郜景林

上海公路橋梁（集團）有限公司 200433

引言

高架橋下部結(jié)構(gòu)的裝配式施工技術(shù)中以灌漿套筒連接技術(shù)最為常見，在上海北橫通道天目路高架［1］、上海嘉閔高架路［2］等項目中均有應(yīng)用。相較于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的濕作業(yè)，灌漿套筒技術(shù)對構(gòu)件加工和預制立柱安裝精度要求較高。在高架橋下部結(jié)構(gòu)中，立柱作為承臺和蓋梁的連接構(gòu)件，其安裝精度更為重要。常用的預制立柱安裝方法需要施工人員在立柱安裝后，乘云梯至立柱頂面用卷尺測量兩根立柱頂面鋼筋對角線距離。上海嘉閔高架路項目曾采用雙測點控制法［3］避免了高空作業(yè)的風險，但對每根立柱及其所對應(yīng)的承臺頂面都需標記控制線，工作量大且不易操作。

因此，本文提出一種基于自適應(yīng)原理的新型的裝配式高架橋立柱安裝測量技術(shù)，介紹自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的基本原理、實現(xiàn)裝置和應(yīng)用程序，并結(jié)合某工程，研究自適應(yīng)安裝測量技術(shù)在裝配式立柱安裝測量中的應(yīng)用，為該技術(shù)在類似工程中的應(yīng)用提供思路。

1 自適應(yīng)安裝測量技術(shù)概述

1.1 自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的原理

自適應(yīng)原理最早起源于航空航天領(lǐng)域，隨后被推廣到光學、化工、機械等工業(yè)領(lǐng)域［4］。在橋梁結(jié)構(gòu)施工中，自適應(yīng)原理多用于橋梁施工控制和監(jiān)測。石雪飛和項海帆［5］以此建立了斜拉橋自適應(yīng)施工控制系統(tǒng)。因?qū)嶋H結(jié)構(gòu)與理論模型存在誤差，導致斜拉橋的實際受力狀態(tài)和理論模型計算結(jié)果不同，故將誤差值輸入控制系統(tǒng)用于修正理論模型，將修正后的理論模型用于下一階段監(jiān)測，反復進行上述步驟，直至實際結(jié)構(gòu)與理論模型一致。

自適應(yīng)安裝測量技術(shù)則采用相似的思路，但是以理論模型為參照，不斷調(diào)整實際結(jié)構(gòu)使其與理論模型一致或在允許誤差范圍內(nèi)，見式（1）。

式中：x代表實際結(jié)構(gòu)模型；X代表理論結(jié)構(gòu)模型；si代表造成實際模型偏差的變量（i=1，2，3，……）。

圖1為自適應(yīng)安裝測量技術(shù)說明圖，首先通過立柱參數(shù)獲取立柱理論位置，然后在立柱安裝后獲得立柱實際位置，以理論位置為參照，不斷調(diào)整實際位置。對于矩形截面柱，柱頂面四點即可確定一固定矩形面，若柱頂面四點實際位置和理論位置的誤差在允許范圍之內(nèi)，則說明立柱安裝精度滿足施工要求。

圖1 自適應(yīng)原理說明Fig.1 Self-adaption principle diagram

1.2 自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的特點

裝配式高架橋下部結(jié)構(gòu)按“承臺—立柱—蓋梁”順序施工，立柱理論位置和實際位置均可在承臺頂面標定，具體實現(xiàn)方式見第2節(jié)。相較于現(xiàn)有的立柱安裝測量技術(shù)，自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的優(yōu)點為：（1）將立柱安裝高空作業(yè)的風險性轉(zhuǎn)換為立柱安裝地面作業(yè)的安全性和高效性；（2）使立柱是否安裝完畢的評判指標由兩根立柱間頂部鋼筋對角線距離轉(zhuǎn)換為單根立柱的自我調(diào)整，評判方式更加簡單明確。

2 自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的實現(xiàn)方式

2.1 自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的實現(xiàn)裝置

自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的關(guān)鍵問題在于如何將立柱的理論位置和實際位置呈現(xiàn)在承臺頂面。為了獲取立柱實際位置，自行設(shè)計并加工了一種X型導向架裝置，見圖2。導向架由X型導向架主體和導向臂組成，導向臂包括伸縮部和激光導向儀，伸縮部由伸縮桿和延伸臂組成。導向架采用裝配式組合方法，為增強導向架對不同立柱截面尺寸的適用性，用旋轉(zhuǎn)鉸連接X型導向架主體桿件，用伸縮桿增加延伸臂的伸縮距離。激光導向儀用一萬向節(jié)固定在導向臂端部，萬向節(jié)可使激光導向儀的照射光始終垂直于地面向下。由于萬向節(jié)中存在阻尼作用，故在激光導向儀端部添加配重物以抵消阻尼影響，同時考慮到實際施工風環(huán)境的影響，在激光導向儀外安裝防風罩。

圖2 X型導向架實物圖Fig.2 Physical image of X-type guide frame

導向架通過導向臂上的內(nèi)六角螺栓固定在立柱頂面四個頂點鋼筋上，見圖3。安裝時保證激光導向儀為開啟狀態(tài)，安裝后可直接在承臺頂面獲取激光導向儀照射點位置，標定后記為立柱的實際位置點位。

圖3 導向架安裝示意Fig.3 Schematic diagram of guide frame installation

2.2 自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的應(yīng)用程序

自適應(yīng)安裝測量技術(shù)需在施工現(xiàn)場進行大量計算，為便于施工，基于MATLAB GUI平臺開發(fā)自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的應(yīng)用程序，圖4為該程序的運行界面。

圖4 自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的應(yīng)用程序Fig.4 Program of adaptive installation measurement technology

考慮到施工測量精度無法準確獲取理論位置點位，故在模塊1中采取近似方法，將理論位置點位全部精確到整數(shù)位，根據(jù)空間幾何關(guān)系，獲得理論位置點位，設(shè)四個理論位置點位的坐標分別為（a1，a2）、（b1，b2）、（c1，c2）、（d1，d2），各點橫縱坐標的表達式見式（2）～（5）。

式中：L為縱向角點鋼筋中心點距離；B為橫向角點鋼筋中心點距離；L1為鋼筋點位延伸長度，即鋼筋中心點至激光導向儀的水平距離。

模塊2可以根據(jù)套筒內(nèi)徑和鋼筋直徑計算允許誤差。然而通過套筒內(nèi)徑和鋼筋直徑計算的為立柱平面內(nèi)的允許誤差［d］，無法與測量結(jié)果直接對比。因此，要通過如圖5所示的相似空間關(guān)系轉(zhuǎn)換為承臺頂面的允許誤差值［D］，見式（6）。

圖5 ［D］值計算示意和點位關(guān)系Fig.5 Schematic diagram of calculating of［D］and relationship of point positions

式中：Dint為套筒內(nèi)徑；drein為鋼筋直徑。

模塊1中已經(jīng)將理論位置點位做了近似處理，所以測量得到的實際位置點位和近似位置點位的距離并不等于實際位置點位和理論位置點位的距離，倘若根據(jù)前者進行調(diào)整，所得的結(jié)果是立柱實際位置不斷接近于近似位置，而非理論位置，造成了自適應(yīng)安裝測量的系統(tǒng)誤差。所以要建立實際位置點位、理論位置點位和近似位置點位之間的聯(lián)系。

以上三個點位可形成平面，見圖5，圖中m值為實際位置點位和理論位置點位的距離；n值為實際位置點位和近似位置點位的距離；p值為理論位置點位和近似位置點位的距離。一根立柱共存在四組如圖5所示點位。根據(jù)三角幾何關(guān)系，有，設(shè)為m下，n+p 為m上，當四組m上均小于［D］時，說明立柱的四個點位均不可能超出允許誤差值，立柱安裝精度好。當四組m下均大于［D］時，說明立柱的四個點位全部超出允許誤差值，立柱安裝精度差，需要調(diào)整。當［D］介于m下和m上之間時，無法比較［D］和m的大小關(guān)系，此時，假設(shè)m=［D］，進而根據(jù)［D］-n計算p的最值，若p小于［D］-n，說明立柱精度滿足要求，反之，則不滿足。圖6為判斷功能的流程圖。需要注意的是，實際位置點位、理論位置點位和近似位置點位可以共線，故上述不等式均可取等。

圖6 模塊2判斷功能流程Fig.6 Judgement flowchart of Module 2

在初始參數(shù)設(shè)置中選擇立柱調(diào)整方式，則在模塊3中可輸出相應(yīng)的調(diào)整結(jié)果。調(diào)整結(jié)果包括：調(diào)整后實際位置點位的水平位移、立柱垂直度變化和立柱頂面中心點的高程變化。式（7）～式（12）為圖4所示墊高A點的實際位置點位水平位移、垂直度和高程變化的計算公式，算式根據(jù)各點位的空間幾何關(guān)系推導而來。其中SA、SB、SC、SD分別為A、B、C、D四個點位的水平位移，α為垂直度變化，β為立柱頂面中心高程變化。

3 基于自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的預制立柱安裝工藝改進方案

基于自適應(yīng)原理和自適應(yīng)原理的實現(xiàn)方式，提出預制立柱拼接施工工藝的改進方案，見圖7。

圖7 改進工藝流程Fig.7 Flowchart of improved technology

4 工程應(yīng)用

該技術(shù)所應(yīng)用的項目為鄭州市某高架橋項目，該項目裝配式施工，先安裝預制立柱，隨后安裝蓋梁，繼而安裝箱梁，見圖8。項目所用立柱頂部鋼筋中心點的縱向距離L和橫向距離B均為1.7m，立柱高度為3.6m，立柱頂部鋼筋公稱直徑為40mm。該項目原先采用灌漿套筒法施工，灌漿所用套筒長度為81cm，外徑為9.6cm，內(nèi)徑為7.0cm，本節(jié)將介紹采用自適應(yīng)方法安裝立柱的過程：

圖8 預制立柱、蓋梁和箱梁現(xiàn)場Fig.8 Site view of prefabricated columns，cap beams and box beams

（1）在立柱安裝前，確定預制立柱的理論位置點位。由于本項目所設(shè)計的立柱頂部頂點鋼筋和承臺頂部頂點鋼筋的中軸線共線，故不需要利用程序計算立柱的理論位置，僅如圖9所示，將導向架固定在承臺頂部鋼筋上即可標定理論位置。導向架伸出長度為14cm。

圖9 預制立柱理論位置點位標定Fig.9 Point calibration of the theoretical position of prefabricated columns

（2）在立柱吊裝前，將導向架固定在立柱頂部鋼筋上，如圖10所示。對于高度較低的立柱可采用登高方式固定導向架，對于高度較高立柱需以側(cè)放方式固定。

圖10 導向架安裝固定Fig.10 Installation and fixing of the guide frame

（3）吊裝并安裝立柱，調(diào)整好立柱垂直度，導向架的激光照射儀的燈光將投射在承臺頂面上，形成立柱實際位置點位，如圖11所示。圖中黑色符號為標定的理論位置點位，紅色激光點為實際位置點位。

圖11 導向架實際位置點位Fig.11 Actual position of the guide frame

（4）測量立柱實際位置和理論位置的距離，將結(jié)果輸入輔助計算程序中判斷立柱安裝精度。以本項目為例，采用墊起邊的調(diào)整方式，墊起高度為4mm。立柱安裝調(diào)整后得到的四組實際位置和理論位置的距離分別為1mm、8mm、1.5mm、2mm。經(jīng)過程序計算，立柱的安裝精度滿足要求，同時立柱垂直度變化為0.13°。圖12為立柱調(diào)整過程，圖13為程序判斷結(jié)果頁面。

圖12 立柱調(diào)整Fig.12 Column adjustment

圖13 程序判斷結(jié)果頁面Fig.13 Program judgment result page

（5）立柱調(diào)整完畢后，抽離立柱，清理底座并坐漿。

5 結(jié)語

1.裝配式高架橋結(jié)構(gòu)預制立柱自適應(yīng)安裝測量技術(shù)將高空作業(yè)轉(zhuǎn)移到地面作業(yè)，將測量兩根立柱之間頂面鋼筋對角線距離轉(zhuǎn)換為單根立柱的自我調(diào)整，簡化了施工工序，提高了施工安全性，并提出了改進的預制立柱拼接安裝的施工工藝。

2.X型導向架主體能夠?qū)⒘⒅鶎嶋H位置在承臺頂面呈現(xiàn)出來，同時通過施工測量手段，可在承臺頂面獲取立柱理論位置。

3.自適應(yīng)安裝測量技術(shù)輔助施工程序考慮并減小了自適應(yīng)安裝測量技術(shù)的系統(tǒng)誤差，能夠判斷立柱安裝是否滿足施工精度要求，并能輸出立柱調(diào)整后的參數(shù)變化。

通過工程實例說明，本研究具有一定的工程適用性，且所開發(fā)的應(yīng)用程序可移植到手機端實現(xiàn)。在后續(xù)研究中將考慮更多的施工變量，以提高裝置和計算的精度。