拱梁组合体系桥梁拱肋安装线形测量控制方法分析

王渝，吕会龙，李前云

（中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川成都 610052）

0 引言

拱肋安装是拱梁组合体系桥梁的重要施工节点之一[1]，拱肋要按设计值准确合龙，需要第三方监控单位对施工单位安装精度进行复核。本文总结了威海市石家河公园大桥主桥测量监控单位在拱肋安装过程中的一些方便、快速、准确的测量方法，可为今后拱梁组合体系桥梁拱肋安装时的线形监控提供参考。

1 工程概况

威海市石家河公园大桥是一座大型景观桥，位于威海市泊于镇石家河入海口上游约1.8km处，道路等级为城市主干路，双向六车道，桥梁全长921m，其中主桥长250m，道路宽39m。主桥为拱梁组合体系桥梁，主梁结构采用5跨变高度连续箱梁，拱肋结构采用六边形钢箱结构。

如图1所示，主梁结构为（35+40+100+40+35）m五跨直腹板变截面预应力混凝土连续箱梁，采用满堂支架法浇筑施工。拱肋分为中拱和副拱，均为六边形钢箱结构，两侧边拱外倾成34.96°的V字形，两侧边拱在横桥向左右对称。中拱和副拱之间通过刚性连杆进行连接，在中拱拱脚附近设置刚性竖杆和混凝土主梁连接。拱肋安装完毕后最终效果如图2所示。

图1 总体布置图

图2 大桥设计效果图

拱圈采用满堂支架施工，消除支架非弹性变形后，经过现场支架预压试验，支架弹性变形考虑为15mm。现场拱圈线形数据采用设计线形+设计预拱度+支架弹性变形叠加考虑，设计线形+设计预拱度由钢结构制造厂家在加工制作阶段设置，现场根据其试验弹性变形数据对支架搭设标高进行控制。

2 前期准备阶段

2.1 控制点复核工作

首级测量控制网是保证拱肋顺利拼接的必要条件，是判断拱肋安装合格与否的基准，然而桥梁的施工周期跨度大，控制网不可避免地受到施工、自然环境的影响，需要对首级测量控制网的稳定性定期复核。控制网复核的常用方法为整体稳定性分析法、单点稳定性分析法、趋势性分析方法，考虑到施工对控制点的影响，大部分控制点都布设在不受施工影响或受施工影响较小的区域，在日常线形监控过程中，使用频率较高的点由于受施工的影响，可能会发生位移，而控制网整体往往一年才能复测一次，因此，需对常用的控制点采用单点稳定性分析法进行经常性检测，具体的分析方法参照文献[2]。

2.2 建立桥轴坐标系

在架设拱肋时，采用吊车进行吊装，为便于指挥吊车的挪动方向，将拱肋轴线与控制点由威海地方坐标系的“（x，y）”换算成以里程桩号增大方向为纵轴、横向偏距为横轴的桥轴坐标系（K，U），三维空间上保持高程Z轴位置不变。建立桥轴坐标系的具体步骤如下：（1）将威海地方坐标系下的桥梁拱肋各特征轴线与控制点均展绘于同一个CAD文件中；（2）以桥梁的中心为零点，过零点分别作平行于桥梁纵轴和横轴的直线，平行于纵轴线的直线为K轴，平行于横轴线的为U轴；（3）将U轴旋转至水平方向上；（4）为了U轴方向上的横坐标刻度与里程一致，将K轴移至主桥里程K8+282起始处，并利用CAD的“UCS”命令，定义U轴与K轴交点的坐标为（0.000，8282.000），U轴的河流下游、K轴大里程方向为正（这里需要注意的是，桥梁的起始里程处在伸缩缝的前端）；（5）在桥梁坐标系下，依次量取各控制点坐标，得到各控制点在桥梁坐标系下的坐标。桥轴坐标系的最终表现形式如图3所示。

图3 桥轴坐标系

转换坐标系后，在监控的拱肋安装过程中线形结果直观，可以迅速得出线形监控结果，供现场指挥人员决策，不影响其他工种的连续作业，大大提高了工作效率。

2.3 有限元模型的建立

整体模型采用桥梁专业领域三维有限元分析软件MidasCivil建立，采用梁单元及只受拉桁架单元模拟主梁、拱肋、人行道结构及吊索结构。按照实际施工顺序全过程进行模拟，考虑施工过程中各种工况对整体结构的影响，于施工前与设计方进行沟通核对，以最终施工结果达到设计要求为目标。基于此模型，为现场监控工作提供设计过程数据，最终满足各项设计要求。有限元模型如图4所示。

图4 有限元模型拱肋某施工阶段过程结果

2.4 数据准备

拱肋线形监测主要包括拱肋的特定位置的平面与竖向高程两部分，横向偏位与竖向位置的位置与设计值的比较，均通过高精度全站仪测量拱肋特定位置坐标来计算，单个断面监控位置见图5。

图5 拱肋监控位置

拱肋竖向位置的获取：（1）将监控的拱肋轴线转换成CAD格式文件，将标高基准线和拱肋轴线作前视投影；（2）将拱肋轴线的中心对称轴以3m为间距，分别向两边作平行线；（3）标高基准线与拱肋轴线之间的平行线距离，即为拱肋轴线对应里程的设计标高，如图6所示。

图6 拱肋高程监控数据的获取示意图

拱肋平面位置的获取：（1）将Midas Civil生成的拱肋轴线在CAD中作水平投影；（2）将拱肋的竖向对称轴以3m为间距，向大里程与小里程方向作平行线；（3）拱肋轴线与对称轴平行线之间的交点，即为拱肋轴线监控时所在里程的平面坐标，如图7所示。

图7 拱肋平面监控数据的获取示意图

将所获取的坐标数据、坐标点号与拱肋拱线打印成图，便于在后续现场测量工作中快速地比对坐标。将所有的坐标数据导入全站仪，在监控现场减少输入坐标的时间，避免输错坐标。

2.5 设备误差修正

测量仪器除了要定期检定外，在现场测量前还应测定架设位置的气象元素，根据气象元素测量结果，及时修改仪器中的温度与气压参数[3]。检查全站仪视准轴、横轴、竖轴的指标是否满足桥梁线形监控的要求。仪器在使用时，注重防潮、防暴晒。在桥梁的同一部位监控过程中，尽量做到观测人员、仪器与控制点固定。

3 拱肋安装阶段

临时支架（中拱支架见图8、边拱支架见图9）采用钢管与型钢组成的格构式组合支架，支架直接支撑在主梁桥面上，在每个拱肋节段接口处设置一组支架。

图8 中拱支架立面图

图9 边拱支架立面图

中拱拱肋纵向划分成13段，最长节段17.49m，最短节段为合龙段，长7m，中拱拱肋设置12组临时支架。中拱纵向划分如图10所示。

图10 中拱拱肋分段划分图

边拱拱肋纵向划分成9段，最长节段16.432m，最短节段为合龙段，长10.248m，单侧边拱拱肋设置8组临时支架。边拱纵向划分如图11所示。

图11 边拱拱肋分段划分图

拱肋的安装一共分为五步：第一步，安装边拱拱脚节段；第二步，安装中拱拱脚节段；第三步，待主梁施工完成后，从拱脚向拱顶依次安装中拱节段，拱顶节段设置为合龙段；第四步，中拱安装完成后，从拱脚向拱顶依次对称安装两侧边拱节段，安装边拱节段的同时，安装拱件的横向连杆构件，拱顶节段设置为合龙段；第五步，从拱脚向拱顶依次安装竖杆。

3.1 监控方法

拱肋线形监测分为两个阶段：在拱肋吊装阶段，每个吊装节段接头处布置临时测点，进行吊装过程的线形控制监测；拱肋合龙后，在拱肋关键控制截面（L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8和拱脚）设置长期观测点[4]，对拱肋进行线形监测，在通视良好的部位设立测量标志。

拱肋安装过程及后续施工阶段，三维坐标均使用俫卡TS09全站仪反复测量其竖向高程与横向偏位，确保与前一节段焊接成整体前拱肋的实际位置与设计值之差满足限差要求。同时，在后续施工阶段中，需要通过监控特定位置的坐标变化，反映拱肋的受力变化。

为方便测量，减少架设观测后视点环节，可将加密控制点引测至两端引桥的位置，全站仪定向时，采用后方交会的方法，可避免将仪器摆在控制点上，增大架站位置的灵活性。线形监控时，采用极坐标的放样方法，先将镜头旋转到监控点的同一方向，然后将镜头瞄准所监控的拱肋轴线，由于拱肋在安装时涂装颜色为白色，不易分辨出拱轴线的位置，可以在吊装前，将拱肋轴线上需要监控的位置用红色油漆标出来。由于安装拱肋时受作业面的限制，在现场监控时，观测的仰角都比较大，可采用弯管目镜法来解决。

3.2 限差要求

施工过程中严格控制拱肋轴线线形，拱肋安装时，采用两个吊车分别吊住拱肋两端的吊耳，使用全站仪精确测量端口截面的坐标，通过与设计坐标里程比对，调整拱肋的纵、横向偏位，石家河公园大桥在拱肋安装时的精度指标主要参考文献[5]。

（1）拱肋节段吊装前，要检查临时支架偏移情况（吊车负重大），在吊装时，也要随时观测临时支架偏移情况，保持支架垂直度，允许偏差为±3 cm（垂直度的变化通过测量事先贴在支架上的反光片坐标来反映）。

（2）吊装拱肋时，监控单位要在拱肋初定位完成后，及时提供监控点的三维坐标，若发现拱肋线形超限，应立即通过施工单位观测拱肋其它测点的坐标，计算调整量。后续拱肋吊装要待前期已架好的拱肋段安装完毕后进行。

3.3 观测时间节点

在拱肋吊装过程中，对每个吊装节段接头处布置的临时测点进行实时测量，校正拱肋平面位置和竖向标高，确保拱肋位置安装准确。对于拱肋关键控制截面的测点，则需要在以下工况时进行测量：（1）拱肋吊装完成前后；（2）拱肋合拢前后；（3）释放吊索后（防止吊车动力不足而导致拱肋下滑）；（4）灌注拱脚钢箱内及所在主梁节段混凝土后；（5）安装横向连杆、竖吊杆后；（6）桥面系施工完成后。

3.4 胎架及拱脚安装测量

由于拱肋拱脚需要预埋在混凝土中，因此，拱脚所在节段安装位置的准确度直接影响到后续施工阶段拱肋安装的精度。此阶段需要把观测控制点设置到拱脚周边，但由于安装拱脚节段时，对应主梁部分尚未浇筑混凝土，此时架设仪器最理想的位置是在能看清棱镜中心且观测仰角不大的桥台上。胎架的功能主要是控制拱脚中心对称轴延长线与主梁中心轴线的仰角相重合。在横向底座的中点位置用记号笔标出胎架1与胎架2顺桥向中心对称轴。在胎架的安放位置前后，放样出桥梁的中心轴线，随后将两个胎架的位置在底模上放样出来，这样就可以快速地将胎架安放在正确位置。

吊装前，在胎架平台上把拱轴线位置清晰画出，并在拱肋立棱镜的位置上做好记号（一般选择拱肋下边缘的中心点，作记号的点事先通过有限元模型获取其三维坐标），如图12所示。在平台上设置半弧形的拱肋钢板底托，用全站仪测量其平面和标高。拱肋安装时，利用人工立镜的形式进行观测，在立棱镜时，尽量把棱镜头调节至最低杆高位置，以最大限度保证测量坐标与拱肋实际位置匹配。在安装钢箱拱肋时，确定调整好拱肋的平面位置后，固定吊车臂，使其不再左右摆动，再通过伸缩吊索调节其高程。得出测点坐标（K、U、Z），通过与设计值比较，进行精确调整。当节段测点坐标与设计值一致时，快速将其固定在胎架上。

图12 立棱镜位置的标记

每段拱肋的安装步骤为：起吊-移位-就位-定位。逐段进行吊装，及时安装横向连杆，保证整体稳定，逐段焊接，直至合龙段安装。

3.5 拱顶合龙段吊装定位

（1）合龙前的准备工作。①分析已完成的节段主、副拱肋轴线的平面、高程数据与设计值，并进行比较，如发现数据与设计值超过了规范限差值，首先要会同施工方确认是否真的超限，一旦核实，在合龙前必须再次调整拱肋线形，确保实际线形与设计线形满足限差要求；②由于拱肋材料为钢铁，受气温及太阳照射的影响，会热胀冷缩，所以，需要对拱肋合龙口的三维坐标进行48h连续测量，并在夜间大气环境稳定时，安排两次线形通测，其目的是通过测量数据，分析拱肋在不同温度影响下的伸缩变化基本规律，为拱肋合龙时数据的调整提供参考；③通过1次/2h的温度测量频次，确定白天的最低温度，为现场指挥吊装人员找出合龙的最佳时间提供参考；④加强两侧拱脚变形测量。

（2）合龙段定位。合龙段定位主要是控制拱肋中心的里程、高程以及中轴线，合龙段准确就位后，要测量合龙段中心位置的三维坐标，确保拱顶的拱肋间距离、对称位置标高等技术参数满足设计要求。拱肋拼装完成后的效果见图13。

图13 拱肋拼装完成后效果

拱肋安装前后，各个施工阶段的测量数据要实时记录，按时间的先后顺序依次做好归档，方便查找。

3.6 线形调整

由于采用吊装法进行拱肋安装，所以主要先通过拱肋节段对接端纵横向错牙、调整未对接端平面位置和标高两种方式调整拱肋线形。其中，未对接端平面位置和标高主要通过控制未对接端缆绳来实现。现场的调整操作见图14，调整过程如图15所示。

图14 吊装法拱肋精确调整现场操作

图15 吊装法拱肋精确调整现场操作

4 结语

威海市石家河公园大桥在空间上线形非常复杂，在拱肋安装时，通过建立桥轴坐标系，及时反馈了水平偏位与竖向标高的位置情况。有限元模型的建立，为拱肋在各个施工阶段的线形数据提供了有力支撑，对拱肋拱轴线作俯视与前视投影，准确获取了各个位置的三维坐标，使大桥得以顺利合龙。在整个拱肋线形监控工作中，拱脚安装的准确度是后期拱肋顺利合龙的关键，对安装前的安装数据验算、仪器性能检查、现场气象参数测定等准备工作非常重要。虽然在实际工作中，由于每座桥有其自身的特点，以及现场环境具有差异，测量方法会有所差别，但测量工作的大体思路，如桥轴坐标系的建立、线形监控数据的准备、线形调整等工作思路都是一致的，本文提供的监控方法可为同类工程提供参考。