某地錨式懸索橋施工監(jiān)控研究

黃祖華

（福建省建筑科學(xué)研究院，福建福州350025）

某地錨式懸索橋施工監(jiān)控研究

黃祖華

（福建省建筑科學(xué)研究院，福建福州350025）

以某地錨式懸索橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)建立懸索橋整體有限元模型及施工過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)工程背景懸索橋的主纜施工及鋼箱梁吊裝施工過(guò)程的控制方法進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：懸索橋的幾何非線性對(duì)于懸索橋的找形分析影響顯著。所建立的懸索橋有限元模型可以較為準(zhǔn)確的模擬工程背景懸索橋的施工過(guò)程。施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果較為吻合，較好的指導(dǎo)了工程背景橋的施工。

地錨式懸索橋；施工監(jiān)控；有限元模型；鋼箱梁吊裝

懸索橋由于其外形美觀，造價(jià)經(jīng)濟(jì)，近年來(lái)較多的應(yīng)用于城市橋梁建設(shè)，而其中地錨式懸索橋的應(yīng)用最為廣泛。由于懸索橋是一個(gè)由多種構(gòu)件組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，同時(shí)還是一種柔性結(jié)構(gòu)［1-2］，在正常使用荷載作用下，即使材料沒(méi)有超過(guò)彈性范圍。其荷載也呈現(xiàn)明顯的非線性效應(yīng)［3-5］。其非線性效應(yīng)包括纜索在自重作用下具有一定的垂度；荷載作用下結(jié)構(gòu)的大位移；結(jié)構(gòu)的初始內(nèi)力影響；混凝土收縮徐變等諸多因素［6-7］。因此與其他類(lèi)型橋梁相比，懸索橋施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)幾何形狀較難控制和管理，容易產(chǎn)生各種施工誤差［8-9］。在懸索橋施工過(guò)程中，通過(guò)施工監(jiān)控對(duì)施工過(guò)程實(shí)施有效的控制是懸索橋成功施工的關(guān)鍵［10-11］。

本文以跨徑150 m的地錨式懸索橋?yàn)閷?duì)象，通過(guò)施工監(jiān)控對(duì)其施工過(guò)程進(jìn)行控制，希望使得各施工階段的實(shí)際狀態(tài)最大限度的接近理想狀態(tài)，確保成橋后的內(nèi)力狀態(tài)和幾何線形符合設(shè)計(jì)要求。并希望通過(guò)本文所述的監(jiān)控方法為其他類(lèi)似橋型懸索橋的施工監(jiān)控提供借鑒作用。

1 工程背景

某地錨式懸索橋全長(zhǎng)247.5 m，主跨150 m，矢跨比1/10，橋面寬4.5 m，主梁為淺加勁鋼筋混凝土桁架，梁高1.08 m，鋼筋混凝土塔高22.7 m，為人行橋，如圖1所示。由于該橋停用較長(zhǎng)時(shí)間，且缺乏必要的定期養(yǎng)護(hù)，因此需對(duì)此懸索橋進(jìn)行徹底的提升改造。具體提升改造方案為采用鋼箱梁方案更換人行橋主梁，梁高1.1 m，寬4.7 m。廢除舊橋主纜，采用跟舊主纜一樣的高強(qiáng)鋼絲繩，主纜計(jì)算跨度與原設(shè)計(jì)保持一致。主塔和鞍座僅需更換部分零件，不需完全更換。

圖1 工程背景懸索橋總體布置圖（單位：m）

針對(duì)以上的懸索橋提升改造方案，工程背景懸索橋的基本施工程序如圖2所示，先拆除舊橋主纜和混凝土桁架，然后架主纜、掛吊索，最后安裝加勁梁和鋪設(shè)橋面系等。其中，主纜架設(shè)和加勁梁的吊裝是施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在施工過(guò)程中，索塔和主纜上的荷載在不斷變化，主纜的線形也隨之變化，從承受自重的懸鏈線變?yōu)槌惺苋亢奢d的近似拋物線的曲線。因此，為了使得懸索橋改造完成后其加勁梁和主纜均能達(dá)到設(shè)計(jì)線形，主要的施工監(jiān)控內(nèi)容有：對(duì)主纜的控制；對(duì)索塔上主鞍預(yù)偏控制、吊裝箱梁線形的控制等。

圖2 工程背景懸索橋施工流程

2 施工監(jiān)控過(guò)程數(shù)值模擬

2.1 有限元計(jì)算模型

施工過(guò)程的模擬計(jì)算主要是通過(guò)建立懸索橋的有限元模型對(duì)施工過(guò)程中各關(guān)鍵工序的控制值進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)計(jì)算了解懸索橋施工過(guò)程中懸索橋各種荷載狀況下的索塔鞍座位移，主纜線形等理論值，并作為施工監(jiān)控過(guò)程中的控制目標(biāo)。

本文采用的計(jì)算軟件為MIDAS/Civil軟件。首先將大橋進(jìn)行有限元離散，鋼箱梁和塔柱采用梁?jiǎn)卧M，主纜和吊桿采用柔索單元模擬。所建立的工程背景懸索橋有限元模型嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙的幾何尺寸建模，索塔以及混凝土橫梁彈性模量E= 2.8×1010Pa，泊松比為0.2；主纜彈性模量E=1.099 ×1011Pa，泊松比為0.3，并在模型中設(shè)置為只拉狀態(tài)；吊桿彈性模量E=1.95×1011Pa，泊松比為0.3，同樣為只拉狀態(tài)，塔柱底部為固結(jié)。在整體模型中，鞍座和主塔采用節(jié)點(diǎn)耦合方式連接。同時(shí)有限元模型還通過(guò)實(shí)測(cè)的索力以及環(huán)境振動(dòng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了修正，使得所建立的模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)更為接近。所建立的平面計(jì)算模型離散圖如圖3所示。

圖3 平面計(jì)算有限元模型離散圖

2.2 計(jì)算流程

施工過(guò)程模擬計(jì)算分析主要包括以下內(nèi)容：成橋目標(biāo)狀態(tài)計(jì)算；空纜狀態(tài)分析；箱梁吊裝過(guò)程計(jì)算等。采用倒退分析和前進(jìn)分析結(jié)合的方法。首先，迭代調(diào)整計(jì)算模型的主纜水平力和單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，建立符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的計(jì)算模型；然后，倒推分析得到空纜狀態(tài)和裸塔狀態(tài)；然后再按照實(shí)際的施工過(guò)程模擬主纜架設(shè)和箱梁吊裝過(guò)程進(jìn)行前進(jìn)分析。由于塔柱附近吊桿的拉力分布與箱梁的吊裝和合龍過(guò)程有關(guān)，因此，倒退分析也需要用到前進(jìn)分析的成果，前進(jìn)分析與倒退分析應(yīng)綜合進(jìn)行并能夠閉合。通過(guò)模擬施工過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析，得到施工過(guò)程中的一些重要的控制參數(shù)，各關(guān)鍵工況的理想目標(biāo)狀態(tài)和軌跡。表1為施工過(guò)程中基于所建立的有限元模型的計(jì)算內(nèi)容。

表1 施工過(guò)程主要模擬計(jì)算內(nèi)容

3 主纜施工控制

3.1 空纜線形

懸索橋施工控制最為關(guān)鍵的即是如何計(jì)算主纜空纜的線形，只有了解了空纜線形才能在其基礎(chǔ)上確定主纜的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度。首先以設(shè)計(jì)線形為基準(zhǔn)，采用分段懸鏈線方法計(jì)算成橋狀態(tài)下的主纜線形；進(jìn)而采用倒退分析法，將成橋狀態(tài)作為初始狀態(tài)，按照與實(shí)際施工假設(shè)順序完全相反的施工過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行倒退施工。卸去橋面鋪裝，然后再逐一拆去加勁梁段，只剩下主纜、鞍座及主塔，求出每一個(gè)階段的平衡狀態(tài)，得到懸索橋的空纜線形?；诘雇朔治龅玫降目绽|線形，進(jìn)行正常施工工序的前進(jìn)分析，將分析結(jié)果與之前一致的成橋狀體進(jìn)行核對(duì)，校核其準(zhǔn)確性。然而由于懸索橋的強(qiáng)烈?guī)缀畏蔷€性因素，其前進(jìn)和倒退分析得到的結(jié)果往往不完全一致，且隨著懸索橋跨徑的增大，其誤差也越大，因此需要在計(jì)算中進(jìn)行前進(jìn)分析與倒退分析的交互迭代，直到其誤差達(dá)到精度要求才能較為準(zhǔn)確的確定空纜線形。

圖4為計(jì)算過(guò)程中迭代次數(shù)及誤差的關(guān)系圖，圖4所示由于懸索橋幾何非線性的影響，第一次前進(jìn)分析與倒退分析結(jié)束后主纜跨中點(diǎn)的高程誤差達(dá)到143 mm，隨著迭代次數(shù)的增加，高程的誤差逐漸減小，最終經(jīng)過(guò)25次迭代后，設(shè)計(jì)主纜跨中高程與計(jì)算主纜跨中高程的誤差為0.4 mm，符合工程背景懸索橋的精度要求。

圖4 主纜跨中標(biāo)高計(jì)算次數(shù)及誤差

3.2 主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度

主纜索股的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度直接關(guān)系到主纜假設(shè)線形，需要在纜索制造前提供。主纜各索股的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)按式（1）計(jì)算。

其中：L0為主纜單元的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)；Li為主纜單元有應(yīng)力索長(zhǎng)；Fi為主纜單元軸力；A為主纜截面面積；E為主纜的彈性模量。

3.3 基準(zhǔn)索股控制

主纜的線形控制是懸索橋施工控制的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，包括基準(zhǔn)索股線形控制和一般索股的線形控制。其中基準(zhǔn)索股的線形是基準(zhǔn)值，一般索股是根據(jù)若即若離的原則控制與基準(zhǔn)索股相對(duì)高差來(lái)安裝。因此，大跨度懸索橋主纜安裝過(guò)程中，基準(zhǔn)索股的施工控制是關(guān)鍵。

為方便施工，本橋索股跨中控制點(diǎn)采用固定理論跨中里程位置的方法確定。通過(guò)比較該里程索股頂面標(biāo)高與目標(biāo)值的差別判斷垂度調(diào)整量?；鶞?zhǔn)索股的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)是指20℃，塔頂偏位為零時(shí)，基準(zhǔn)索股的線形。通過(guò)收集到的資料和測(cè)量數(shù)據(jù)修正設(shè)計(jì)參數(shù)，重新計(jì)算成橋狀態(tài)，并根據(jù)主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度不變的原則可以確定主纜空纜狀態(tài)。然后，由基準(zhǔn)索股到主纜中心點(diǎn)的距離（應(yīng)充分考慮一般索股安裝時(shí)0～+5 mm相對(duì)偏差）及主纜的切角，可計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（20℃）時(shí)基準(zhǔn)索股空纜狀態(tài)各跨中控制點(diǎn)坐標(biāo)。一方面，由于存在塔柱的初始偏位、鞍座安裝偏差、外荷載（風(fēng)、貓道）和溫度效應(yīng)等影響，索股架設(shè)時(shí)實(shí)際跨度和理想狀態(tài)有一定差別；另一方面，基準(zhǔn)索股安裝時(shí)的實(shí)際溫度與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（20℃）不一致。這兩個(gè)方面對(duì)各跨索股矢高的影響不能忽略，精確控制實(shí)際索股架設(shè)線形時(shí)，可以根據(jù)實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)和塔頂變形進(jìn)行溫度和跨度修正?；鶞?zhǔn)股在架設(shè)過(guò)程中，中跨跨中高程最大誤差為2 mm，小于設(shè)計(jì)要求（-10 mm～+25 mm），中跨上、下游基準(zhǔn)索股相對(duì)偏差為0，小于設(shè)計(jì)要求（≤10 mm），邊跨最大誤差為-48 mm，略大于設(shè)計(jì)要求（-15 mm～+25 mm）。

一般索股采用控制與基準(zhǔn)索股/相對(duì)基準(zhǔn)索股的相對(duì)高差進(jìn)行架設(shè)。全部主纜索股架設(shè)完成并緊纜后，對(duì)主纜線形、塔頂坐標(biāo)、錨碇坐標(biāo)進(jìn)行全面的測(cè)量，并根據(jù)實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)進(jìn)行修正。該橋一般索股架設(shè)完成后，主纜中跨線形最大誤差為-40 mm，略大于設(shè)計(jì)要求（-15 mm～+35 mm）。

3.4 索夾定位和安裝

為了消除塔頂偏位測(cè)量誤差對(duì)索夾放樣精度的影響，采用相對(duì)坐標(biāo)法進(jìn)行索夾的放樣，即將儀器置于塔頂鞍座處，通過(guò)里程確定索夾位置。為了避免誤差累計(jì)，取兩主鞍座的中心點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，從中間向兩側(cè)進(jìn)行放樣。放樣過(guò)程中根據(jù)實(shí)測(cè)的溫度和跨度變化進(jìn)行修正。

3.5 吊索索長(zhǎng)調(diào)整

在前面的計(jì)算分析中，已得到吊索索長(zhǎng)和索力。

為保證橋面的線形與設(shè)計(jì)一致，按實(shí)際的空纜線形，對(duì)吊索的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度進(jìn)行修正。此時(shí)，重新計(jì)算實(shí)際結(jié)構(gòu)的重量及分布，包括索夾、鋼箱梁、橋面鋪裝等，以實(shí)測(cè)主纜線形為基礎(chǔ)，反算吊索的實(shí)際下料長(zhǎng)度。計(jì)算得到的本橋吊桿下料長(zhǎng)度如表2所示。

表2 吊索下料長(zhǎng)度

4 箱梁吊裝控制

當(dāng)空纜已定，箱梁施工過(guò)程主要是各施工階段的主纜位移增量、吊桿索力變化、橋面標(biāo)高等的比較。

4.1 主纜鞍座位移和線形

本橋吊裝施工為先吊裝中跨跨中節(jié)段，再由中間往兩邊依次吊裝，在臨近橋塔位置，先吊裝靠近橋塔位置的節(jié)段，最后吊裝合龍段。節(jié)段編號(hào)：中間節(jié)段編號(hào)為1節(jié)段，由中間往兩邊進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)依次遞增。全橋共13個(gè)節(jié)段，編號(hào)為1#～7#，詳見(jiàn)圖5。

在箱梁吊裝控制分析中，按照實(shí)際的荷載和施工順序，計(jì)算出各個(gè)吊裝階段箱梁線形和鞍座位移。在每個(gè)施工階段，測(cè)量實(shí)際箱梁線形和鞍座位移，并與計(jì)算預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，確定下一施工階段的修正調(diào)整值。

圖5 箱梁節(jié)段編號(hào)圖

表3為箱梁吊裝期間南北塔鞍座縱橋向位移實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比，由表3可以看出，實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值吻合較好。

表4為箱梁吊裝期間主纜跨中測(cè)量值與理論值的對(duì)比，結(jié)果表明實(shí)測(cè)變形的趨勢(shì)和規(guī)律與理論值吻合較好，吊裝完成后最大偏差為3.0 cm，主纜線形始終控制在較好的狀態(tài)下。

在鋼梁吊裝焊接完成后，對(duì)橋面的線形進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果，最大偏差為22 mm，在規(guī)范［10-11］要求之內(nèi)。

表3 箱梁吊裝主要施工工況南北塔鞍座縱橋向位移值

表4 主纜線形測(cè)量單位：m

4.2 橋面線形

表5為吊裝完成后設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)橋面線形的比較情況，通過(guò)比較可知：吊裝到位后，設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)橋面線形最大誤差為82 mm，上下游最大高差為20 mm，精度符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

（1）本文以一跨徑為150 m的地錨式懸索橋?yàn)楸尘?，通過(guò)考慮幾何非線性的找形分析和迭代分析，得到了懸索橋的空纜線形，說(shuō)明懸索橋的幾何非線性對(duì)懸索橋的找形分析具有顯著影響，需要多次迭代提高精度。

表5 吊裝完成橋面線形測(cè)量結(jié)果

（2）本文所建立的工程背景懸索橋離散化有限元模型較好的模擬了懸索橋施工過(guò)程，為工程背景懸索橋施工監(jiān)控提供了可靠的依據(jù)。

（3）通過(guò)對(duì)工程背景懸索橋提升改造過(guò)程中的主纜線形、主梁標(biāo)高等的監(jiān)控測(cè)量與理論值的比較，說(shuō)明工程背景懸索橋監(jiān)測(cè)值與理論值吻合的比較好，較好的指導(dǎo)了該橋的施工進(jìn)程。

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Construction Control Method of Ground-Anchored Suspension Bridge

HUANG Zuhua
（Fujian Academy of Building Research，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350025，China）

A ground－anchored suspension bridge was selected as an example to study the construction control method of ground anchored suspension bridge.Based on the finite element model of suspension bridge and site monitoring of construction process，the construction control method of main cable construction and the steel box girder hoisting of suspension bridge was discussed.The conclusions are the finite element model of suspension bridge can accurately simulate the construction process of suspension bridge.The monitoring results of the site are in good agreement with the finite element calculation results，which can guide the construction of the project.

ground－anchored suspension bridge；construction monitoring；finite element model；steel box girder hoisting

U448.25

A

1672—1144（2016）05—0193—05

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.037

2016－07－15

2016－08－20

黃祖華（1978—），男，福建寧德人，高級(jí)工程師，主要從事橋梁隧道檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、鑒定等方面的工作。E－mail：691400869@qq.com