自錨式懸索橋主纜架設(shè)監(jiān)控

包大海， 袁堂超， 陸久飛

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安710064)

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自錨式懸索橋主纜架設(shè)監(jiān)控

包大海， 袁堂超， 陸久飛

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安710064)

自錨式懸索橋在纜索體系施工過(guò)程中，主纜線形控制貫穿整個(gè)施工過(guò)程。主纜架設(shè)作為主纜線形控制的首要環(huán)節(jié)直接影響著主纜線形能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。以浙江中湖大橋主纜架設(shè)為例，論述了主纜空纜線形各控制點(diǎn)的確定方法及處理措施；對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下解析法與有限元法計(jì)算主纜空纜線形結(jié)果；研究了無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)、跨度、溫度對(duì)索股垂度的影響，以便快速、精準(zhǔn)地確定基準(zhǔn)索股線形。

橋梁工程；自錨式懸索橋；施工控制；主纜架設(shè)

引言

自錨式懸索橋是一個(gè)自平衡體系，主纜作為主要的傳力部件，主纜線形直接影響著全橋整體受力[1]。主纜線形控制作為自錨式懸索橋施工控制重要組成部分，貫穿整個(gè)施工過(guò)程。主纜錨固點(diǎn)、散索套IP點(diǎn)和主索鞍IP點(diǎn)作為主纜線形主要控制點(diǎn)，在主纜架設(shè)前必須確定其初始狀態(tài)。主纜架設(shè)作為主纜線形控制第一個(gè)環(huán)節(jié)，其空纜線形直接影響著全橋最終受力能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)于由預(yù)制平行鋼絲索股(PPWS)[2]組成的主纜而言，其空纜線形主要由基準(zhǔn)索股線形控制。基準(zhǔn)索股線形主要受索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度、跨度和溫度影響。研究基準(zhǔn)索股線形與各影響因素之間關(guān)系，對(duì)基準(zhǔn)索股線形快速調(diào)整具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

中湖大橋[3]是一座主跨120 m的三跨混凝土自錨式懸索橋，跨徑組合為45 m+120 m+45 m，橋梁全長(zhǎng)214 m，橫斷面寬30 m。主梁為現(xiàn)澆混凝土格子梁體系，主塔為門式鋼筋混凝土框架，全橋共兩根主纜，采用預(yù)制平行鋼絲索股(PPWS)，每根主纜由37束平行鋼絲組成，每一束由91根φ5.0 mm的鍍鋅高強(qiáng)絲組成，吊桿縱向間距5 m，橫向間距17 m，全橋吊桿共74根，采用GJ15-22環(huán)氧涂層鋼絞線成品索，共869.78 m。大橋整體布置如圖1所示。

圖1 全橋整體布置圖2空纜線形各控制點(diǎn)的確定及部分處理措施

自錨式懸索橋索股架設(shè)是在主塔、主梁施工完成，貓道架設(shè)完畢后進(jìn)行的[4]。主纜錨固點(diǎn)、散索套IP點(diǎn)和主索鞍IP點(diǎn)作為空纜線形的主要控制點(diǎn)，在索股架設(shè)前必須確定。由于施工過(guò)程中不可避免地會(huì)存在誤差，設(shè)計(jì)中的一些材料特性并不能真實(shí)地反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，伴隨著施工的進(jìn)行必須對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，確保達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)。

主索鞍IP點(diǎn)：主索鞍設(shè)置在主塔上，主塔塔頂偏位及標(biāo)高直接影響著主索鞍IP點(diǎn)的確定。主塔修筑完成其偏量主要受溫度影響，在索股架設(shè)前必須對(duì)橋塔進(jìn)行周日位移持續(xù)性觀測(cè)。

主梁錨固點(diǎn)、散索套IP點(diǎn)：這兩個(gè)控制點(diǎn)設(shè)置在主梁上，由多次穩(wěn)定溫度情況下的測(cè)量結(jié)果確定。主梁容重、彈性模量在主梁澆筑完成后，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正。

主纜參數(shù)：主纜各索股在加工完成后，會(huì)對(duì)部分索股進(jìn)行張拉試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正主纜彈性模量等各方面材料參數(shù)。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)量及采用數(shù)值分析法(懸鏈線理論)[5-7]和有限元分析法計(jì)算，得到中湖大橋在穩(wěn)定溫度、自由狀態(tài)下各控制點(diǎn)的偏位及標(biāo)高見(jiàn)表1。

表1 不同計(jì)算方法求得空纜各控制點(diǎn)標(biāo)高(單位：m)

在結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)確定以后，必須根據(jù)現(xiàn)有實(shí)際情況對(duì)全橋整體進(jìn)行受力分析。對(duì)個(gè)別由于控制點(diǎn)差異較大而引起結(jié)構(gòu)局部受力較大、施工不便的進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，確保全橋結(jié)構(gòu)在施工中安全、簡(jiǎn)便地達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)。

本橋主塔下部結(jié)構(gòu)屬于高樁承臺(tái)，主纜架設(shè)初期主塔塔頂偏位受不平衡水平力影響較大。而主索鞍設(shè)置預(yù)偏的主要目的是為了減少空纜狀態(tài)下邊、中跨主纜不平衡水平力對(duì)主塔塔頂偏位的影響。預(yù)偏量設(shè)置最理想狀態(tài)是塔頂沒(méi)有不平衡水平力出現(xiàn)。由圖2可以看出本工程裸塔具有一定初始偏位，且上下游偏位不一致。為了便于后期結(jié)構(gòu)分析和吊桿對(duì)稱張拉，需在設(shè)置主索鞍預(yù)偏時(shí)考慮主塔偏位不同步影響，保證主索鞍IP點(diǎn)上下游絕對(duì)里程一致。主塔標(biāo)高較設(shè)計(jì)值偏高，可以通過(guò)在保證中跨失跨比不變的情況下，適當(dāng)調(diào)整主纜線形。

圖2 中湖大橋各控制點(diǎn)偏位

由于工程進(jìn)度需要主纜在主梁修筑期間開(kāi)始生產(chǎn)，主纜各索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度已經(jīng)確定。由圖2可以看出，主纜錨固點(diǎn)實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值最大差5.2 cm。雖然主纜在生產(chǎn)時(shí)錨頭處有±6 cm的調(diào)節(jié)量，但是為了減少因主纜錨具錨頭脫空需重新調(diào)整索股線形的現(xiàn)象，本工程在南岸上游后錨段增設(shè)了3 cm與螺母材質(zhì)相同的墊塊。

3 空纜線形計(jì)算

空纜線形計(jì)算是本橋施工控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)大型商業(yè)軟件Midas/Civil建立中湖大橋成橋模型。全橋共建立626個(gè)單元、623個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中混凝土格子梁采用魚(yú)骨式梁?jiǎn)卧M。主纜與吊桿采用索單元考慮，吊桿下錨點(diǎn)與主梁之間采用剛性連接，由于橋下部結(jié)構(gòu)屬于高樁承臺(tái)主塔，必須考慮受不平衡水平力影響較大的樁基偏位。結(jié)構(gòu)空纜狀態(tài)模型如圖3所示。根據(jù)懸索橋成橋狀態(tài)與空纜狀態(tài)主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度不變的原則[8]，通過(guò)倒拆分模型[9-10]求出本工程在主纜建設(shè)前的初始狀態(tài)、主索鞍和散索套的預(yù)偏量。并與現(xiàn)場(chǎng)初始狀態(tài)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。對(duì)差異較大的控制點(diǎn)通過(guò)適當(dāng)修正主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度、主索鞍和散索鞍預(yù)偏量，通過(guò)正裝模型[9-10]按照實(shí)際施工順序達(dá)到合理成橋狀態(tài)。

圖3 大橋空纜模型

主纜在空纜狀態(tài)下只受自重作用，其空纜線形為懸鏈線。由表1可以看出，采用Midas/Civil有限元軟件計(jì)算主纜空纜線形與數(shù)值分析法計(jì)算結(jié)果較為接近，對(duì)于中小跨徑自錨式懸索橋而言，數(shù)值分析法的計(jì)算精度滿足工程要求。

4 索股架設(shè)

在主索鞍、散索套預(yù)偏量設(shè)置完畢后，主纜的空纜線形也隨之確定。由于索股線形受溫度荷載影響較大，基準(zhǔn)索股線形精確調(diào)整必須在環(huán)境溫度穩(wěn)定的條件下進(jìn)行。如何快速、精準(zhǔn)的使基準(zhǔn)索股空纜線形達(dá)到設(shè)計(jì)要求是自錨式懸索橋施工過(guò)程中制約工程進(jìn)度和質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

理論上講，主纜索股在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)對(duì)各跨控制點(diǎn)進(jìn)行精確標(biāo)記。但是由于主纜彈性模量、主梁自重、索股架設(shè)溫度、各控制點(diǎn)間距及高差都與理論值存在差異，主纜索股架設(shè)期間各標(biāo)記點(diǎn)無(wú)法用于精確控制主纜線形。由于索股僅在自重作用下是一條懸鏈線，而懸鏈線的線形主要用垂度表征(垂度指懸鏈線兩端點(diǎn)連線中心到懸鏈線中心的距離)。因此研究索股無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)、跨度和溫度對(duì)垂度的影響，對(duì)后期基準(zhǔn)索股線形調(diào)整及觀測(cè)具有重要指導(dǎo)意義。

4.1 索股無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)與垂度之間的關(guān)系

在跨度與索股溫度不變的情況下，通過(guò)調(diào)整各跨索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度計(jì)算出各跨相應(yīng)垂度。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果以及調(diào)索的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，主纜垂度和索長(zhǎng)之間的關(guān)系可近似擬合為線性關(guān)系，如圖4所示。

圖4 邊跨、中跨索長(zhǎng)與垂度之間的關(guān)系

由圖4可以看出在索股線形實(shí)際調(diào)整過(guò)程中，索股索長(zhǎng)與垂度之間的線形關(guān)系與模型計(jì)算結(jié)果是相符的。將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可以得到：

邊跨：Δf邊=4.10ΔL邊

中跨：Δf中=1.2225ΔL中

其中，Δf邊、Δf中為邊、中跨垂度改變量，ΔL邊、ΔL中為邊、中跨無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)改變量。

4.2 索股跨度與垂度之間的關(guān)系

在索股長(zhǎng)度與溫度不變的情況下，通過(guò)調(diào)整索股跨度計(jì)算出各跨相應(yīng)垂度。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，主纜垂度和索長(zhǎng)之間的關(guān)系可近似擬合為線性關(guān)系，如圖5所示。

圖5 邊跨、中跨跨度與垂度之間的關(guān)系

由圖5可以看出索股跨度與垂度之間符合線形關(guān)系，通過(guò)模型計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果相結(jié)合擬合出索股跨度與垂度之間的關(guān)系：

Δf邊=-3.88ΔL邊

Δf中=-1.14ΔL中

其中，ΔL邊、ΔL中為邊、中跨跨徑改變量。

4.3 索股溫度與垂度之間的關(guān)系

主纜在下料時(shí)的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度是以20 ℃為基準(zhǔn)，但在索股實(shí)際架設(shè)期間環(huán)境溫度是隨著季節(jié)與時(shí)刻而改變的。為了確保主纜索股線形能夠達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)，在索股線形調(diào)整期間溫度修正是非常重要的。在跨度不變的情況下，溫度變化其實(shí)可以簡(jiǎn)化為索股索長(zhǎng)的改變。因而可以直接推導(dǎo)出溫度與垂度之間的關(guān)系。

Δf邊=4.10ΔL邊= 4.10×53.8144×1.2×10-5×Δt= 2.648×10-3×Δt

Δf中=1.2225ΔL中= 1.2225×124.8509×1.2×10-5×Δt= 1.832×10-3×Δt

基準(zhǔn)索股線形調(diào)整需要在穩(wěn)定溫度((長(zhǎng)度方向Δt≤2 ℃，橫截面Δt≤1 ℃)下進(jìn)行，一般設(shè)在夜間(22∶00～02∶00)。由于天氣、施工等因素影響，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)索可用時(shí)間較短?；鶞?zhǔn)索股線形調(diào)整時(shí)，首先要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果通過(guò)索股跨徑、溫度與垂度之間的關(guān)系確定各跨基準(zhǔn)索股線形；在索股線形調(diào)整過(guò)程中根據(jù)索長(zhǎng)與垂度之間的關(guān)系，可以很快使索股線形達(dá)到設(shè)計(jì)要求；在基準(zhǔn)索股線形持續(xù)性觀測(cè)(2～3天)過(guò)程中，由于受溫度作用主塔偏位、主纜溫度都會(huì)改變，根據(jù)換算后的結(jié)果判斷索股線形是否穩(wěn)定?；鶞?zhǔn)索股垂度調(diào)整時(shí)允許誤差：索股中跨跨中±L/20 000(L為跨徑)=6mm，邊跨跨中為中跨跨中的2倍，上下游基準(zhǔn)索股高差為10mm。一般索股參考基準(zhǔn)索股±5mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以中湖大橋?yàn)槔?，詳?xì)介紹了混凝土自錨式懸索橋在索股架設(shè)初期主纜線形各控制點(diǎn)的確定方法以及個(gè)別影響較大控制點(diǎn)的處理方法；對(duì)比有限元法與解析法(懸鏈線理論)計(jì)算空纜線形結(jié)果，對(duì)于中、小跨徑自錨式懸索橋解析法計(jì)算結(jié)果能夠滿足工程精度的要求；在基準(zhǔn)索股架設(shè)前能夠?qū)⑺鞴蔁o(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度、跨度和溫度與垂度之間關(guān)系確定，對(duì)后期基準(zhǔn)索線形快速調(diào)整及持續(xù)性觀測(cè)具有重要意義。

[1] 龍飛,許福友,張哲.自錨式懸索橋的特點(diǎn)及工程應(yīng)用[J].中外公路,2010(5):131-136.

[2] 羅喜恒,肖汝誠(chéng),項(xiàng)海帆.懸索橋主纜架設(shè)過(guò)程分析[J].中外公路,2004(2):8-11.

[3] 韓旭輝,袁陽(yáng)光,陳安洋,等.自錨式懸索橋主纜下料長(zhǎng)度精細(xì)化計(jì)算[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014(5):13-16.

[4] 孫全勝,高紅帥.自空間主纜自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換施工控制[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013(2):112-116.

[5] 張哲.混凝土自錨式懸索橋[M].北京:人民交通出版社,2005.

[6] 嚴(yán)偉飛.江山北關(guān)大橋的施工監(jiān)控[D].大連:大連理工大學(xué),2005.

[7] 高榮堂,李傳習(xí),李庭波.平勝大橋自錨式懸索橋基準(zhǔn)索股架設(shè)的施工控制[J].世界橋梁,2007(1):43-46.

[8] 鐘繼衛(wèi),高建學(xué),王戒躁.大跨度懸索橋基準(zhǔn)索股施工控制[J].世界橋梁,2006(2):41-43.

[9] 王錦.混凝土自錨式懸索橋施工仿真分析及吊索張拉優(yōu)化[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2012.

[10] 牛登輝,周志祥,吳海軍,等.自空間自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換過(guò)程的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014(1):21-24.

Main Cable Erection Monitoring of Self-anchored Suspension Bridge

BAODahai,YUANTangchao,LUJiufei

(School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

The main cable shape control is throughout the entire process of cable systems construction of self-anchored suspension bridge. As the primary part of main cable shape control, the erection of main cable has a direct influence on whether the main cable shape can meet the design requirements. This paper discussed the methods and treatment measures to determine the main cable shape of the key points based on the main cable erection of Zhonghu bridge in Zhejiang province. The calculated results of empty cable shape obtained by standard state analytic method and finite element method had been compared with each other. Finally, for the purpose of ascertain the datum strand shape rapidly and accurately, the influence of unstressed cable length, span, temperature on cable strand sag had been discussed.

bridge engineering；self-anchored suspension bridge；construction control；main cable erection

2015-03-21

包大海(1990-)，男，陜西漢中人，碩士生，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)分析方面的研究，(E-mail)1207671163@qq.com

1673-1549(2015)03-0076-04

10.11863/j.suse.2015.03.16

U446

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