混凝土自錨式懸索橋施工控制分析

邢　文　王繼成

摘要:近年來,混凝土自錨式懸索橋作為一種特殊的橋型,以其優(yōu)美的結(jié)構(gòu)造型、較強的地形地質(zhì)適應(yīng)性、良好的經(jīng)濟性等優(yōu)點,越來越受到工程界的青睞,成為城市市區(qū)中小跨徑橋梁極具競爭力的橋型。為了確保施工過程中內(nèi)力和變形始終處于結(jié)構(gòu)容許的安全范圍之內(nèi),確保成橋狀態(tài)的內(nèi)力與線形符合設(shè)計要求,施工控制尤為重要。以南京市寧杭高速公路跨線橋梁—學(xué)八路景觀橋為工程背景,對混凝土自錨式懸索橋施工控制過程進行分析。

關(guān)鍵詞:自錨式懸索橋;混凝土加勁梁;施工控制

1、概述

傳統(tǒng)的懸索橋一般跨度較大,但是當(dāng)跨度逐漸減小時,主纜錨固工程造價占全橋總造價的比例將不斷加大,造成經(jīng)濟上的不合理,而如果將主纜直接錨固在加勁梁兩端,這樣就取消了龐大而昂貴的主纜錨固工程。

混凝土自錨式懸索橋是指加勁梁由鋼筋混凝土材料制作的自錨式懸索橋[1]。由于主纜錨固在加勁梁兩端,由主纜產(chǎn)生的水平力相當(dāng)于給長期受壓的混凝土加勁梁施加了“免費”的縱向預(yù)應(yīng)力,使得加勁梁不需配置或配置少量預(yù)應(yīng)力筋便可達到全預(yù)應(yīng)力梁的效果,可以節(jié)省大量預(yù)應(yīng)力器材與機具,因而采用混凝土加勁梁制作的自錨式懸索橋不僅受力合理,同時由于其錯落有致的造型以及良好的適應(yīng)性和經(jīng)濟性而受到越來越廣泛的應(yīng)用[2]。

2、 施工控制概述

施工控制是一個“施工—量測—識別—預(yù)測—修正—預(yù)告—施工”循環(huán)遞進的過程(如圖1所示),即通過事先在主塔、加勁梁和吊索等主要部件埋設(shè)數(shù)種性能各異的傳感器,通過相關(guān)的測試儀器采集大量的數(shù)據(jù);利用計算機對數(shù)據(jù)進行分析處理,確定每一個施工階段的施工參數(shù)。通過二者的有機結(jié)合,調(diào)整控制橋梁的內(nèi)力和線形,實現(xiàn)橋跨結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和線形均達到設(shè)計預(yù)期值,確保橋梁施工安全和正常運營。簡言之,施工控制就是一個信息采集、分析與反饋的過程。

3、施工控制分析與實施

懸索橋在施工過程中一旦主纜安裝就位,主纜內(nèi)力、撓度完全取決于結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)自重、施工荷載和溫度變化,因此主纜無應(yīng)力下料長度、主纜在自重作用下的初始安裝位置(索鞍初始預(yù)偏量、主纜初始垂度和線形)成為懸索橋施工控制的關(guān)鍵。而混凝土自錨式懸索橋由于在主纜端部錨固力介入了梁體的受力和變形因而整個橋體結(jié)構(gòu)的靜力和動力特性較之一般常規(guī)懸索橋有所不同而且更為復(fù)雜[1]。在整個施工過程中,結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)、邊界條件、材料特性隨時間而變化,載荷作用的數(shù)值與位置也隨時間發(fā)生變化,使得結(jié)構(gòu)效應(yīng)(位移、內(nèi)力、應(yīng)力、反力等)在施工過程中具有時空演變特征。尤其值得注意的是,該種橋型在施工過程中結(jié)構(gòu)體系變化較多,加勁梁的內(nèi)力狀態(tài)要發(fā)生多次改變,與此同時,由于主纜的柔性大,其空纜線形與成橋線形存在較大差異,張拉吊索施工時結(jié)構(gòu)的變形較大,這些都需要通過嚴格準(zhǔn)確的施工控制,才能保證結(jié)構(gòu)施工過程的安全,才能保證建成后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與線形與設(shè)計狀態(tài)相符。因此,自錨式懸索橋的施工控制難度比一般常規(guī)懸索橋大,同時也比斜拉橋的施工控制復(fù)雜。

自錨式懸索橋施工控制的主要內(nèi)容包括主纜線形控制、主塔偏位控制、橋面線形控制、索力監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、溫度監(jiān)測等。

3.1主纜線形控制

主纜線形直接影響整個結(jié)構(gòu)的受力。主纜錨固在位于橋梁兩端的端橫梁上,主纜水平力與加勁梁水平力平衡,豎向力由端橫梁自重以及其下的拉壓支座平衡。如主纜張力過大則容易引起加勁梁內(nèi)力超限,造成加勁梁局部發(fā)生扭轉(zhuǎn)、畸變,甚至全橋垮塌;主纜鞍座偏心過大,塔頂產(chǎn)生很大的水平不平衡力,勢必造成主塔根部混凝土彎曲拉應(yīng)力超限,進而導(dǎo)致局部開裂,不僅給施工過程帶來很大的安全隱患,而且嚴重影響結(jié)構(gòu)的耐久性。因此,自錨式懸索橋主纜線形控制是施工控制過程中的關(guān)鍵一步。

根據(jù)懸索橋理論,自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)成橋時主纜線形應(yīng)為近似的拋物線。主纜是柔性結(jié)構(gòu),其幾何形狀隨著所受荷載的不同而變化,位移與外荷載的變化呈非線性,且變形較大。結(jié)構(gòu)成橋時主纜線形和設(shè)計線形越吻合,吊桿受力越均勻,加勁梁受力就越合理。施工控制過程中通過對每一階段計算線形與實測線形的比較,分析差異,尋找原因,及時調(diào)整相關(guān)方案,確保成橋時主纜線形符合設(shè)計狀態(tài)。

具體監(jiān)測利用橋址附近的施工平面和高程控制網(wǎng),采用全站儀和安裝在各控制點的照準(zhǔn)目標(biāo)進行多測回觀測,以極坐標(biāo)和三角高程測量獲取控制測點的三維大地坐標(biāo),并通過坐標(biāo)變換求出控制點的施工設(shè)計位置坐標(biāo)。

3.2主塔偏位控制

主塔偏位控制主要指主塔垂直度控制。由于主塔在施工過程和成橋后均承受經(jīng)由吊桿和主纜傳來的荷載,在不平衡荷載和大氣溫差作用下均會使主塔產(chǎn)生不同程度的變形,為了不影響索力調(diào)整,須掌握主塔在自然條件下的變形規(guī)律以及在索力影響下偏離位置的程度。

具體監(jiān)測主要采用測距法,使用水準(zhǔn)儀和全站儀等儀器設(shè)備,對順橋向和橫橋向兩個方向變位值進行測量。測站點一般布置在橋梁軸線上適當(dāng)位置,觀測點的布置可隨測試階段作相應(yīng)的適時調(diào)整,一般設(shè)置在主塔側(cè)壁或頂端部位。主塔塔偏測量可以提供其在索力調(diào)整過程中的變位以及在日照下隨溫度變化發(fā)生縱橫橋向偏移的曲線。

3.3橋面線形控制

作為柔性結(jié)構(gòu),自錨式懸索橋由于幾何非線性、材料非線性和施工過程中調(diào)整索力所引起的誤差等原因,橋面線性的變化變得尤為突出,故要盡量減少實際結(jié)構(gòu)橋面線性與設(shè)計結(jié)構(gòu)橋面線性的偏差,并將其降低到容許的范圍內(nèi)。

橋面線形控制包括高程控制、位置控制和中線控制。高程控制采用水準(zhǔn)測量法,測出加勁梁的實際標(biāo)高,與設(shè)計值比較并調(diào)整至誤差范圍內(nèi)為止。位置控制和中線控制是將全站儀安置在橋梁軸線和主縱梁軸線上,以橋軸線上某一點為后視點,采用視準(zhǔn)線法直接利用小鋼尺測量每一片橫梁的偏離值以及用小垂球測量加勁梁的垂直度。

3.4吊索索力監(jiān)測

在吊索安裝與張拉施工過程中,索夾安裝位置的準(zhǔn)確與否、吊索的張拉順序與張拉力大小控制直接關(guān)系到加勁梁線形、主纜線形、吊索的使用壽命乃至施工安全。吊索張拉施工是一個復(fù)雜的非線性過程,同時存在主纜大位移、主纜與鞍座的切點變化、吊索力的強相干性、吊索的退出與參與工作、加勁梁和索塔的梁柱效應(yīng)、混凝土收縮徐變、加勁梁與支架接觸非線性等。因此,在施工中必須確保索力測試結(jié)果正確可靠,可見吊索安裝與張拉也就成為自錨式懸索橋施工控制的重點與難點。索力測量主要是提供各測試階段的索力值以及關(guān)鍵索力隨溫度變化的曲線。然后根據(jù)上部結(jié)構(gòu)施工工況對吊索在不同工況下的索力進行調(diào)整。

索力監(jiān)測一般采用附著在拉索下的高靈敏度傳感器拾取拉索在環(huán)境振動激勵下的振動信號,經(jīng)過濾波、放大和頻譜分析,根據(jù)頻譜圖來確定拉索的自振頻率,然后根據(jù)自振頻率與索力的關(guān)系確定索力?？紤]到拉索彎曲剛度的影響,應(yīng)進行測量前的標(biāo)定工作,并在測量中加以修正。

3.5應(yīng)力監(jiān)測

對主纜線性、加勁梁線形的控制實際上歸根結(jié)底就是為了保證結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力的合理。應(yīng)力控制主要是監(jiān)測各個施工階段尤其是吊索張拉過程中對加勁梁上下緣、主塔根部的控制截面應(yīng)力值以及成橋狀態(tài)下各監(jiān)測截面的恒載應(yīng)力值,能夠更準(zhǔn)確地了解各個控制截面的應(yīng)力狀況,并對施工過程中各階段的施工荷載變化情況進行判斷,確保結(jié)構(gòu)施工安全。目前應(yīng)力監(jiān)測主要采用電阻應(yīng)變儀法、鋼弦式傳感器法等。

3.6溫度監(jiān)測

溫度的影響總體上可分為兩種,一是晝夜溫差,二是季節(jié)溫差。溫度變化,特別是日照溫差的變化,對于混凝土自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形影響是復(fù)雜的。在施工階段,日照溫差對加勁梁撓度和塔柱水平位移的影響尤為顯著。溫度測量可以提供索、塔、梁各測度斷面溫度短期變化曲線和季節(jié)性溫差曲線。溫度測量一般選用性能優(yōu)良的熱敏電阻。將熱敏電阻埋入索塔,用數(shù)字式萬用表進行測量,根據(jù)電阻與溫度的標(biāo)定曲線,由測定的電阻值推算溫度值。

4、結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,交通建設(shè)方興未艾,混凝土自錨式懸索橋必將在城市和旅游區(qū)的橋梁建設(shè)中大放異彩。由于混凝土自錨式懸索橋在橋梁施工中在近幾年才得以采用,無成熟經(jīng)驗可循,本文針對其施工控制的分析為今后此類橋梁的建造提供借鑒。

參考文獻:

[1]張哲.混凝土自錨式懸索橋[M].北京:人民交通出版社,2005

[2]張元凱,肖汝誠,金成棣.自錨式懸索橋的設(shè)計[J].橋梁建設(shè),2002(5)

[3]徐岳,張勁泉,鮮正洪.懸索橋施工控制方法研究.西安公路交通大學(xué)學(xué)報,1997