索夹放样完成后，采用距离法检验相邻两索夹的吊索中心线与天顶线的交点之间的距离是否与计算值相符。

索夹安装完成后进行吊索安装，安装误差应满足相应规范的限差要求。

4.3 主缆架设变形监测

主缆架设变形监测主要包括索塔偏位监测及主缆线形监测。

4.3.1 索塔偏位监测

①索塔偏位监测工况为：主缆架设、加劲梁安装过程中及主索鞍顶推前后。

②索塔偏位监测频次依据规范及设计要求进行。

③索塔偏位监测应选择阴天或凌晨等温度相对稳定时间段，对中塔塔顶上下游、边塔塔顶上下游、南锚上下游散索鞍附近各布设的2个变形监测点（A、B）进行变形监测。平面采用全站仪三维坐标法，每次需正、倒镜观测12个测回后取平均值，并对测量数据进行加、乘常数、温度和气压改正，并以不同的测站点和后视点进行复核。塔顶高程传递采用全站仪三角高程法将高程引至塔顶，并配以水准仪结合长钢尺进行复核。

4.3.2 主缆线形监测

①主缆线形监测工况为：主缆架设过程中、加劲梁安装过程中。

②主缆线形监测频次依据规范及设计要求进行。

③主缆线形监测应在夜间恒定的大气温度条件下，采用全站仪双测站单向三角高程测量法，测量每跨的1/4、1/2、3/4处主缆的绝对垂度、两根主缆的高差。监测方法同基准索股的绝对垂度测量方法相同。

5 结束语

通过对悬索桥主缆架设施工中测量控制的介绍，可知主缆架设中的测量控制主要包括：各部位的施工放样测量和变形监测，其中的变形监测穿插在各个施工工况中。而通过对塔柱24～48小时变位测试的时间-气温-位移曲线及对塔柱、缆索系统的变形监测数据的比较，掌握了塔柱随温度变化的过程，积累了各工况下悬索桥塔柱及缆索系统的变化规律，为今后悬索桥施工提供了科学的依据，为施工安全、质量、进度提供了技术保障。

参考文献：

[1]《武汉市鹦鹉洲长江大桥上部结构施工组织设计》.

[2]《武汉市鹦鹉洲长江大桥主桥上部结构施工监控实施方案》.

[3]《武汉市鹦鹉洲长江大桥上部结构施工测量方案》.

[4]《工程测量规范》（GB50026-2007）.

[5]《公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程》JTG F80/1-2004.

[6]《公路桥涵施工技术规范》JTG/T F50-2011.endprint