某大坡度主纜懸索橋施工方法及監(jiān)測(cè)

葉雨山，孫茂官，趙笑鵬

(1.中國(guó)建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

某大坡度主纜懸索橋施工方法及監(jiān)測(cè)

葉雨山1，孫茂官1，趙笑鵬2

(1.中國(guó)建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

某三塔四跨地錨式懸索橋主纜坡度較大，理論垂跨比為1∶5，采用優(yōu)化的自錨式懸索橋“先梁后纜”施工方案，主梁與主纜同時(shí)施工，然后進(jìn)行張拉調(diào)索體系轉(zhuǎn)換。施工監(jiān)測(cè)和控制實(shí)踐表明：采用該工法施工可以有效地解決跨纜吊機(jī)爬坡困難等問題，降低施工成本；主梁和主纜同時(shí)施工，加快進(jìn)度、節(jié)省工期。

懸索橋；地錨式；自錨式；大坡度主纜；施工方法；監(jiān)測(cè)分析

Abstract：The main cable of a three-tower four-span ground-anchored suspension bridge has a large slope and a theoretical vertical-span ratio of 1∶5, and the construction scheme of the optimized self-anchored suspension bridge is adopted, the main girder and the main cable are simultaneously constructed, then the tensioning cable system is converted. Construction monitoring and control shows that this method can effectively solve the problems such as climbing difficulty and reduce the construction cost, and the construction of main girder and main cable at the same time can speed up progress.

Keywords：suspension bridge; ground anchor; self-anchored; large main cable slope; construction scheme; monitoring analysis

1 工程概況

懸索橋具有受力性能好、跨越能力強(qiáng)、造型美觀等特點(diǎn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多的懸索橋應(yīng)用于城市景觀橋梁建設(shè)中，其中地錨式懸索橋的應(yīng)用最為廣泛[1-3]。當(dāng)懸索橋作為城市景觀橋梁時(shí)，其主塔往往較高，主纜坡度較大，這給施工造成了很大的困難，增加了工程的總體造價(jià)。

某三塔四跨地錨式懸索橋，大橋孔徑布置為64+136+136+64=400 m，如圖1所示。主梁為全焊鋼箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁頂寬45 m，中線處梁高2 m；中塔下塔柱高14.031 m，上塔柱高34.3 m。大橋主跨理論垂度為27.2 m，其理論垂跨比為1:5，邊跨主纜理論垂度為6.319 m，理論跨度為66.5 m，理論垂跨比為1:10.52。大橋橋面總寬度為45 m，是整個(gè)道路全線貫通的控制性工程，建成后將是當(dāng)?shù)氐牡貥?biāo)性建筑。

本項(xiàng)目大橋垂跨比取值遠(yuǎn)大于通常取值(1/12～1/9)，按照傳統(tǒng)地錨式懸索橋施工，采用跨纜吊機(jī)施工爬坡困難，投資大、效率低。因此，本項(xiàng)目大橋根據(jù)場(chǎng)地情況因地制宜，采用優(yōu)化的自錨式懸索橋“先梁后纜”施工方案，在主梁下搭設(shè)支架主梁與主纜同時(shí)施工，然后進(jìn)行張拉調(diào)索體系轉(zhuǎn)換。在懸索橋張拉調(diào)索過程中，對(duì)施工各狀態(tài)控制數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行比較分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)識(shí)別與調(diào)整；對(duì)成橋狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)與反饋控制分析；對(duì)結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力(應(yīng)力)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止施工中出現(xiàn)過大位移和應(yīng)力，確保施工朝預(yù)定目標(biāo)進(jìn)行。

圖1 某大橋橋型布置圖

2 懸索橋施工方式

2.1地錨式懸索橋施工方式

傳統(tǒng)地錨式懸索橋施工方法是先進(jìn)行主纜、吊索等的安裝，然后使用跨纜吊機(jī)吊裝鋼箱梁，跨纜吊機(jī)支撐和行走的軌道是兩根主纜，在主纜上進(jìn)行鋼箱梁的吊裝，最后在空中進(jìn)行鋼箱梁節(jié)段間的焊接，即“先纜后梁”的施工順序[4]，如圖2所示。

圖2地錨式懸索橋施工方式圖3自錨式懸索橋施工方式

2.2自錨式懸索橋施工方式

自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)特征決定了其施工順序?yàn)椤跋攘汉罄|”[5-7]。先進(jìn)行鋼箱梁的施工，在橋下設(shè)置臨時(shí)支架，把鋼箱梁節(jié)段放置在臨時(shí)支架上進(jìn)行焊接組裝；主纜架設(shè)之前，鋼箱梁形成由主墩和臨時(shí)支架共同支承的多跨連續(xù)梁體系；然后進(jìn)行主纜架設(shè)，主纜架設(shè)完成后，通過逐步張拉安裝吊索實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，即鋼箱梁的荷載完成由臨時(shí)支架支撐向主纜懸吊的體系轉(zhuǎn)換；最后，進(jìn)行橋面鋪裝等恒載的施工，如圖3所示。

2.3纜-梁同步施工法

由于本項(xiàng)目大橋索塔高度較高、主纜坡度較大，按照傳統(tǒng)地錨式懸索橋采用的吊裝方案，跨纜吊機(jī)投資太大，而且必須待主纜完成之后才能開始吊裝，大大降低了施工效率和進(jìn)度。因此，本項(xiàng)目大橋采用優(yōu)化的自錨式懸索橋的“先梁后纜”張拉調(diào)索的施工方案，在主梁下搭設(shè)支架，實(shí)現(xiàn)主梁與主纜同時(shí)施工。具體步驟為：首先架設(shè)主纜，在主纜施工的同時(shí)在梁下位置做支架，鋼箱梁分節(jié)段在支架上焊接組裝，在鋼箱梁和主纜同步完成之后，進(jìn)行張拉調(diào)索，如圖4所示。

圖4 梁-纜同步懸索橋施工方式

受張拉千斤頂噸位、吊索承載力、張拉桿及接長(zhǎng)桿承載力、塔柱及主梁截面應(yīng)力等因素的影響，大部分吊索需要多次張拉，才能最終完成體系轉(zhuǎn)換。經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算，控制施工過程中結(jié)構(gòu)受力不超過規(guī)范要求，且保證有足夠的安全系數(shù)，制定三批次張拉方案：(1)安裝1、2、20號(hào)吊索，第一次頂推17.7 cm(頂推力101 kN)；(2)依次交替安裝3～6、19～16、21～24號(hào)吊索，第二次頂推2 cm(頂推力183 kN)；(3)依次交替安裝7～9、11、15～12、25～28號(hào)吊索，第三次頂推4.5 cm(頂推力499 kN)；(4)最后安裝10、29、30號(hào)吊索。

3 施工監(jiān)測(cè)成果及分析

3.1空纜線形結(jié)果分析

一般索股的架設(shè)受工人操作技術(shù)熟練程度和機(jī)械協(xié)作的影響較大，緊纜之后的空纜線形往往與設(shè)計(jì)不符，要使成橋結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)內(nèi)力保持一致[8-9]，需要調(diào)整吊索下料長(zhǎng)度。

在緊纜之后選擇夜間溫度穩(wěn)定的時(shí)段進(jìn)行主纜線形測(cè)量，測(cè)量主要吊索節(jié)點(diǎn)的上表皮高程，并與設(shè)計(jì)值作比較，如表1和圖5所示。

表1 空纜線形測(cè)量比較表 m

圖5 空纜線形實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)值比較

通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，空纜線形實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值有較大偏差。分析認(rèn)為，一般索股的架設(shè)過程沒有很好的遵循“若即若離”原則，造成一般索股普遍偏高，內(nèi)部鋼絲分布不均勻，造成空纜普遍偏高且部分區(qū)域有扭曲現(xiàn)象，線形無(wú)規(guī)律。因主纜線形已無(wú)法調(diào)整，需根據(jù)主纜高程測(cè)量結(jié)果調(diào)整吊索下料長(zhǎng)度。

3.2主纜索力監(jiān)測(cè)成果與分析

在主纜兩端選擇編號(hào)為13#的索股，南北兩側(cè)共安裝4個(gè)錨索計(jì)。在張拉過程中，通過錨索計(jì)可以精確讀出主纜索股內(nèi)力，如圖6所示。

圖6 主纜索力實(shí)測(cè)值和設(shè)計(jì)值對(duì)比

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在施工前期，主纜實(shí)測(cè)索力與設(shè)計(jì)索力有較大偏差，但是索力絕對(duì)值較小，可以忽略不計(jì)。一期索力調(diào)整狀態(tài)(cs21)的0#臺(tái)左側(cè)索力偏差較大，主纜內(nèi)力明顯偏小，與理論計(jì)算值偏差46.19%。在成橋階段(cs22)，索力實(shí)測(cè)值與理論值的偏差逐漸減小，北側(cè)主纜內(nèi)力小于南側(cè)，與理論計(jì)算值偏差在10%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3吊索索力監(jiān)測(cè)成果與分析

在體系轉(zhuǎn)換完成之后開始第二次橋面鋪裝，之后進(jìn)行主纜纏絲和防腐涂裝等附屬工作。主纜附屬結(jié)構(gòu)施工之后，從受力情況和施工進(jìn)度來(lái)講都不宜再進(jìn)行索力調(diào)整。因此，將瀝青鋪裝之后狀態(tài)認(rèn)為是成橋狀態(tài)，進(jìn)行全橋吊索索力監(jiān)測(cè)并進(jìn)行最終索力調(diào)節(jié)。限于篇幅，僅列出吊索索力偏差超出20%部分和其調(diào)整后的索力，如表2和表3所示。其中有6根吊索索力值與設(shè)計(jì)值偏差超出20%，對(duì)這6根吊索調(diào)整后測(cè)量其索力數(shù)據(jù)，最終滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 一期完成后索力及理論值比較

表3 成橋后調(diào)整吊索索力表

3.4鋼箱梁線形結(jié)果分析

在進(jìn)行最終索力調(diào)節(jié)的同時(shí)，進(jìn)行鋼箱梁線形的監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖7所示。測(cè)量時(shí)溫度20℃，可認(rèn)為處于基準(zhǔn)溫度下。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，鋼箱梁高程與設(shè)計(jì)高程誤差最大不超過3.5 cm，線形基本平順，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 鋼箱梁線形監(jiān)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比

3.5鋼箱梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)成果與分析

鋼箱梁應(yīng)力截面編號(hào)沿樁號(hào)方向從0#臺(tái)起至4#臺(tái)編為1～12號(hào)。分別在張拉體系轉(zhuǎn)換之前、第一批次張拉、第二批次張拉、第三批次張拉以及成橋狀態(tài)下對(duì)鋼箱梁應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。整理截面的應(yīng)力極值，與設(shè)計(jì)值對(duì)比，限于篇幅僅選擇成橋階段鋼箱梁應(yīng)力對(duì)比，如圖8所示。

圖8 成橋階段各鋼箱梁截面應(yīng)力實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)值對(duì)比

在整個(gè)施工過程中，鋼箱梁最大拉應(yīng)力29 MPa，最大壓應(yīng)力30 MPa，鋼箱梁拉壓應(yīng)力未超出規(guī)范要求，無(wú)應(yīng)力突變現(xiàn)象，施工過程安全；鋼箱梁應(yīng)力實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的差異比混凝土索塔要大，主要因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)箱梁受溫度和施工荷載影響大。

4 結(jié)論

(1)本項(xiàng)目大橋的施工監(jiān)測(cè)和控制實(shí)踐表明，對(duì)索塔高度較高、主纜坡度較大的地錨式懸索橋，可以采用自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換施工方法。

(2)采用體系轉(zhuǎn)換的施工方法可以有效地解決跨纜吊機(jī)爬坡困難等問題，降低施工成本；主梁和主纜同時(shí)施工，加快進(jìn)度、節(jié)省工期。

[1] 黃祖華. 某地錨式懸索橋施工監(jiān)控研究[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào),2016(5):193-197.

[2] 王立峰,孫勇,李曼曼,等. 自錨式懸索橋初始平衡狀態(tài)分析[J]. 中外公路,2010(6):104-106.

[3] 李傳習(xí). 現(xiàn)代懸索橋靜力非線性理論與實(shí)踐[M]. 北京：人民交通出版社, 2014.

[4] 裴賓嘉,王忠海,雍翔,等. 西藏通麥空間纜地錨式懸索橋主纜和鋼桁梁施工技術(shù)[J]. 中外公路,2016(2):165-168.

[5] 胡建華. 現(xiàn)代自錨式懸索橋理論與應(yīng)用[M]. 北京：人民交通出版社, 2008.

[6] 唐賀強(qiáng),王旋,胡佳安. 福州鼓山大橋施工監(jiān)控[J]. 橋梁建設(shè),2010(5):74-77.

[7] 王同民. 桃花峪黃河大橋主橋工程上部結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)[J]. 施工技術(shù), 2012(3): 73-77.

[8] 路韡, 劉文齊. 湟水河自錨式懸索橋纜索系統(tǒng)施工技術(shù)[J]. 施工技術(shù), 2015, 44(11):52-55.

[9] 張喜勝. 自錨式懸索橋懸索的安裝施工技術(shù)[J]. 鐵道建筑, 2004(4):3-5.

Constructionmethodandmonitoringofamaincablesuspensionbridgewithlargeslope

YE Yu-shan1, SUN Mao-guan1, ZHAO Xiao-peng2

(1.ChinaConstructionSeventhEngineeringDivisionCo.Ltd.,Zhengzhou450000,China；2.SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou45000,China)

2017-05-28

鄭州市第三批科技領(lǐng)軍人才計(jì)劃項(xiàng)目(112PLJRC353)

葉雨山(1974—)，男，河南信陽(yáng)人，高級(jí)工程師。

1674-7046(2017)04-0054-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.04.010

U445.4

A