桥梁钢桁架拼装精密纠偏及软件实现_万凯.pdf

2023 年 2 月第 1 期城市勘测Urban Geotechnical Investigation SurveyingFeb2023No1引文格式:万凯，邹志 桥梁钢桁架拼装精密纠偏及软件实现 J 城市勘测，2023(1):182186文章编号:16728262(2023)0118205中图分类号:P258文献标识码:B桥梁钢桁架拼装精密纠偏及软件实现万凯*，邹志*收稿日期:20220311作者简介:万凯(1989)，男，硕士，工程师，主要从事测绘地理信息应用与研究。Email:303443420 qqcom(湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙410000)摘要:桥梁钢桁架拼装测量精度要求高，而且要保证杆件连接处的对应位置孔眼保持一致。结合工程实例，对中跨钢桁架底面拼装的空间关系进行了纠偏分析，根据其理论分析运用 VB 语言设计了钢桁梁拼装纠偏软件，并应用于现场钢桁梁拼装。实际应用表明，该软件能直接通过测量数据给出纠偏结果，节省大量手工计算，方便快捷，现场应用效果良好。关键词:钢桁架;拼装;纠偏分析;VB 软件1工程概况某桥已运行多年，建于 1933 年，最近一次维修是1950 年代，其位于某市城区中心，呈南北走向，全长355 m，主桥全长 1829 m，结构为三孔下承式简支钢桁架桥，设计荷载为两列 10 吨汽车。主桥引桥为钢筋混凝土结构，北岸跨径 L=2.268+7.012m，南岸跨径L=3.286+11.1512m。其他跨为整体式钢筋混凝土板，跨径 L=4648 m。北岸引桥 19 孔，总长 90713 m，南侧引桥 15 孔，总长 81346 m。主桥纵向分跨为(67.79+49.1+67.79)m;主桥桥宽 219 m，其中两侧桁外为 375 m宽的钢结构托架。主桥立面现状如图 1所示。图 1主桥立面分布图图 2边跨钢桁架布置图经多年运行，该桥腐蚀程度严重，经检测钢结构杆件的截面最大应力超出容许值，严重影响桥梁的耐久性和安全性，需对钢桥杆件进行重新更换。南北边跨钢桁架立面及底面如图 2 所示，其拼装顺序为:方向从第 0 节(即图中的 L0)到第 10 节(即图中的 L10)，以一个节间为单位，先拼装相邻两根横梁，然后拼装节间纵梁，一个节间完成再进行下一节间的拼装，每两节间拼装完成再拼装两侧下弦，直至完成边跨钢桁架底面拼装。然后拼装上弦、斜杆、纵杆以及平联，最后形成立体结构。本文主要讨论在钢桁架底面拼装过程中对其精密测量纠偏，施工精度要求如表 1 所示。表 1施工精度要求项目内容允许偏差两横梁间构成的矩形对角线绝对差2 mm横梁两端标高绝对差2 mm横梁中点偏离钢桁架底面中心线误差2 mm2钢桁架拼装精密纠偏分析2.1施工方格网的建立在钢桁架拼装之前，根据南北跨钢桁架底面的设第 1 期万凯，邹志.桥梁钢桁架拼装精密纠偏及软件实现计尺寸在两岸引桥上搭建的厂房里布设施工方格网1，如图 3 所示。图中以第一根横梁 L0 为坐标轴的Y 轴，以钢桁架拼装的前进方向为坐标轴的 X 轴正方向并且 X 轴与钢桁架中心线重合，以此测定点位 WL0WL10，EL0 EL10。为了便于纠偏一个节间横梁的位置，需在节间架设全站仪，故加密点位 Q1Q10。施工方格网的建立过程在此不做详细阐述，网中各点位精度满足工程测量规范的要求2。图 3钢桁架拼装施工方格网示意图2.2钢桁架拼装精密纠偏分析以 L0 与 L1 横梁构成的一个节间为例，在 L0 与L1 横梁相同位置两端头贴反光片以辅助全站仪测量坐标。理论上横梁两端头反光片之间的距离与另一横梁两端头反光片之间距离是相同的，但是在实际测量中由于施工现场的复杂性，遮挡物较多，因此反光片的位置有时不在横梁的端头，使得在纠偏完毕后其 4 个反光片应形成一个等腰梯形，而不是严格意义上的矩形，因此在下文中以梯形做纠偏分析。(1)L1 横梁水平纠偏如图 4 所示，L1 横梁与 L0 横梁构成空间四边形ABCD，当 L1 标高调整后要使得 L0 与 L1 在一个平面上并保持坡度一致，即四边形 ABCD 在一个平面上。图 4L1 横梁标高纠偏示意图纠偏分析如下:已知钢桁架拼装时底面的设计坡度为 i 以及节间横梁的设计距离为 S，L0 两端 A、B 两点的标高为 HA、HB，为保证拼装后钢桁架底面两端的坡度一致，第一根横梁(即 L0)两端标高已事先调整水平，即 HA=HB。则节间横梁的高差为:h=iS(1)因此，以 C 点为例，由 L0 两端横梁的标高为 HC已知，L1 横梁拼装时的标高应为:HC=HBh(2)所以，C 点需要调整的高差为:h=HCHC(3)当h0 时，C 点下降h 高度;当h0 时，C 点上升h 高度。D 点调整原理同上，这里不再赘述。(2)L0 横梁与 L1 横梁平行纠偏要求:L1 横梁平行纠偏后，使得 L1 横梁平行于 L0横梁。图 5L0 横梁与 L1 横梁平行纠偏示意图如图 5 所示，在经过标高调整之后，L0 横梁与 L1横梁在同一平面上。此时只要将 L1 横梁的 D端向 L0横梁移动DE距离即可。纠偏分析如下:首先，根据 ABCD四点的平面坐标可以计算出各边及对角线长度。过 C作 CHAB 与交 AB 的延长线于 H，过 D作 DGAB 交 BA 的延长线于 G，以 C为圆心，CD为半径作弧并与过 C作 BA 的平行线 CE 相交于 E，CE 与 DG 相交于点 F。则 L1 横梁向 L0 横梁方向移动DE后，L0 横梁就平行于 L1 横梁。已知 AB、BD和 AD的长度，根据任意三角形面积公式:令 P=AB+BD+AD2则三角形 ABD的面积为:SABD=P(PAB)(PBD)(PAD)(4)从图中可知 DG 为ABD的高，所以，由12DGAB=SABD可得:DG=2SABDAB(5)381城市勘测2023 年 2 月又已知 AB、BC和 AC的长度，同理可得ABC的高为:CH=2SABCAB(6)又因为 CE/GH，所以 FG=CH，可得:DF=DGFG(7)则 sin=DFDC，=arcsinDFDC，这里 为弧度单位。所以 L1 横梁 D端向 L0 移动距离为:DE=CD(8)(3)L1 横梁中点偏离钢桁架底面中心线纠偏要求:L1 横梁中点偏离钢桁架底面中心线纠偏后，使得四边形 ABCD为等腰梯形。图 6L0 横梁与 L1 横梁构成等腰梯形纠偏示意图如图 6 所示，在经过上一步的平行纠偏之后，L1横梁已平行于 L0 横梁，此时只要将 L1 横梁整体向右移动 CN 距离后四边形 ABCD即为等腰梯形。纠偏分析如下:L1 横梁移动后为等腰梯形 ABNM，过 B 作 BSCD 交 CD于 S。已知 BC、CD和 BD的长度，根据任意三角形面积公式:可得三角形 BCD的高为:BS=2SBCDCD(9)又因为四边形 ABNM 为等腰梯形，所以 CD=MN可得:SN=CDAB2(10)则SC=BC2BS2(11)所以 L1 横梁应向右移动的距离为:CN=SNSC(12)L1 横梁移动后，其中心点就在钢桁架底面中心线上。情形一:当 BDAC时，向左平移;情形二:当 BDAC时，向右平移。无论向左还是向右平移，移动距离均是 CN 长度。至此，经过以上三步的纠偏，四边形 ABCD 为等腰梯形，即 L0 横梁与 L1 横梁构成等腰梯形，可使节间距离与节间对角线相等。3软件实现3.1软件简介根据第二节的纠偏分析，运用 VB 语言编写了一个拼装纠偏软件，界面如图 7 所示。左边一侧分别输入两横梁两端所测坐标以及拼装时钢桁架底面的设计坡度，各点坐标编号规则为:根据拼装的前进方向，以后一根横梁的左侧开始逆时针编号。点击“计算”按钮，在界面右上部分显示出纠偏前的节间各段数据，右下显示出横梁的空间纠偏数据。当一次纠偏完毕，再进行下一次测量，并将所测得的坐标再次输入，通过右侧的各个显示数据再次纠偏，直至满足施工精度为止。图 7测量点分布示意图3.2模拟实验为了验证该软件的正确性，作者在 CAD 上进行了模拟实验。由于在现场横梁标高调整通过液压千斤顶容易实现，因此在 CAD 上只进行平面位置的纠偏实验，为了直观地看出其效果，将两端坐标夸张化。假定 A(4，1)，B(8，1)，C(9，3)，D(1，5)，坡度为3%。经软件计算可知，对角线 AC 距离为 5385 m，对角线 BD 距 离 为 8062 m，D 点 向 AB 方 向 移 动2 020 mm，CD 边整体向 AB 方向移动 1 123 mm。根据计算结果在 CAD 中移动后，用 ID 命令获得各点坐标为 A(4，1)，B(8，1)，C(10.123，3)，D(1.877，3)，然后将 ABCD各点再次输入，可得对角线 AC 距离为6441 m，对角线 BD 距离为 6441 m，D 点向 AB 方向移动 0 mm，CD 边整体向 AB 方向移动 0 mm。在 CAD中作图可看出四边形 ABCD 为等腰梯形。经验证，该软件计算出的纠偏数据正确，可应用于现场拼装纠偏。3.3现场应用首先在两岸引桥上搭建的厂房内铺设纵移滑道，481第 1 期万凯，邹志.桥梁钢桁架拼装精密纠偏及软件实现然后在纵移滑道上拼装边跨钢桁架，其为了拼装完成并验收后运用浮运顶推技术将边跨顶推至原位置的永久支座上，如图 3 所示。第一步:L0 横梁的精确安放定位根据拼装时固定 L0 和 L7 临时支承架的标高，用水准仪调整纵移滑道上 WL0 和 EL0 点安放的临时支承架标高。然后用桥式起重机吊起 L0 横梁并安放在WL0 和 EL0 点的临时支承架上，将全站仪架在 Q1 上，后视 QB 定向，观测 L0 横梁两端坐标，根据拼装施工控制网中 WL0 与 EL0 的坐标，将 L0 横梁安放到位，为了防止 L0 横梁产生微动，在现场用倒链固定 L0 横梁的两端3。第二步:L1 横梁及节间纵梁的预拼装在纵移滑道 WL1 和 EL1 点上安放临时支承架，在支承架上放置液压千斤顶，然后用桥式起重机吊起 L1横梁并放置两端千斤顶上。接下来将两横梁间的纵梁(如图 2(b)拼装上，当孔眼对上时，用螺钉及冲钉临时固定住。第三步:精调将全站仪架在 Q1 上，后视 QB 定向，照准横梁两端的反光贴片，测量并记录下各点坐标，所测坐标列入表 2。将表 2 中的第一组数据以及设计坡度(3%)输入到拼装纠偏软件中，计算结果如图 8 所示。根据软件中纠偏数据进行纠偏:横梁两端的标高用液压千斤顶的升降来调节，使其达到设计的坡度4;L1 横梁的水平位置纠偏靠倒链来调整。当一次纠偏完毕，此时只要测量 L1 横梁两端的坐标即可，将所测坐标输入到软件中进行再纠偏，直至满足施工精度要求。为了检查在纠偏过程中 L0 横梁是否微动，因此重新测量了 L0 横梁两端的坐标，数据见表 2 第 5 次。由表 2 可知当第 4 次纠偏完已满足施工精度要求，因此可计算出 L0 横梁和 L1 横梁两端的坐标绝对差以及对角线与两边绝对差并列入表 3。从表 3 可见，L0 横梁与 L1 横梁经纠偏后为等腰梯形，而且对角线绝对差、横梁两端标高绝对差、横梁中点偏离钢桁架底面中心线误差均满足表 1 中的施工精度要求5，6。图 8桥梁钢桁架拼装精密纠偏软件界面表 2现场测量坐标及拼装纠偏软件计算结果纠偏次数点名X/mY/mH/m计算结果/mL1 横梁纠偏/mm对角线 AC对角线 BD边 AD边 BCC 点D 点CD 横梁1A000175572082B000275552083C632468481896D633868061872157321569863836365149DAB13CDAB222C632468321885D6329682218821571715708636763643不动DAB4CDAB63C632468291882D632568251882157151571063686368不动不动DAB0CDAB34C632468261882D632568281882157121571363686368不动不动DAB0CDAB05A000175572