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摘要：钢管拱肋节段吊装定位是钢管混凝土拱桥线形控制的重要一环，其定位技术的高低关系到成桥线形乃至结构受力。结合赣州市章江大桥钢管拱节段吊装的工程实际，简述从工厂制作到现场节段安装的线形控制和精确定位方法，同时深入分析控制网的精度以及放样施测的误差精度。
关键词：钢管混凝土拱桥；测量；定位；精度分析
0 引言
桥梁施工几何控制的总目标是达到设计的几何状态要求，最终结果误差容许值与桥梁的规模、跨径大小、技术难度等都有关系。施工技术与监测手段的高低是几何控制目标实现的决定性因素[1]。对钢管混凝土拱桥而言，拱肋节段的吊装定位是成桥几何线形的重要步骤，保证测量的可靠性与精确性对施工控制极为重要。
1 工程概况
章江大桥主桥为三跨飞燕式异型钢管混凝土拱桥，分成钢管拱和钢箱梁，之间采用吊杆连接。全桥长254m，主跨158m，采用对称布置，中跨为钢箱梁[2]。
主桥拱肋由通过端锚板相互连接的三根钢管组成。三根钢管线型均为二次抛物线，一根外径1.8m 的主拱位于竖直平面内，计算跨径158m，矢跨比为1/4.75；两根外径1.2m 的稳定拱由竖直平面向两侧旋转21.8? 而成，计算跨径120m，拱肋平面内的矢高为28m。
主桥钢管拱分主拱及稳定拱，各分成7 个节段，水平投影2.48~22.5m，钢管拱节段最大重量30t，最大长度27.2m。主拱钢管拱规格为φ1800mm×26mm，稳定拱为φ1200mm×22mm。主拱与稳定拱之间采用箱型斜腹杆连接，稳定拱之间采用钢管连接。
主拱内灌注自密实微膨胀C50混凝土，稳定拱仅在拱脚部分灌注混凝土。钢管拱材料为Q345D，外表面除锈等级为Sa3.0，内表面为Sa2.5。
根据设计要求，钢管拱合龙精度应满足以下要求：
1）两岸对称点高程差，偏差同号且≤5mm；
2）拱肋扭转，拱肋内外侧面钢管拱顶面高差差△≤2mm；
3）拱轴线长度误差≤10mm；
4）吊装合龙后横向，竖向偏位≤±5mm。
2 测量定位技术
钢管拱混凝土桥施工阶段多，工况复杂。同时考虑结构恒载、二期恒载以及不可忽略的大临设施荷载的作用对桥面以及钢管拱产生竖向挠度的影响，计算以及确定在各施工阶段下的钢管拱控制点坐标十分复杂[3]。同时结构对施工环境温度变化比较敏感，在一天中不同时段整体线形呈现变化趋势，因此钢管拱的施工测量的精度和定位技术决定合龙精度以及成桥线形。
为达到设计合龙精度，本工程选用一台苏光DSZ3 水准仪和拓普康GTS-311 全站仪（2”,2mm±2ppm）进行测量控制和放样。
2.1 控制网的布设
原控制网由赣州市市政勘测设计院定测，平面坐标系统为北京坐标系统，高程系统为85 国家高程系统。本工程共交接平面GPS 控制点6 个，水准点2 个。为便于施工放样，又增加平面控制点2 个，平面网控制点总数为8 个。控制网平面布置图及平面坐标分别见图1与表1。
在对控制网进行复测时，利用其中两个控制点D066（x=2858429.248，y=519348.986）和D068（x=2858625.674，y=519714.277）作为已知点，以保证二维约束平差时和定测时的一致性。平差成果中，二维平差基线向量改正数分布合理，服从正态分布，最弱点点位中误差为±13mm（DQ03-D068，边长为160.291m），因边长较短，可不用边长相对中误差衡量外，边中最弱边相对中误差为1/57351，表明该控制网满足原网的精度要求。
在以控制网为基础上，按施工需求在主桥南北岸分别建立一定数量的施工临时控制点。平面控制点以全站仪相对定位施测，高程控制点采用水准仪施测或者全站仪进行高程测量，按四等控制网的精度要求进行测量。
2.2 架设定位控制
2.2.1 精度控制由于钢管拱在温度变化下会发生随即变形，因此在定位测量时选择没有日照、没有3级以上大风、并且空气温度以及钢管拱温度变化不大的时段进行钢管拱高精度定位。一般选择在夜里8 点到早上5 点进行测量定位工作，以减弱温度对钢管拱架设精度的影响。
由于钢管拱假设做不到水准观测，只能采用三角高程测量各控制点三维坐标中的高程。在进行钢管拱三维测量时，首先测量主跨墩混凝土箱梁上高精度高程控制点高程H0，计算△h=H-H0，再利用式△k=2R×△h/S2 计算△k 值，在全站仪里在K 值进行修正。由于钢管拱架设时视线所通过的大气环境与后视大致相同，可以基本消除球气差对高程测量的影响。
2.2.2 吊装测量控制首先是在钢箱梁上放样出钢管拱托架的具体位置，按照设计里程、设计偏距、设计标高一一调整托架的位置，可以先精确定位钢管拱在托架上的平面位置，在通过钢楔来微调钢管拱的高程。
托架由四根φ600×6mm 的钢管组成，钢管之间每隔5m 高度焊接横梁保证刚度。待钢管顶面高程达到设计高程以及平面位置固定后，在钢管顶架设H500 型钢和固定拱肋的马鞍。在托架顶部分别用四根缆风索与主跨两侧混凝土桥面联结，以固定托架顶面。托架布设如图2 所示。
3 测量精度分析
本桥在平面控制测量中采用全站仪测量各控制点平面位置，引桥部分等高差不大的测点之间采用水准测量高程。而对于主桥钢管拱，主拱最高点距离桥面达18.342m，稳定拱最高点距离桥面达25.886m，要对钢管拱实施定位测量，只能采用全站仪在桥面实施三角高程测量。全站仪平面坐标法已广泛用于控制工程平面位置，其测定精度显然可以满足质量检验评定标准的要求；而对于高程测量，采用本桥所选全站仪施测，其技术关键是仪器测量精度能否达到本工程质量精度的要求。
3.1 三角测量高程理论如图 3 所示，设s0 为A、B 两点间的实测水平距离。仪器置于A 点，仪器高度为i1。B为照准点，砚标高度为v2，R 为参考椭球面上A’B’的曲率半径。PE、AF 分别为过P 点和A点的水准面。PC 是PE 在P 点的切线，PN 为光程曲线。当位于P 点的望远镜指向与PN 相切的PM 方向时，由于大气折光的影响，由N 点出射的光线正好落在望远镜的横丝上。这就是说，仪器置于A 点测得P、M 间的垂直角为α12。
3.2 高程中误差分析考虑采用三角高程中间观测法实施钢管拱的定位，由单向观测法高程计算公式可知，两测点间的三角高程中间观测法高差为由于视距差对全站仪三角高程中间观测法高差中误差的影响很小[6]，本工程可以忽略不计。而竖直角和测线平距则对其有很大的影响，本桥最大竖直角α=arctan(25.886×2/158)=18.1°，测线平距d=148.25m。
对于测角中误差ma=±2”，测距中误差md=±(2”,2mm±2ppm)的全站仪，在固定测距d1=48m，d2max=136.25m 的条件下，取仪器高和棱镜高量测中误差mi=mv=±1.0mm，大气折光系数k1=0.17，k2=0.11，大气折光系数中误差mk=0.04，则其中间三角高程中间观测法高差极限误差为1.591mm。若取二倍中误差作为三角高程中间观测法高差极限误差，在本桥测量定位任务下，其三角高程精度可以满足设计要求以及满足相应质量检验评定标准的要求。
3.3 钢管架设误差表 2~表4 为钢管拱各节段吊装架设完成后测量的主要控制点三维坐标数据以及与设计坐标的偏差。由表2~表4 钢管拱各节段架设观测记录可知，平面位置最大偏差为0.004m，纵向高程最大偏差为0.002m，均满足合龙精度要求。
4 结论
钢管拱的精确定位是本桥的重中之重，任何环节的精度都是需要严格控制的。工厂钢管拱节段规格精度的高低是直接影响现场吊装定位精度的前提。用全站仪进行平面位置控制和三角高程测量不仅精度满足要求，操作更为便捷，提高施测效率，及时反馈数据迅速调整，在保证定位精度的同时，钢管拱吊装定位施工时间大幅度缩短。钢管拱施工受环境影响甚大，不仅结构在温变时发生不可预知的变形而影响测量，同时测量也受其环境影响，如空气温度场、风场等。因此在施测时，要选择最为合适的施工环境进行。
