南京小龍灣自錨式懸索橋主纜施工關(guān)鍵技術(shù)

卓為頂 劉 釗

（1.南京潤華市政建設(shè)有限公司，南京211100；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210096）

南京小龍灣自錨式懸索橋主纜施工關(guān)鍵技術(shù)

卓為頂1，*劉 釗2

（1.南京潤華市政建設(shè)有限公司，南京211100；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210096）

主纜索股安裝及線形控制是自錨式懸索橋施工中的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合南京小龍灣自錨式懸索橋展開研究。提出以“梁平塔直”為自錨式懸索橋的控制目標(biāo)，采用倒拆與正裝迭代兩種算法，得到主纜的成橋線形、空纜線形、無應(yīng)力長度和索鞍預(yù)偏量等；分析了主纜鼓絲的根源；通過對空纜安裝線形進(jìn)行精確控制，經(jīng)過吊桿分輪張拉和索鞍頂推，使主纜成橋線形滿足設(shè)計(jì)要求，并使主塔和主梁的受力合理，可為同類自錨式懸索橋施工提供參考。

自錨式，懸索橋，主纜架設(shè)，主纜線形，施工控制

1 概 述

自錨式懸索橋是將主纜錨固在主梁兩端，并依靠主梁承擔(dān)主纜水平分力的一種自平衡懸索橋［1］。南京小龍灣懸索橋位于江寧區(qū)跨越秦淮河，主橋?yàn)殡p塔雙索面自錨式懸索橋，設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路I級。主梁采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑組合為44＋96＋44＝184 m，橋面寬34.5 m，橋塔總高為35.4 m，橋面以上塔高22.6 m。

主纜成橋線形為懸鏈線，中跨垂跨比為1／5.5，邊跨垂跨比為1／14.8，兩主纜纜心橫向間距為18 m，每根主纜由37股預(yù)制平行（PPWS）鋼絲成品索組成，如圖2所示。每股成品索由91絲φ5.1 mm的鋼絲組成，主纜外徑330 mm，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk＝1670 MPa。主纜在架設(shè)時(shí)豎向排列成尖頂?shù)慕普呅?，緊纜后主纜為圓形，索股錨頭采用熱鑄錨，吊桿間距5 m。

圖1 小龍灣自錨式懸索橋布置 （單位：cm）Fig.1 Layout of Xiaolongwan self-anchored suspension bridge（Unit：cm）

圖2 主纜索股的排列及編號Fig.2 Layout and number ofmain cable strands

2 成橋及空纜階段主纜線形分析

2.1 全橋模型的建立

采用Midas／Civil有限元分析軟件建立三維空間模型，考慮了主纜和吊索初應(yīng)力剛度的影響，建立自錨式懸索橋的成橋模型。結(jié)構(gòu)劃分為367個(gè)空間單元，由于箱梁的自由扭轉(zhuǎn)剛度與豎向、橫向彎曲剛度相比相差不大，建模時(shí)采用接近結(jié)構(gòu)特征的“雙梁式”模型，兩個(gè)單箱三室箱梁簡化為穿過截面形心的單梁，雙梁之間由等效橫梁聯(lián)系；主塔以底端固結(jié)于基底的三維門式框架模擬。模型中塔、主梁和橫梁采用梁單元，主纜、吊桿采用索單元。主塔和主梁由支座連接。

圖3 全橋空間有限元模型Fig.3 Spatial finite elementmodel for whole bridge

2.2 成橋狀態(tài)主纜線形

自錨式懸索橋的成橋線形對應(yīng)一種空纜線形，而空纜線形是推算各施工階段纜索線形的基礎(chǔ)［2-4］。在確定主纜成橋線形時(shí)，本文以“梁平塔直”為目標(biāo)，確定了合理的成橋狀態(tài)。所謂“塔直”，就是要使主纜在塔頂?shù)乃椒至χ挖呌诹?；所謂“梁平”，就是要求主梁在吊桿力和梁體縱向預(yù)應(yīng)力共同作用下梁的豎向位移與設(shè)計(jì)值相差最小，并且同側(cè)相鄰吊桿內(nèi)力相差較小，保證橋面縱向線形平順。

具體過程為：

（1）建立全橋幾何模型，以主纜成橋線形為目標(biāo)狀態(tài)，并使主纜在塔頂無水平約束，即可保證“塔直”；

（2）賦予結(jié)構(gòu)自重，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得到主纜和吊桿受力后的長度；

（3）通過迭代確定吊桿和主纜的無應(yīng)力長度，使得結(jié)構(gòu)自重下的主纜線形與原線形不發(fā)生改變；

（4）用吊桿和主纜的無應(yīng)力長度（初始內(nèi)力）建模，檢驗(yàn)成橋狀態(tài)的初始幾何模型，若同側(cè)相鄰吊桿張力差小于5%設(shè)計(jì)值，同時(shí)左右吊桿張力差小于3%設(shè)計(jì)值，且與設(shè)計(jì)張力誤差小于10%［5］，則認(rèn)為達(dá)到“梁平”的要求。

根據(jù)上述原理，通過有限元分析實(shí)現(xiàn)施工過程的模擬仿真，表1給出了成橋狀態(tài)主纜纜心標(biāo)高設(shè)計(jì)值，及完工后的主纜實(shí)測成橋線形控制點(diǎn)高程，表中吊桿編號見圖1（a）。

由表1可知，在成橋狀態(tài)下，中跨主纜跨中（17號吊桿處）實(shí)測高程與設(shè)計(jì)值最大相差4 mm，滿足索股跨中為±L／200 00（L為跨徑）的精度要求。

2.3 空纜狀態(tài)主纜線形

2.3.1空纜線形的確定

在已知成橋目標(biāo)狀態(tài)后，按照實(shí)際施工步驟進(jìn)行逆向倒拆，分析得到空纜狀態(tài)［3］。對空纜各吊點(diǎn)施加成橋吊索力，正裝計(jì)算得到主纜各吊點(diǎn)的成橋坐標(biāo)。

為驗(yàn)算空纜線形的準(zhǔn)確性，在Midas／Civil模型中輸入由解析公式計(jì)算得出的主纜索力值及吊點(diǎn)坐標(biāo)，再對修正模型進(jìn)行正裝分析，計(jì)算結(jié)果與目標(biāo)成橋線形吻合。

根據(jù)目標(biāo)成橋狀態(tài)以及現(xiàn)場實(shí)測的后錨點(diǎn)、散索點(diǎn)、主索鞍底座中心等信息，計(jì)算出主纜索股在標(biāo)準(zhǔn)溫度（20℃）下空纜架設(shè)線形，如表2所示。

表1 成橋狀態(tài)下的中心索股（19號）纜心標(biāo)高Table 1 Elevation of central strand（No.19）when bridge com pleted

表2 空纜狀態(tài)下北側(cè)基準(zhǔn)索股（1號）底面高程Table 2Bottom elevation of north-side base strand（No.1）under free-hanging status

2.3.2溫度對主纜索股高程的敏感性分析

在本橋空纜架設(shè)施工中，考慮到環(huán)境溫度會改變主纜索股的長度，由此引起各跨垂度的變化，進(jìn)而會影響到主纜索股的架設(shè)線形?，F(xiàn)選取邊跨4＃吊桿處節(jié)點(diǎn)，中跨跨中17號吊桿處節(jié)點(diǎn)，考察溫度變化對這些點(diǎn)的豎向位移影響。從圖4可以看出，當(dāng)溫度升高時(shí)，主纜中跨跨中下垂，邊跨跨中抬高，變化值與溫度基本呈線性關(guān)系。在20℃±10℃時(shí)，主纜垂度變化在2 mm范圍內(nèi)。

圖4 溫度變化對主纜垂度的影響Fig.4 Variation ofmain cable sag due to temperature

2.4 主纜無應(yīng)力長度的確定

主纜無應(yīng)力索長為成橋狀態(tài)有應(yīng)力索長扣除各項(xiàng)變形后的長度。對于有應(yīng)力索長，基于成橋狀態(tài)主纜線形和主纜內(nèi)力，采用先分段再求和的過程進(jìn)行計(jì)算［6］（圖5）。

考慮錨點(diǎn)、鞍點(diǎn)及吊點(diǎn)等特征位置，索股總無應(yīng)力長度（含錨杯）：

式中，Lx為后錨面至索股錨杯末長度（本橋取46 cm）；L0為索股兩端后錨面之間的無應(yīng)力長度；L1為后錨面至散索點(diǎn)的無應(yīng)力長度（散索點(diǎn)標(biāo)記點(diǎn)）；L2為散索點(diǎn)至邊跨跨中點(diǎn)的無應(yīng)力長度（邊跨跨中點(diǎn)標(biāo)記點(diǎn)）；L3為邊跨跨中點(diǎn)至主塔鞍座頂點(diǎn)的無應(yīng)力長度（主鞍座頂點(diǎn)標(biāo)記點(diǎn)）；L4為主塔鞍座頂點(diǎn)至主跨跨中點(diǎn)的無應(yīng)力長度（主跨跨中點(diǎn)標(biāo)記點(diǎn)）。

圖5 主纜索股無應(yīng)力長度計(jì)算圖（單位：mm）Fig.5 Measurement of unstressed length ofmain cable（Unit：mm）

在主纜經(jīng)過鞍座時(shí)，此段主纜下層索股與主鞍座弧形面貼合，故需對各索股長度進(jìn)行修正。一般以主纜的中心索股（即19號索股）為長度基準(zhǔn)，通過對其他索股的相對位置偏移，得到各索股的有應(yīng)力長度，經(jīng)換算得出各索股的無應(yīng)力下料長度，見表3。對主鞍進(jìn)行預(yù)偏。在計(jì)算預(yù)偏量時(shí)，通過對成橋模型倒拆分析，得到空纜理論交點(diǎn)（IP點(diǎn)）對應(yīng)的里程，由于空纜理論交點(diǎn)不一定位于主索鞍的正上方，成橋狀態(tài)與空纜狀態(tài)的鞍點(diǎn)位置里程差，即為主鞍座的預(yù)偏量［3，6，7］。經(jīng)計(jì)算，本橋主鞍座需向邊跨方向預(yù)偏15 cm。

3 主纜架設(shè)控制技術(shù)

表3 主纜索股無應(yīng)力長度Table 3 Unstressed length of each cable strand

由表3可知，底端1號索股與芯股相差－0.396 m，頂端37號索股與芯股相差0.568 m，1號與37號索股長度相差近1 m，說明主纜中各索股的無應(yīng)力長度是不相等的，這主要是索鞍處的彎折造成的。

同理，索股中每根鋼絲的無應(yīng)力長度也不相等，而實(shí)際索股加工時(shí)，各絲長度是相等的。從理論上講，主纜在安裝及緊纜時(shí)，均會不可避免地產(chǎn)生鼓絲現(xiàn)象。對于大跨度懸索橋，索鞍處彎折造成的鋼絲長度差異，可沿較長主纜分?jǐn)?，鼓絲現(xiàn)象不明顯；而對于跨度較小的懸索橋，因主纜長度較小，鼓絲現(xiàn)象往往比較明顯。

2.5 鞍座預(yù)偏量計(jì)算

為消除主纜在塔頂兩側(cè)的不平衡水平力，需

3.1 貓道設(shè)計(jì)

貓道是主纜架設(shè)的重要作業(yè)平臺，主要由承重索、貓道面層、欄桿、扶手、滾輪等組成。貓道施工主要包括：貓道面網(wǎng)鋪設(shè)、貓道掛設(shè)、貓道垂度調(diào)整等步驟。貓道面在中跨處低于主纜中心1.2 m，邊跨處低于主纜中心線1.4 m。在綜合考慮主纜直徑、邊跨主纜間距、緊纜機(jī)和纏絲機(jī)最小工作空間的基礎(chǔ)上，貓道面層的寬度設(shè)計(jì)為2.8 m。

3.2 主纜架設(shè)步驟

主纜安裝施工主要包括塔頂門架搭設(shè)、安裝索鞍及散索鞍、索鞍預(yù)設(shè)預(yù)偏量及臨時(shí)固定、貓道安裝、鋪設(shè)滾輪、放索架就位、布置索股牽引系統(tǒng)、索股牽引、兩端錨固、整形入鞍、調(diào)整索股線形、預(yù)緊纜、安裝索夾、吊索安裝及張拉、正式緊纜等。

3.3 調(diào)整索股線形

1）索股線形調(diào)整的標(biāo)準(zhǔn)

白天架設(shè)的索股，用溫度計(jì)進(jìn)行索股外界氣溫和索溫度的測量，一般在溫度穩(wěn)定的夜間進(jìn)行垂度調(diào)整。調(diào)整索股垂度時(shí)的溫度穩(wěn)定條件為：長度方向索股的溫差△t1≤2°C；橫截面索股的溫差為△t2≤1℃，不具備以上條件時(shí)，等待條件成熟時(shí)再進(jìn)行。

2）基準(zhǔn)索股的絕對垂度調(diào)整

以首根索股（1號）為基準(zhǔn)索股，其他索股施工的線形控制均參照基準(zhǔn)索股。采用三角高程測量法控制基準(zhǔn)索股的絕對標(biāo)高，基準(zhǔn)索股的絕對垂度調(diào)整，在對跨長、外界氣溫、索股溫度測定后進(jìn)行。根據(jù)測量結(jié)果，計(jì)算出索股絕對垂度調(diào)整值。垂度調(diào)整的順序是先中跨、再邊跨。

3）一般索股的相對垂度調(diào)整

一般索股是指非基準(zhǔn)索股（本橋?yàn)?號至37號），其垂度調(diào)整以基準(zhǔn)索股為參照。索股的單次調(diào)整量不宜過大，以防被調(diào)整索股壓在下面的索股上，如果壓在基準(zhǔn)索股上，基準(zhǔn)索股的垂度就失常，因此，相對垂度的調(diào)整，要使各索股之間在若即若離的狀態(tài)下進(jìn)行。相對垂度調(diào)整可用手拉葫蘆或者小型張拉機(jī)具進(jìn)行。

4）垂度調(diào)整量的控制

索股垂度調(diào)整時(shí)，都是采用預(yù)拉高一定距離，緩緩下放到設(shè)計(jì)位置的方法進(jìn)行，根據(jù)主纜索股在設(shè)計(jì)理論線形下索股跨中標(biāo)高變化與下放索股長度對應(yīng)值的關(guān)系，再以溫度影響進(jìn)行修正計(jì)算，使調(diào)整索股由高到低步步逼近設(shè)計(jì)位置。

5）垂度調(diào)整精度

基準(zhǔn)索股的精度要求，中跨跨中為±5 mm，邊跨跨中±10 mm；上下游基準(zhǔn)索股高差±10 mm；一般索股相對于基準(zhǔn)索股偏差為－5 mm，＋10 mm。

3.4 吊桿分輪張拉和索鞍頂推

為兼顧施工過程結(jié)構(gòu)受力的合理性，以及成橋狀態(tài)的“梁平塔直”控制目標(biāo)，對吊桿分4次進(jìn)行張拉，對索鞍分3次頂推復(fù)位。

3.5 施工階段主纜索股內(nèi)力變化

為保證成橋狀態(tài)主纜內(nèi)力達(dá)到設(shè)計(jì)值，監(jiān)測施工過程主纜內(nèi)力變化十分重要［8］。本橋在中心索股安裝時(shí)，在其錨固端安裝了壓力環(huán)，各關(guān)鍵施工階段的主纜內(nèi)力變化情況，見圖6。

圖6 各施工階段主纜內(nèi)力變化情況Fig.6 Variation ofmain cable force for each erection procedure

3.6 施工階段主塔和主梁的應(yīng)力變化

在纜索安裝施工過程中，對主塔和主梁的應(yīng)力、應(yīng)變，進(jìn)行了全程監(jiān)測，主塔根部的壓應(yīng)力在1.6～4.4 MPa之間，主梁最大的壓應(yīng)力為10.3 MPa，最大的拉應(yīng)力為0.3 MPa，與有限元模擬的各階段應(yīng)力吻合較好，且保證了主塔和主梁在施工過程中混凝土不受拉開裂。

通過對主塔的模擬分析，若主塔縱橋向位移達(dá)到9 cm時(shí)，主塔變截面處混凝土將會開裂。考慮施工過程中的各種不利因素，為保證主塔受力合理，故將塔頂中心偏位控制值確定為3 cm。

4 結(jié) 論

（1）在確定成橋及空纜狀態(tài)下的主纜線形時(shí)，以“梁平塔直”為控制目標(biāo)。采用倒拆與正裝迭代兩種分析方法，研究了主纜的成橋線形、空纜線形、主纜無應(yīng)力長度和索鞍預(yù)偏量等，為主纜安裝施工提供依據(jù)。

（2）通過主纜無應(yīng)力長度分析表明，索鞍處的索股彎折會造成索股中每根鋼絲的無應(yīng)力長度不相等，而實(shí)際索股加工時(shí)，各絲長度是相等的。對于大跨度懸索橋，較長主纜可分?jǐn)備摻z的長度差異，鼓絲現(xiàn)象不明顯；而對于跨度較小的懸索橋，因主纜長度較小，鼓絲現(xiàn)象往往比較明顯。

（3）在小龍灣自錨式懸索橋主纜架設(shè)施工中，通過貓道鋪設(shè)、主纜索股架設(shè)和索股線形調(diào)整，達(dá)到對空纜安裝線形的精確控制；經(jīng)過吊桿的分次張拉和索鞍頂推，最終形成的主纜線形滿足成橋設(shè)計(jì)線形要求，并使塔梁處于合理的受力狀態(tài)。

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Key Techniques of M ain Cable Installation of Nanjing Xiaolongwan Self-Anchored Suspension Bridge

ZHUOWeiding1，*LIU Zhao2
（1.Nanjing Runhua Municipal Construction Co.，Ltd，Nanjing 211100，China；2.College of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Main cable installation and its alignment control are themost important procedures during the erection of self-anchored suspension bridges.An investigation into the key issues of the procedures has been carried out in this paper，taking the Nanjing Xiaolongwan self-anchored suspension bridge as a study case.The proposed control objective is aimed at“l(fā)eveling the box girder and straightening the tower”.The backward and the forward iteratives are carried out in order to obtain the cable configuration at completion，cable configuration at free-hanging，the cable unstressed length and saddle offset displacement，etc.Themain reason for cable wire bulge has been identified.By precisely controlling the cable configuration at free-hanging，and tensioning the hangers and pushing the saddles into its final position stepwisely，themain cable configuration reaches its designated precision.And the stresses of themain tower and girder falls into a rational range.This paper will be informative for cable erection of self-anchored suspension bridges.

self-anchored，suspension bridge，cable Installation，cable alignment，construction control

2013－08－10

*聯(lián)系作者，Email：hyx11183＠126.com