大跨径悬索桥上部结构施工控制网必要精度研究

摘要：针对大跨径悬索桥施工放样精度要求高、施工精度控制存在不足的问题，依据测量检测标准对精度的要求，从施工放样最小容许限差、主缆架设跨中标高控制限差两个方面进行施工控制网必要精度分析，得出上部结构施工控制网必要精度的几点结论。

关键字：悬索桥；上部结构；施工控制网；必要精度

1.引言

虽然国内大跨径、特大跨径悬索桥的建设逐步增多，设计和施工经验不断积累，但在设计与施工中仍缺乏完善的设计与施工规范；因此，有必要通过分析各构筑物的必需施工测量精度来确定控制网的必要精度，以保证各项验收项目满足《公路工程质量检验标准》（JTJ07-98）及《特大跨径桥梁施工测量规范》（试行）中相应的限差要求。大跨径悬索桥上部结构施工项目主要包括塔柱、主散索鞍、主缆、索夹及桥面设施等几部分。

本文以长江某大桥为背景，进行上部结构施工控制网必要精度分析；该桥由南向北横跨长江，主桥为双塔三跨连续钢箱梁悬索桥，塔顶标高230.600m；主缆由五跨组成，由北向南跨径组成为（20.726+576.2+1418+481.8+19.966）m；主缆在成桥状态下的中跨垂跨比为1：9.003，两根主缆中心距34m。

2.上部结构施工控制网必要精度分析

目前，通常是根据桥梁各构件放样需求的最高精度来确定桥梁施工控制网的必要精度。从表1中可知：大跨径悬索桥塔柱轴线偏差、桥面中线偏位、索夹位置放样及索鞍轴线偏差对放样精度要求最高，均为10mm。虽然基准索股跨中标高控制限差范围较大，但由于索股跨中高程受主索鞍里程与标高、索股跨中里程与标高、散索鞍里程与标高及索股温度测量误差的综合影响[1-3]，索股线形调整误差也很容易超过限差。鉴于此，分别从塔柱轴线偏差等放样要求最高精度和主缆架设跨中标高控制限差两个角度出发，研究上部结构施工控制网必要精度。

2.1根据施工放样最小容许限差确定控制网必要精度

取塔柱轴线偏位控制限差±10mm作为放样最小容许限差△进行平面控制网必要精度分析。桥梁在施工过程中误差来源主要有：施工误差、控制点点位误差、放样测量误差。设成桥最终中误差为 ，施工误差为 ，控制点点位中误差为 ，放样测量中误差为 ；则成桥最终中误差 为：

（1）

依据已建成的大跨径桥梁（崇启大桥、苏通大桥等）施工中的经验，塔柱等重要构筑物的施工误差 可取为：

（2）

目前桥梁建设中，三维极坐标法是施工中采用的最主要施工测量方法。大跨径桥梁施工时，均要求使用TCA2003、TM30等最高精度全站仪，其标称精度为：测角0.5″、测边1mm+1ppm。

按三维极坐标法测量，施工平面测量误差 为：

（3）

式中： 为施工桥轴坐标系中沿X方向中误差， 为施工桥轴坐标系中沿Y方向中误差。

若取施工桥轴坐标系中沿桥轴方向和横桥轴方向的施工测量误差相等，则成桥最终中误差 应为：

（ 4）

根据该桥实际测量条件，取控制点到放样点距离为500m，仪器精度以TM30为准（0.5″、1mm+1ppm），得：

（5）

将式（2）～ （5）代入（1）得到控制点点位中误差 为：

（6）

通过上述推导，根据施工放样最小容许限差确定的南京长江第四大桥上部结构施工控制网必要精度应小于等于5.4mm。

2.2根据主缆架设跨中标高控制限差确定平面施工控制网必要精度

基准索股跨中标高受主索鞍里程与标高、索股跨中里程与标高、散索鞍里程与标高及索股温度测量误差的综合影响，应对各影响因素综合分析。为方便分析，取各观测项目对应的控制点平面点位误差相等，记为 ，且点位中误差沿X方向与沿Y方向的分量相等，分别记为为 ，则：

（ 7）

取各观测项目放样点位误差相等，记为 ，且沿X方向与沿Y方向的分量相等，即 ；取各架站点高程中误差均为 ，各观测项目高程测量误差均为 ；则可知X方向测量总误差 、高程测量总误差 分别为：

（8）

（9）

根据南京四桥实际观测条件，取控制点到各观测点距离均为500m，观测方位角均为45°，标高观测取竖向倾角均为20°，大气折光系数为0.20，计算大气折光系数的中误差为0.05，可求得： 、 分别为1.36mm、1.56mm。

由于主缆施工控制网所用坐标系X轴沿桥轴线方向，所以各项里程值即为X观测值。跨径变化量 是由该跨对应两索鞍观测里程计算得出，两索鞍标高变化量之和 是由对应两索鞍标高变化量求和得到；因此，索股垂度控制中误差[4，5] 可表示为：

（10）

由基准索股架设精度分析可知，索股边跨调整精度远低于中跨[1]；因此，以该桥北边跨下游的索股架设为研究对象，进行施工控制网必要精度分析。对于北边跨， 取值为19.93092°；根据该桥影响性分析结果， 、 、 分别取值为31.6、4.01、1.96；按二等水准测量精度，取控制点高程中误差均为0.5mm；取温度测量中误差为0.2℃。将各项已知值及式（8）、（9）代入式（10）得：

（11）

基准索股边跨跨中标高控制限差范围为（+35mm～-20mm），以下限-20作为计算限差 ，则 ，从而可得控制点点位误差沿X方向的分量 限差为：

（12）

将式（12）代入式（7）得，控制点点位中误差为：

（13）

根据上述分析，由主缆架设跨中标高控制限差确定的平面施工控制网必要精度为4.1mm。

3.结论

（1）通过主缆架设跨中标高控制限差求得的控制网必要精度小于通过塔柱轴线偏差等放样要求最高限差求得的控制网必要精度；

（2）当使用放样要求最高限差求得的控制网必要精度建网，进行基准索股架设时，索股跨中标高观测精度超出控制限差（+35mm～-20mm）的下限；而使用主缆架设跨中标高控制限差所求控制网必要精度建网，则完全能够满足上部结构各构件施工放样对控制网精度的要求；

（3）建立上部结构施工控制网时，选择由基准索股跨中标高控制限差进行控制网必要精度设计更加贴切实际，能够满足工程对测量精度的需要。

参考文献：

[1] 李支彬.大跨径悬索桥主缆施工测控技术研究[D].河海大学硕士学位论文，2013.

[2] 沈锐利，叶志龙等.主缆索股施工控制参数研究[J].西安：建筑科学与工程学报，2010，3（27）： 13-18.

[3] 鲜正洪，李建斌，黄增财.海沧大桥悬索桥施工控制测量[J].中南公路工程，2004，29（3）： 119-122.

[4] 唐茂林，王昌将，沈锐利.西堠门大桥基准索股架设监控与分析[J].重庆交通大學学报（自然科学版）.2008，27（4）： 532-536.

[5] 苏龙.大跨度悬索桥施工控制程序设计与应用研究[D].长沙理工大学硕士学位论文， 2007.