[0001] 本发明涉及拱桥合龙技术领域，特别涉及一种拱肋合龙定位装置及使用方法。

[0002] 随着施工技术的不断创新、环保要求的不断提高，跨越大型水库、通航河流、陡峭峡谷等大跨径桥梁不断被采用，钢管混凝土拱桥就是其中适选桥型之一；在无支架扣挂悬臂拼装、结构复杂、施工节段重量超大的钢管拱桥的安装过程中，特别在拱顶合龙段结构、合龙线形及应力控制必定是钢管拱桥成桥的关键。

[0003] 现有技术中，钢管混凝土拱桥常见的合龙装置首先在拼接板上预留螺栓孔，在主拱肋合龙段吊装完成后对两岸拼接板进行定位拼接并打入冲钉与采用定位钢板进行定位焊接等方法；但由于传统合龙装置存在的焊接量大、合龙消耗时间长，而拱肋在施工过程中受温度影响大，焊接时间过长会因线形变化从而导致合龙失败，且拱肋合龙通常在夜间进行，长时间夜间施工危险系数高，施工质量难以保证，以及螺栓精度较低容易卡死等问题。

[0004] 因此，急需开发一种拱肋合龙定位装置及使用方法，能够提前进行组装，避免了高空焊接，缩短施工周期，节约成本，同时避免拱肋在合龙时整体发生屈曲变形，合龙定位准确，有效提高施工效率，还能在夜间施工时减少施工时间，提升施工的安全性。

[0038] 图1为本发明的截面结构示意图，图2为本发明的立面结构示意图，图3为本发明的定位件示意图，图4为本发明的加劲板Ⅰ示意图；图5为本发明的加劲板Ⅱ示意图，图6为本发明的棱镜安装示意图，图7为本发明的定位板连接示意图，图8为本发明的坐标点示意图，图9为本发明的使用流程示意图，如图所示：本实施例的拱肋合龙定位装置,包括设置在拱肋四角附近的定位件4，所述定位件4上开有用于合龙定位的定位孔5，所述拱肋与定位件4之间设有在拱肋合龙时防止定位件4发生屈曲变形的加强件；拱肋合龙是拱桥施工中的一个重要阶段，它指的是将拱桥的拱肋两端精确对接并固定，以形成完整的拱形结构，这个过程通常涉及高精度的测量和调整，以确保拱肋的精确对接和结构的稳定性；屈曲变形是指在特定载荷作用下，结构或材料发生的一种突然的、急剧的变形，导致其失去原有的稳定性和承载能力。

[0039] 本实施例中，所述定位孔5上设置有定位棱镜8，所述定位棱镜8用于测量定位孔5的局部坐标与其设计坐标的偏差值；定位棱镜8在测量时通常与全站仪配合使用，全站仪是一种集测角和测距于一体的测量设备，能够直接测定目标点的三维坐标。在测量过程中，定位棱镜8作为反射目标，放置在待测点上，全站仪通过发射和接收信号来确定定位棱镜8的位置，从而得到待测点的坐标，定位棱镜8的测量过程见下文中使用方法的具体描述。

[0040] 本实施例中，所述拱肋包括弦管1、腹管2和横联管3，所述定位件4与弦管1管口的端面共面且与所述弦管1连接；拱肋是拱桥的主要承重结构，其设计需要满足在吊装阶段的强度和稳定性要求，同时也要满足在组合过程中各阶段荷载作用下的强度要求，拱肋通常包括弦管1、腹管2和横联管3，弦管1是拱肋中的纵向主要受力构件，通常采用钢管混凝土结构，具有很高的强度和刚度。钢管混凝土弦管1在薄壁圆形钢管内填充混凝土，借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性，同时利用钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而具有更高的抗压强度和抗变形能力；腹管2是拱肋中的横向连接构件，它连接弦管1，增强拱肋的整体稳定性和横向刚度，腹管2通常也是由钢管制成，与弦管1一起构成拱肋的空间桁架结构；横联管3是连接拱肋两侧弦管1的横向构件，它们通常垂直于弦管1布置，以增强拱肋的横向刚度和面外稳定性。横联管3通过焊接或螺栓连接的方式与弦管1相连，形成坚固的横向连接；如图7所示，定位件4与弦管1管口的端面共面，能够保证拱肋在合龙时，定位件4之间能够正对。

[0041] 本实施例中，所述定位件4呈等腰梯形，定位件4的短底边一侧开有弧形槽401，所述定位件4通过弧形槽401连接在弦管1上且定位件4两侧的斜边向最近的两个弦管1延伸；所述弧形槽401的弧度与弦管1的外表面弧度相适形，弧形槽401与弦管1之间可采用焊接的方式进行连接，也可也采用其他的连接方式，在此不再赘述。

[0042] 本实施例中，所述加强件包括多个加劲板Ⅰ6和加劲板Ⅱ7，所述加劲板Ⅰ6垂直于定位件4并设置在腹管2和横联管3上，加劲板Ⅱ7垂直于定位件4设置在弦管1上；如图1所示，加劲板Ⅰ6和加劲板Ⅱ7的个数根据定位板和拱肋整体的尺寸确定。

[0043] 本实施例中，所述等腰梯形呈等腰梯形且在长底边一侧开有与横联管3或/和腹管2相配合的半圆形槽601，加劲板Ⅰ6的短底边一侧垂直连接在所述定位件4上；加劲板Ⅰ6呈等腰梯形，由于其截面特性，能有效提高结构的抗扭刚度，增强了截面惯性矩，从而在整体上增强了稳定性，提高了结构的整体平均破坏应力。等腰梯形的加劲板Ⅰ6还可以改善整体结构的应力分布，增加了整体结构的抗弯刚度，还可以在不增加太多重量的情况下，提供足够的强度和刚度，从而减少材料的使用，实现经济性。

[0044] 本实施例中，所述加劲板Ⅱ7呈直角梯形，加劲板Ⅱ7的长底边一侧垂直连接在定位件4上且在直角处开有四分之一圆槽701；所述加劲板Ⅱ7上的四分之一圆槽701与弦管1和定位件4之间形成防止积水的排水孔；加劲板Ⅱ7呈直角梯形的有益效果如上文中等腰梯形的加劲板Ⅰ6相同，在此不再赘述；排水孔的主要功能是排除积水，防止水在结构表面或内部积聚，从而避免因水的积聚造成的结构损坏，减少腐蚀性液体对材料的侵蚀，延长结构的使用寿命。

[0045] 本实施例中，还包括定位杆9，所述定位件4在拱肋定位对准后，向定位件4上的定位孔5穿设定位杆9并对拱肋完成合龙；如图7所示，定位杆9穿设进定位孔5后，可通过螺栓502进行固定，也可采用其他的机械固定方式，在此不再赘述。

[0046] 本实施例中，所述拱肋内在腹管2间设置至少一根水平撑管10,所述水平撑管10与横联管3之间形成矩形格，所述矩形格内设置有用于形成三角形横隔的斜撑管11；水平撑管10和横联管3形成的矩形格结构，增加了拱肋的横向刚度和稳定性，这对于承受横向荷载和风荷载尤为重要，斜撑管11形成的三角形横隔增加了结构的整体刚度，使得拱肋在承受荷载时更加稳定，减少了变形，三角形横隔可以更有效地将荷载分散到整个拱肋结构中，减少局部应力集中，提高结构的均匀受力性能，通过增加斜撑管11，可以在不增加太多重量的情况下，提高结构的安全储备，增强结构在极端荷载下的表现，斜撑管11和横联管3形成的稳定结构有助于减少因风振或交通荷载引起的振动，提高行车舒适性和结构的耐久性，矩形格和三角形横隔的设计，使得施工过程中的装配和焊接更加方便，有助于提高施工效率和质量。

[0047] 本发明还公开了一种拱肋合龙定位装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

[0048] S1、在工厂内拱肋的合龙段进行预拼接，保证加工后的拱肋合龙装置能精准对齐，在每个定位孔5上设置一个定位棱镜8，通过全站仪测量出每个定位孔5对应的定位棱镜8的全局坐标，

[0049] S2、拱肋合龙段的同一端面有多个弦管1管口，利用全站仪通过每个定位孔5对应的定位棱镜8分多次测量出每个弦管1管口对应的三个棱镜坐标Poi,j(xij，yij，zij)并采用空间圆心拟合算法计算出多个弦管1管口圆心坐标Oi(xoi，yoi，zoi)，其中符号i为弦管1管口号，j为弦管1管口棱镜号；

[0050] S3、在同一端面利用多个弦管1管口圆心坐标Oi(xoi，yoi，zoi)求出多个弦管1管口的共同形心坐标O0(xo，yo，zo)；

[0051] S4、以O0(xo，yo，zo)为坐标原点，建立以弦管1管口平面为基准面的局部坐标系，多个弦管1管口的圆心坐标Oi(xoi，yoi，zoi)构成的多边形中，任意相邻的两条边可得到一个平面法向量，以共同形心坐标O0(xo，yo，zo)为原点，利用求得的平面法向量为定位孔5的校准转换提供参考系。

[0052] S5、将每个定位孔5按设计位置精准放线并调整固定，随后验算定位孔5校准转换后的轴向距离偏差，若轴向距离偏差在误差范围内，则进行下一步的吊装合龙，反之则调整合龙装置定位孔5的空间位置；

[0053] S6、定位孔5的轴向距离偏差在误差范围内后，在进行吊装合龙前对两岸的拱肋线形进行调控，并用全站仪持续观察温度对线形的影响，找到最佳合龙温度；

[0054] S7、在最佳合龙温度时，将合龙段起吊到指定位置，并再次测量两岸拱肋线形并进行调控，调控完毕后准备合龙；

[0055] S8、将每个拱肋上拱肋合龙定位装置中的定位件4互相定位，直至两岸多个弦管1上的定位件4同时配准后定位完成；

[0056] S9、定位完成后立即用可旋转瞬时定位杆9进行连接，完成合龙并利用全站仪再次复测拱肋线形，保证施工精度。

[0057] 本实施例中，详细的定位孔5局部坐标测量过程如下：

[0058] S1、在工厂内对拱肋的合龙段进行预拼接，保证加工后的拱肋合龙装置能精准对齐；

[0059] S2、测量合龙段每个弦管1管口对应的三个棱镜坐标Poi,j(xij，yij，zij)，以获取管口圆心坐标Oi(xoi，yoi，zoi)，其中符号i为弦管1管口号，j为弦管1管口棱镜号。

[0060] S3、将弦管1管口对应的三个棱镜坐标Poi,1、Poi,2、Poi,3代入公式Ⅰ并采用空间圆心拟合算法计算出管口圆心Oi坐标(xoi，yoi，zoi)，公式Ⅰ如下：

[0061]

[0062] 其中，xij、yij、zij表示第i个弦管1管口上第j个棱镜中心的x、y、z坐标，Ri表示第i个弦管1管口的半径与棱镜中心高度的和，对每个弦管1管口通过最小二乘法求解公式Ⅰ，计算出管口圆心的坐标(xoi，yoi，zoi)。

[0063] S4、在每个所述定位孔上设置一个定位棱镜8，每一端有4个，分别记作P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)、P3(x3，y3，z3)、P4(x4，y4，z4)。

[0064] S5、同一端四个弦管1管口圆心坐标中的任意三个可确定一个平面

[0065] 选取同一端的任意三个管口圆心坐标Oi确定棱镜平面，将所选取的任意三个圆心坐标Oi带入公式Ⅱ中计算出棱镜平面，公式Ⅱ如下：

[0066] a1x+b1y+c1z+d1＝0

[0067] 其中：

[0068] a1＝(yo2‑yo1)(zo3‑zo1)‑(yo3‑yo1)(zo2‑zo1)

[0069] b1＝(zo2‑zo1)(xo3‑xo1)‑(zo3‑zo1)(xo2‑xo1)

[0070] c1＝(x02‑x01)(y03‑y01)‑(x03‑x01)(y02‑y01)

[0071] d1＝‑(axo1+byo1+czo1)

[0072] 同理，利用其余任意三个圆心点可得到各自对应的平面方程系数，如(xO1,yO1,zO1)、(xO2,yO2,zO2)、(xO4,yO4,zO4)得到a2、b2、c2、d2；代入(xO2,yO2,zO2)、(xO3,yO3,zO3)、(xO4,yO4,zO4)得到a3、b3、c3、d3；代入(xO1,yO1,zO1)、(xO3,yO3,zO3)、(xO4,yO4,zO4)得到a4、b4、c4、d4[0073] 为了消除误差，取上述系数的平均值作为系数的最终代表值：

[0074]

[0075]

[0076]

[0077]

[0078] 最终计算得合龙装置棱镜平面:

[0079] ax+by+cz+d＝0

[0080] 求出四个管口圆的共同形心O0坐标(xo，yo，zo)

[0081]

[0082] 接着，以O0(xo，yo，zo)为坐标原点，建立以端口平面为基准面的局部坐标系。根据四边形O1O2O3O4的任意两条相邻边，可得到1个端面法向量，为了消除制造误差，采用公式Ⅲ求取4个法向量的平均向量 作为端面名义法向量，即局部坐标系的X轴方向向量，公式Ⅲ如下：

[0083]

[0084] 局部坐标系的Y轴方向向量 通过 和 的平均向量得到，并通过 和叉乘得到 即：

[0085]

[0086] 由此，以4个管口圆的共同形心O0为原点，向量 为X轴，向量 为Y轴，向量 为Z轴建立端口平面的局部坐标系，为定位孔的校准转换提供参考系

[0087] 进一步地，为了节段之间定位件上的定位孔一一对齐，须将每个定位孔按设计位置精准放线并调整固定。随后验算轴向距离偏差ΔLk，若在误差范围内，则进行下一步的吊装合龙；反之，则按下述步骤调整合龙装置定位孔的空间位置：

[0088] 调整合龙装置位置前，根据测量的定位孔定位棱镜8的全局坐标，采用公式Ⅳ，获取其局部坐标，并计算第k个定位孔的空间位置偏差ΔXk、ΔYk、ΔZk，公式Ⅳ如下：

[0089]

[0090] 其中，k为L棱镜编号，X、Y、Z为局部坐标，x、y、z为测量到的全局坐标。坐标转换矩阵T采用公式Ⅴ计算，公式Ⅴ如下：

[0091]

[0092] 其中，k为L棱镜编号， 为局部坐标系坐标轴的方向向量，(XO1,YO1,ZO1)为圆心O1的全局坐标。

[0093]

[0094] Xk、Yk、Zk分别为第k个定位孔离节段端面的局部坐标的实测值；X0k、Y0k、Z0k分别为第k个定位孔离节段端面的局部坐标的设计值，随后验算空间位置偏差量ΔXk、ΔYk、ΔZk，若均在容许范围内，则完成安装；反之，则重新调整对应合龙装置。

[0095] 本发明的拱肋合龙定位装置及使用方法，采用外置式的拱肋合龙定位装置在加工厂进行组装并利用棱镜对定位孔5进行校准，避免了高空焊接带来的危险性，缩短施工周期，通过定位件4和定位件4上的定位孔5能够能快速的进行定位对准，有效提升施工效率，避免长时间夜间施工，且本装置所需的材料较少，能够节约钢材的用量，减少成本。

[0096] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。