大跨度懸索橋主纜線形施工控制研究

李　青

(山西省交通科學(xué)研究院　太原　030006)

大跨度懸索橋主纜線形施工控制研究

李青

(山西省交通科學(xué)研究院太原030006)

摘要主纜線形施工控制是懸索橋施工過程中極其重要的一環(huán)。為保證主纜線形精度要求，文中結(jié)合南溪長江大橋特點，從基準(zhǔn)索股線形控制和一般索股線形控制2方面，分析研究主纜線形施工控制方法。用文中所述主纜線形施工控制方法，對南溪長江大橋主纜線形進行調(diào)整，經(jīng)檢測大橋線形良好，滿足精度要求。

關(guān)鍵詞懸索橋主纜線形基準(zhǔn)索股一般索股

隨著大跨度懸索橋設(shè)計、建造及施工技術(shù)的日漸成熟，對懸索橋主纜線形施工精度的要求亦不斷提高，主纜線形控制的優(yōu)劣是懸索橋最終成橋線形能否滿足設(shè)計精度要求的一個重要環(huán)節(jié)[1-3]。

目前，就主纜線形施工控制問題，已有不少研究成果。譚紅梅[4]為提高大跨度懸索橋基準(zhǔn)索股的施工精度，提出基于懸鏈線理論的2種調(diào)索方法，并將2種方法及傳統(tǒng)的拋物線調(diào)索公式法應(yīng)用于珠江黃埔大橋的基準(zhǔn)索股的調(diào)索計算中，最終取得了理想線形；薛光雄等[5]結(jié)合潤揚長江公路大橋基準(zhǔn)絲股線形在溫度和跨度變化時的修正計算方法，提出了采用影響系數(shù)的辦法來修正溫度和跨度變化的影響，并取得了良好的效果；沈銳利[6]通過計算比較，闡述了懸索橋成橋線型的精確計算方法及2種近似計算方法的誤差，介紹了懸索橋無應(yīng)力長度、索鞍預(yù)偏量、索夾安裝位置及各種施工工況下的主纜線型、索塔位移及內(nèi)力等問題的分析方法；王戒躁等[7]以陽邏長江大橋為例，對大跨度懸索橋主纜主要參數(shù)的影響作了較為細致的分析，得出了大跨度懸索橋中對主纜跨中標(biāo)志點影響較大的參數(shù)有溫度、索股彈性模量、梁段重量及主纜水平力的結(jié)論。研究現(xiàn)有成果可知，目前對主纜施工主要圍繞影響主纜架設(shè)精度的因素及其修正計算展開，而對主纜線形施工控制全過程研究則相對很少?；诖耍疚慕Y(jié)合南溪長江大橋特點，從基準(zhǔn)索股線形控制和一般索股線形控制兩方面，分析研究主纜線形施工控制方法，并利用文中所述主纜線形施工控制方法，對南溪長江大橋主纜線形進行調(diào)整。經(jīng)檢測，南溪長江大橋線形良好，滿足精度要求，為同類懸索橋主纜線形施工控制提供了實例參考。

1工程概況

南溪長江大橋是現(xiàn)代化特大型鋼箱梁懸索橋，主跨為820 m，主纜分跨為192 m+820 m+176 m，中跨為懸吊結(jié)構(gòu)，跨中設(shè)置中央扣。矢跨比1/10；加勁梁高跨比為1/273，寬跨比為1/27.5；主纜橫橋向間距29.1 m，吊索順橋向標(biāo)準(zhǔn)間距為12.8 m。主纜在成橋狀態(tài)下的垂跨比為1∶237.5，中跨1/10，南邊跨 1∶217.6。主纜橫橋向中心間距為29.1 m。

南溪長江大橋主纜采用預(yù)制平行鋼絲束股(PPWS)。主纜索股共計182根，其中通常索股174根、背索索股8根，單根通長索股長度為1 305 m，重量為26.5 t。背索索股8根，南邊跨背索長度為251 m，重量為5.1 t，北邊跨背索長度為225 m，重量為4.6 t。每根索股由127根直徑5.1 mm、抗拉強度為1 670 MPa的高強度鍍鋅鋼絲組成。索股兩端為熱鑄錨頭，每束索股通過錨頭用拉桿與錨固系統(tǒng)連接，形成主纜系統(tǒng)。

主纜在架設(shè)時豎向排成尖頂?shù)慕屏呅?，緊纜后主纜為圓形。索夾內(nèi)直徑為590 mm(中跨)、602 mm(邊跨)，索夾外直徑為596 mm(中跨)、609 mm(邊跨)。

橋型總體布置見圖1。

圖1　橋型總體布置圖(單位：cm)

2主纜線形施工控制

主纜索股線形施工控制分為基準(zhǔn)索股線形控制和一般索股線形控制。如圖2主纜索股編號所示，其中1號索股為南溪長江大橋主纜基準(zhǔn)索股，其余均為一般索股。通長索股架設(shè)順序按編號從1～87號依次進行，為了便于索股垂度調(diào)整，工廠制索時，在索股上相應(yīng)于散索鞍處、邊跨跨中、主索鞍處、中跨跨中以及兩端錨頭附近共設(shè)置了9個標(biāo)志點，做為索股垂度調(diào)整參考點，并作了特定標(biāo)記。

a)主纜邊跨安裝截面b)主纜中跨安裝截面

圖2主纜索股編號

2.1　基準(zhǔn)索股線形施工控制

主纜基準(zhǔn)索股線形的控制，實質(zhì)上是主纜線形的控制，也是基準(zhǔn)索股垂度的控制。為保證基準(zhǔn)索股線形，南溪長江大橋選取如圖3所示索股垂度控制點，對索股垂度進行控制。

圖3　基準(zhǔn)索股絕對標(biāo)高觀測點示意圖

(1) 控制原理及方法?？紤]到溫度對基準(zhǔn)索股的影響，在進行基準(zhǔn)索股調(diào)整施工前，對索股溫度測試區(qū)域進行氣溫采集，找出溫度場變化規(guī)律，確定索股調(diào)整時間段。南溪長江大橋索股溫度的測量用接觸式溫度計，測點沿長度方向布置為：南北錨碇、邊跨跨中、南北塔頂、1/4中跨、跨中、3/4中跨處共9個斷面；沿斷面方向布置為：索股上緣及下緣。索股溫度穩(wěn)定的條件是：長度方向索股的溫差Δt≤2 ℃，主纜斷面方向索股的溫差Δt≤1 ℃。另外風(fēng)力超過12 m/s(六級風(fēng))、霧太濃時不能對索股調(diào)整。

基準(zhǔn)索股垂度控制具體操作原理及方法是：在索股跨中處懸掛反光棱鏡，采用2臺全站儀分別從不同方向同時觀測，進行三角高程測量，計算索股跨中垂度，并與設(shè)計垂度進行比較，根據(jù)監(jiān)控計算的垂度調(diào)整圖表，算出索股移動調(diào)整的長度，并作跨度、溫度修正。在索股垂度調(diào)整時，將索股的特定標(biāo)志點對準(zhǔn)北塔主索鞍上相應(yīng)的標(biāo)志點，并用千斤頂和木楔固定，以索股特定標(biāo)志點為固定基準(zhǔn)點調(diào)整各跨垂度。首先通過控制索股在南主索鞍鞍槽內(nèi)的滑移(放松或收緊量)調(diào)整中跨索股垂度，符合要求后在南主索鞍鞍槽內(nèi)固定。最后通過控制索股在南、北散索鞍鞍槽內(nèi)的滑移量調(diào)整兩邊跨索股垂度，符合要求后在散索鞍鞍槽內(nèi)固定。錨跨則利用千斤頂張拉索股張力進行調(diào)整，垂度調(diào)整完成后，作上標(biāo)記，以便后續(xù)索股架設(shè)時檢查有無滑移。

圖4為基準(zhǔn)索股測量示意圖。

a) 基準(zhǔn)索股垂度b) 基準(zhǔn)索股垂度

控制原理 控制方法

圖4基準(zhǔn)索股測量示意圖

在索股絕對垂度符合要求后，同時進行上、下游2根基準(zhǔn)索股相對垂度調(diào)整，其相對垂度差不大于5 mm。采用2種不同測量方法進行測量，首先采用液體靜力水準(zhǔn)測量即連通管測量方法(直徑大于20 mm)，在風(fēng)小、夜間溫度變化較小和索股穩(wěn)定時，直接測量上下游索股間的相對高差，同時采用三角高程相對垂度測量方法實施監(jiān)控。用2種測量方法進行測量，目的是便于相互驗證、相互校核，從而確保索股的線形。

基準(zhǔn)索股垂度調(diào)整好后，進行3 d穩(wěn)定觀測，確認(rèn)索股線形完全符合穩(wěn)定要求后，連續(xù)3 d對1號基準(zhǔn)索股進行觀測，對比1號基準(zhǔn)索股各控制點實測標(biāo)高與理論標(biāo)高的差值，取3 d連續(xù)觀測結(jié)果中基準(zhǔn)索股實測標(biāo)高與理論標(biāo)高偏差值的算術(shù)平均值作為1號基準(zhǔn)索股的偏差值。表1為1號基準(zhǔn)索股連續(xù)觀測值。

表1　1號基準(zhǔn)索股連續(xù)觀測表　mm

(2) 注意事項。索股調(diào)整前，在索股上做上標(biāo)記，保證調(diào)整量準(zhǔn)確無誤；白天架設(shè)完的索股，垂度調(diào)整選擇在溫度相對穩(wěn)定、風(fēng)力不大的時間；索股調(diào)整時，用橡膠錘敲打索股以消除索股間的摩擦以方便調(diào)整；調(diào)整工作一般無法一次完成，因此，將調(diào)整量分成幾份，逐次調(diào)整并觀測索股移動量與垂度變化量，直至達到預(yù)定值。

2.2　一般索股線形施工控制

基準(zhǔn)索股以外的索股為一般索股，一般索股是依據(jù)基準(zhǔn)索股進行相對垂度調(diào)整。因南溪長江大橋跨徑大，索股數(shù)量多，主纜粗，內(nèi)外層索股溫度相差大，必然引起已架上層索股擠壓基準(zhǔn)索股，導(dǎo)致基準(zhǔn)索股線形發(fā)生變化，不能繼續(xù)作為索股垂度調(diào)整的基準(zhǔn)來進行后續(xù)索股的調(diào)整，這就必須另設(shè)基準(zhǔn)索股，南溪大橋采用在日本明石大橋和潤揚大橋成功實踐的方法對索股垂度進行調(diào)整。

(1) 控制原理及方法。為保證一般索股調(diào)整時所用的基準(zhǔn)索股始終處于自由漂浮狀態(tài)，南溪長江大橋采用主纜各層外側(cè)一根一般索股作為相對基準(zhǔn)索股(2，4，7,…,58, …,87號為相對基準(zhǔn)索股)，其垂度依靠1號基準(zhǔn)索股進行傳遞，然后利用各層相對基準(zhǔn)索股調(diào)整同一層一般索股和上一層相對基準(zhǔn)索股的垂度，以達到主纜線形調(diào)整目的。為了消除調(diào)整誤差的積累，每根相對基準(zhǔn)索股的調(diào)整誤差均進行傳遞，即調(diào)整下一根相對基準(zhǔn)索股時，他們之間的理論相對垂度值中要減去當(dāng)前相對索股的調(diào)整誤差值，以確保每一根索股相對于1號索股的調(diào)整誤差均為0～5 mm；當(dāng)架設(shè)完一定數(shù)量索股后，用全站儀對相對基準(zhǔn)索股進行絕對垂度的檢測。

采用相對基準(zhǔn)索股法對主纜一般索股垂度調(diào)整時，索股架設(shè)順序按設(shè)計圖紙上的編號逐根架設(shè)。計算各相對基準(zhǔn)索股與1號索股的理論垂度值，測定相對基準(zhǔn)索股與待調(diào)索股的溫度(索股斷面上4個面的溫度平均值)并進行溫度修正。采用游標(biāo)卡尺按照相對基準(zhǔn)索股與待調(diào)基準(zhǔn)索股調(diào)整高差和待調(diào)一般索股調(diào)整高差測定索股垂度調(diào)整量。垂度調(diào)整通過主、散索鞍處索股放松或收緊，達到調(diào)整線形的目的。一般索股與基準(zhǔn)索股高程誤差在±10 mm。

(2) 注意事項。由于各索股之間距離偏小，若索股調(diào)整量過大，調(diào)整索股將壓在下面索股上，得不到正確垂度數(shù)值；若壓在基準(zhǔn)索股上，也將引起基準(zhǔn)索股垂度測量誤差，故相對垂度調(diào)整，上下層索股應(yīng)保持一種若即若離狀態(tài)，方可保證垂度測量準(zhǔn)確。

索股垂度測量方法見圖5。

圖5 索股垂度測量方法

2.3　索股調(diào)整順序

通長索股垂度調(diào)整順序是先中跨后邊跨，邊跨背索只調(diào)整跨中垂度，具體見圖6。

圖6　索股垂度調(diào)整順序圖

3主纜線形觀測結(jié)果

索股垂度調(diào)整好后，進行錨碇索股張力調(diào)整，索股張力調(diào)整完成后，對主纜線形進行觀測，索股(或主纜)線形測量局域網(wǎng)為索股垂度控制點，測量過程中，要求在氣壓穩(wěn)定，風(fēng)力較小時進行。測量結(jié)果如下。

(1) 南邊跨跨中主纜中心上下游實測標(biāo)高與理論修正標(biāo)高的差值分別為10 mm，17 mm，均小于45 mm(指標(biāo)值)，滿足要求；南邊跨跨中主纜中心上下游索股實測標(biāo)高相對高差為7 mm，小于10 mm(指標(biāo)值)，滿足要求。

(2) 跨中主纜中心上下游實測標(biāo)高與理論修正標(biāo)高的差值分別為7 mm，8 mm，均小于20 mm(指標(biāo)值)，滿足要求；中跨跨中主纜中心上下游索股實測標(biāo)高相對高差為1 mm，小于10 mm(指標(biāo)值)，滿足要求。

(3) 北邊跨跨中主纜中心上下游實測標(biāo)高與理論修正標(biāo)高的差值分別為-14 mm，-14 mm，均小于45 mm(指標(biāo)值)，滿足要求；北邊跨跨中主纜中心上下游索股實測標(biāo)高相對高差為0，小于10 mm(指標(biāo)值)，滿足要求。

主纜線形良好，符合主纜架設(shè)的精度要求及標(biāo)準(zhǔn)。

4結(jié)語

主纜線形控制是懸索橋施工過程中極其重要的一環(huán)，主纜架設(shè)、調(diào)整施工中，基準(zhǔn)索股線形直接影響主纜線形，為保證基準(zhǔn)索股線形，本文結(jié)合南溪長江大橋特點，從基準(zhǔn)索股線形控制和一般索股線形控制2方面，分析研究主纜線形施工控制方法，利用文中所述主纜線形施工控制方法，對南溪長江大橋主纜線形進行調(diào)整，經(jīng)檢測南溪長江大橋線形良好，滿足精度要求。為同類懸索橋主纜線形施工控制提供參考。

參考文獻

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Study of Main Cable Curve Construction

Control For Long Span Suspension Bridge

LiQing

(Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, China)

Abstract：Construction control of main cable curve is extremely important during the construction of suspension bridge. To ensure the main cable curve accuracy requirements, this paper combined with the characteristics of Nanxi Yangtze River Bridge to analyze the method of construction control of main cable curve from two aspects: datum strand linear control, general strand linear control. Using the related construction control of main cable curve in this paper, we adjusted Nanxi Yangtze River Bridge main cable curve. Through test Nanxi Yangtze River Bridge main cable curve was good and met the accuracy requirements.

Key words:suspension bridge; main cable curve; datum strand; general strand

收稿日期：2015-05-11

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.005