钢结构桥梁施工中温度及变形监控方法

孔屹松 王凯 朱其操

摘要：文章以乌兰木伦河三号桥测量机器人的使用为例，介绍了钢结构桥梁施工中温度及变形监控的方法，主要包括控制点选点、临时墩制作、测量机器人使用、周期测量、变形数据分析等，并通过测量机器人的使用，重点对钢结构温度及变形进行监测，为施工现场提供准确数据。

关键词：钢结构桥梁;测量机器人;变形监控;温度监控

中图分类号：U441⁺5文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.008

文章编号：1673-4874（2021）01-0028-04

0引言

在钢结构桥梁施工中难免由于温差导致钢板结构热胀冷缩变形，给施工带来不便[1-2]。为了加快施工进度，保证工程质量，不仅需要保证施工体系的安全有效，还需要寻找出钢板受温度热胀冷缩影响的变化量，为施工提供指导[3-4]。为此引入了测量机器人应用于桥梁施工的监控中。

徕卡TS60全站仪（测量机器人）是一种能够代替人工进行自动搜索、跟踪、辨识和精准照准目标并获取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型全自动电子全站仪。它是在普通全站仪的基础上集成马达、CCD影像传感器构成的视频成像系统，并配置智能化控制及应用软件发展而形成的。测量机器人的自动化测量，能够相对减少人员配备，提高经济效益，减少人为误差，提高测量精度以及数据的可靠性，可以设置测量周期，为分析数据提供可靠依据[5-7]。

1工程概况

乌兰木伦河3号桥是国内首座双飞翼城市景观特大桥梁，跨径布置为（5+74+200+64+5）m，属中承式复式钢箱拱桥。钢箱梁跨度为348m，桥面为1.68%的单向纵坡段，1.5%的双向横坡，高度为3.5m，变截面宽度为42～65m。主拱结构为飞翼式钢箱拱，向道路中心線外倾17。，跨度为200m，截面高为3m，宽为4m，采用曲形曲做，面内矢高为75m。副拱结构为内倾式钢箱拱，向道路中心线内倾45°，两侧副拱跨度分别为326m、330m，标准段尺寸高宽均为2.0m，变截面段尺寸高2.0～3.0m，宽2.0～3.0m，面内矢高为35m。

鄂尔多斯市乌兰木伦河3号桥主副拱及钢箱梁全部采用钢结构制造，并采取支架法进行安装。由于当地温差大，钢结构数量庞大，通过普通方法测量钢板变形存在误差大，测量周期不定，也不能完全达到要求，故测量机器人在钢结构桥梁中的运用成为不可或缺的一部分。

2控制点选点

在本桥南北岸、上下游共布设5个控制点，分别为G1、G2、G3、G4、G5（见图1）。控制点选点需满足以下需求：

（1）相邻导线点通视;

（2）选点地质坚硬，稳定;

（3）地势高便于加密控制点及施工测量放样。

3控制墩制作

测量机器人属于高精度仪器，不可使用三脚架直接摆放仪器进行测量，需使用钢筋混凝土结构制作控制墩，保证测量机器人的稳定性。控制墩需按照测量一级控制点布设的原则，视野开阔，地势较高，便于观测。墩顶预埋强制对中盘，确保每次仪器架设在同一个坐标不变。

4监测棱镜布设

在钢管支架顶部布设棱镜，24h监测变形情况，直至拱肋吊装前。若支架无明显变形，可进行拱肋吊装作业;若支架变形量超过设计规范允许范围，则需要重新加工支架，直至变形量符合设计规范要求方可进行吊装。

在外界条件相同的情况下，根据钢箱梁及拱肋的节段、高度和特殊位置需布设小棱镜。每节钢箱梁及拱肋两端、拱顶、拱肋锚管附近等位置也需布设，拱肋吊装定位完成后需24h进行持续监测拱肋的变形量。

5记忆学习

测量机器人架设在观测墩上，并在观测墩顶面安装强制对中盘，调平后，仪器稳固不易动，后视棱镜也稳固地架设在另一个观测墩上。仪器与电脑使用电缆线连接，通过电脑软件进行四步定向后，便可进行自动化监测。

机器人测量之前需要进行第一轮手动观测，使机器人记忆棱镜位置，后设置观测周期，每次观测找到指定位置后再进行扫描观测，节省测量时间，明确测量目标。

6周期测量

当观测时间较短时，机器人可以设置不间断观测，从而得出完整数据，分析目标实时变化情况;当观测时间较长时，采取不间断观测导致数据过多，使得数据处理不便，占用内存空间过大，故根据现场实际情况以及观测时间长短设置观测周期，一般不宜超过3h/次。

7数据分析

测量机器人观测配套软件可生成观测目标三向位移变量，可以直观地看出目标点的变形，同样可以导出数据，结合观测的环境温度、钢板温度等对其变形进行分析。分析数据过程时需考虑环境温度、钢板温度、箱梁荷载、现场吊装等对其的影响，综合判断，及时给出预偏值，从而更加精确地控制吊装精度。

7.1温度测量

测量环境温度以及钢板温度，分析钢板温度随环境温度变化规律（排除光照及其他因素的影响），通过钢板温度分析拱肋变形位移，从而得出最佳调节拱肋轴线以及标高的时间和拱肋合龙时间（见表1）。

以右幅主拱S1节段钢箱拱为例，通过对同一时间段的右幅主拱S1节段钢箱拱顺桥向变形以及钢结构表面温度变量分析，将监测数据导入SPSS统计分析软件，如图2所示，通过散点图可知，其关系成线性关系，通过线性拟合，得到结果：

Y=0.57X-9.333（1）

式中：Y——钢箱拱顺桥变形，mm;

X——钢结构表面温度，℃。

对分析结果进行复核，代入右幅主拱S1节段所有监测数据，最大误差为3.57mm，最小误差为0.01mm，平均误差为1.077mm。利用此方法，可得出钢箱拱节段变形量与钢结构表面温度的线性关系。

7.2变形测量

由拱肋各个节段受温度影响变化数据分析可知：

（1）钢结构表面温度随环境温度变化而变化，钢结构表面温度白天最高可达63℃，拱肋变形量也达到最大值。

（2）当钢结构温度恢复到常温时，拱肋的变化量又恢复到初始值，下午5：00至次日早上6：00几乎无变形，为最佳合龙时间段。

（3）右幅主拱S1节段吊装完成后连续6d监测点随温度变化历程曲线见图3。主拱S1节段是拱脚节段，顺桥方向、横桥方向、竖直方向的变化量基本上不变，受温度影响很小。

（4）右幅主拱S13节段吊装完成后连续6d监测点随温度变化历程曲线见图4。受温度影响，拱肋S13节段是拱顶节段，其变化量最大，横桥方向最大变化量为4cm，顺桥方向最大变化量为2cm，竖直方向变化量基本不变，拱肋变形受支架变形影响很小，可忽略不计。

（5）拱肋顺桥向变化量有在5mm内的非弹性变形，超过矩阵支架变化量也有在8mm内的非弹性变形。

根据SPSS统计分析软件线性关系式，计算出在不同环境温度和钢结构表面温度下的拱肋变形量，根据计算得到拱肋吊装的预偏值，从而更加精确地控制吊装精度。

8结语

本文以乌兰木伦河3号桥测量机器人的使用为例，详细介绍了钢结构桥梁施工中温度监控的方法，包括控制點选点、测量控制墩制作、棱镜布置、仪器设置、记忆学习、环境、钢板温度测量、周期测量以及分析变形数据等。

对环境温度、钢结构表面温度与拱肋变形位移量进行分析，使用SPSS统计分析软件，计算归纳总结温度与拱肋变形位移量的线性关系，可为拱肋在不同温度下吊装和拱肋合龙提供依据。

参考文献

[1]胡忠日，刘朝，黎明.钢结构构件热响应的研究现状[J].消防科学与技术，2006（6）：739-743.

[2]赵中伟，陈志华，王小盾，等.大跨度复杂钢结构温度效应及合拢温度研究[J].空间结构，2015（2）：40-45.

[3]胡毅连续钢构桥梁施工与温度应力探讨[J].建材与装饰，2019（7）：229-230.

[4]毛峻烨.钢-STC轻型组合结构桥面施工技术及工艺的研发与应用[J].公路，2017，62（8）：147-150.

[5]陈彦江，王力波，李勇.钢-混凝土组合梁桥温度场及温度效应研究[J].公路交通科技，2014，31（11）：85-91.

[6]梅文胜，张正禄.测量机器人控制网观测与数据处理自动化研究[J].测绘地理信息，2003，28（5）：37-38.

[7]胡佳宁.徕卡MS60测量机器人在桥梁BIM施工中的应用[J].测绘通报，2017（12）：142-143.