自錨式懸索橋施工監(jiān)控研究

薛晶

（河北工程大學(xué) 河北邯鄲 056038）

自錨式懸索橋的主纜直接錨固在錨錠橫梁的兩端上，利用板式橡膠支座支撐在橋臺(tái)上，進(jìn)而平衡主纜與主梁的水平力，主纜的拉力由主梁直接承受，無需龐大的錨旋，該方法解決了地基較差、錨碇修建困難的懸索橋，是橋梁設(shè)計(jì)方案的最佳選擇，是普遍應(yīng)用于城市地區(qū)的新橋型。

1 自錨式懸索橋特點(diǎn)

①從外形結(jié)構(gòu)上看，占地面積較小。②從受力結(jié)構(gòu)上分析，主纜的水平拉力取決于橋梁橋面的平衡度，懸索部分和鋼桁梁形成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的整體，在上部結(jié)構(gòu)中無論是固定存在的荷載，還是位置、大小不確定的荷載，都需要通過纜索系統(tǒng)傳遞給索塔，然后由索塔傳力于地基。③從施工步驟來看，自錨式懸索橋不同于其它懸索橋，先對鋼桁梁進(jìn)行施工，而后安裝主纜，而其它懸索橋則是先安裝主纜再進(jìn)行梁體的施工。④從施工監(jiān)測監(jiān)控上分析，自錨式懸索橋精度高，所有的拼裝、調(diào)整、安裝施工都需要在嚴(yán)格的監(jiān)控下進(jìn)行，目的是為了提高橋梁整體質(zhì)量。

2 橋梁施工監(jiān)控

橋梁施工監(jiān)控是在監(jiān)控系統(tǒng)作用下，對施工整個(gè)過程進(jìn)行全程監(jiān)控，如：測量、計(jì)算、分析、調(diào)整等過程，借助傳感器、測試儀獲取塔、梁、拉索等部位性能的各種數(shù)據(jù)信息、力學(xué)參量、幾何參量等，然后通過計(jì)算機(jī)程序?qū)κ占臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，最后根據(jù)處理結(jié)果確定精準(zhǔn)的施工參數(shù)，以便隨時(shí)準(zhǔn)確地對橋梁的內(nèi)力和線形變化作出調(diào)整控制，進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期值，確保橋梁的正常施工操作以及優(yōu)美外觀。自錨式懸索橋的主纜直接錨固在橋梁上，在板式橡膠支座的作用下錨固在橋臺(tái)上，進(jìn)而平衡主纜與主梁的水平力，如果主纜張拉力過大，都會(huì)造成主梁局部失穩(wěn)，形成施工過程的不安全。

3 建立模型

在施工過程中，需要確定成橋狀態(tài)，作為監(jiān)控計(jì)算的初始狀態(tài)，這是建立模型的主要步驟。

成橋狀態(tài)的確定，需要以主纜一端作為原點(diǎn)，平行橋跨縱軸方向作為x軸，建立坐標(biāo)，利用拋物線方程，并根據(jù)跨度L、垂度f、荷載ω值，參照設(shè)計(jì)規(guī)定的成橋線形來計(jì)算：

式中：α——主纜兩端點(diǎn)所連直線與x軸的夾角；

H——主纜水平拉力，H=ωL2/8f。

計(jì)算假定，是對全橋豎向恒載、溫度變化采用有限元分析方法，根據(jù)橋梁施工周期、構(gòu)件自重、結(jié)構(gòu)溫度、施工載荷等一系列施工控制參數(shù)，建立起全橋計(jì)算模型，進(jìn)行非線性的結(jié)構(gòu)分析，輸出的主纜內(nèi)力即為二根主纜之和。

4 施工監(jiān)控的主要內(nèi)容

自錨式懸索橋的施工監(jiān)控，其主要內(nèi)容有以下五項(xiàng)：

4.1 主塔塔偏測量

在橋梁施工和投入使用后的不同狀態(tài)下，主塔都承擔(dān)著較大部分的載荷，特別是吊桿和主纜的作用較為突出，而在應(yīng)力不均、氣溫差別、日光照射等因素的影響下，主塔都會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形。為了不影響索力調(diào)整，就需要了解主塔在自然條件影響下的變化規(guī)律，以及在索力影響下發(fā)生位置偏離的幅度。

測量主塔塔偏的方法，通常是測距法，即使用全自動(dòng)的安平水準(zhǔn)儀、全站儀等測距儀，測量順橋向、橫橋向兩個(gè)方向的變位值。測量時(shí)，通常在橋梁軸線上選取合適的測站點(diǎn)，比如塔樁側(cè)壁、塔樁頂部，并可根據(jù)測試過程中的情況作相應(yīng)的適量調(diào)整，最終可測得橋梁主塔在索力調(diào)整過程中的塔柱位置變化以及隨氣溫變化所發(fā)生的橋向偏移曲線。

4.2 加勁鋼桁梁線形測量

鋼桁梁線形測量，主要包括有高程、位置、中線三個(gè)部分的測量。

在拼裝鋼桁梁時(shí)，由于各個(gè)構(gòu)件之間客觀上存在一些極小的誤差，容易導(dǎo)致梁體發(fā)生偏離軸心、傾斜等情況。因此，為了確保梁預(yù)拱度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，必須進(jìn)行主梁位置測量和中線測量，以保證中跨跨中合攏。位置測量、中線測量，都是將全站儀設(shè)置在橋梁軸線上，或者是主縱梁軸線上，隨后以軸線上任意一點(diǎn)為后視點(diǎn)，采取視準(zhǔn)線方法，利用小鋼尺測量每一片橫梁的偏離值，利用小垂球測量鋼斜桁梁的垂直度。而高程測量的方法，主要是使用水準(zhǔn)儀，測量每一片鋼桁梁的標(biāo)高，并與設(shè)計(jì)規(guī)范中的數(shù)值進(jìn)行對比，相應(yīng)調(diào)整至允許的誤差幅度之間。

中線測量、高程測量，這兩種方法的測點(diǎn)，通常都布置在橋軸線的頂面上。位置測量的測點(diǎn)布置在橫梁與主縱梁的交叉點(diǎn)上。這三個(gè)測量方法，可以同步推進(jìn)。

加勁鋼桁梁的線形測量，可以測得各個(gè)施工狀態(tài)下主梁的高程、中線等實(shí)際數(shù)值，可以測得主梁線形在氣溫影響下的變化曲線。

4.3 索力測量

自錨式懸索橋的主梁、主纜絲形，施工過程中的安全程度，都與其拉索索力有直接關(guān)系。因此，施工同時(shí)必須進(jìn)行索力測量，測量結(jié)果也應(yīng)達(dá)到規(guī)定要求。

索力測量方法，主要是測量不同階段下的索力值、以及隨氣溫變化而產(chǎn)生的曲線，隨后，根據(jù)結(jié)構(gòu)施工情況，對吊索在不同情況下的索力進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

在進(jìn)行測量索力時(shí)，通常需要使用靈敏度較高的傳感器，采集攔索在環(huán)境影響下的振動(dòng)信號，在經(jīng)過濾波、頻譜分析后，根據(jù)頻譜圖的變化規(guī)律來確定拉索的自振頻率，最后結(jié)合索力關(guān)系確定索力值。在測量開始前，應(yīng)提前進(jìn)行標(biāo)定工作，以排除拉索彎曲剛度的影響，在測量開始后的進(jìn)程中，逐步加以修正。測量換算索力時(shí)，要符合基頻要求，并使用前3階的頻率進(jìn)行驗(yàn)證。

4.4 溫度測量

溫度因素，通常有晝夜、季節(jié)兩個(gè)類型的溫差。晝夜溫差，是指日光每天對橋梁不同位置的照射，這會(huì)導(dǎo)致鋼桁梁結(jié)構(gòu)的伸縮變化；季節(jié)溫差，是指晝夜溫差日積月累，使鋼桁梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有一定規(guī)律的伸縮變形。溫度變化，對自錨式懸索橋梁結(jié)構(gòu)的變形影響機(jī)理是較為復(fù)雜的，特別是日照溫差的變化，這是最為主要的一大因素。在橋梁施工階段，溫度變化會(huì)不同程度地影響到主梁撓度、塔柱水平位移。

4.5 應(yīng)力測量

應(yīng)力測量，主要是監(jiān)測橋梁不同結(jié)構(gòu)部位在不同施工狀態(tài)下的截面應(yīng)力值，以及橋梁在投入使用后的載荷應(yīng)力值，這個(gè)測量結(jié)果可以更為精準(zhǔn)地了解塔柱截面的應(yīng)力狀況，并為判斷施工過程中不同工況載荷下應(yīng)力變化提供依據(jù)，確保施工安全。

應(yīng)力測量，是一項(xiàng)基于現(xiàn)場的監(jiān)控方法，可以采取手持應(yīng)變計(jì)測量的方法，隨時(shí)滿足對施工監(jiān)控的要求，是一項(xiàng)可以長期進(jìn)行的工作。

在確定測量應(yīng)力的截面時(shí)，可依據(jù)施工計(jì)算的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，原則上考慮幾個(gè)因素：一是橋體上部結(jié)構(gòu)在施工過程中、成橋狀態(tài)后的最大正、負(fù)彎矩截面，以及主塔和橫梁的應(yīng)力截面。這一測量方法，在施工過程中進(jìn)行的成本較高，因此，為了最優(yōu)成本地滿足施工監(jiān)控的要求，可選擇5個(gè)左右的梁體應(yīng)力監(jiān)控截面和4個(gè)主塔測量截面，在鋼桁梁結(jié)構(gòu)中選擇適于使用手持應(yīng)變計(jì)的測量站點(diǎn)，以便讀取到相應(yīng)數(shù)值。

5 結(jié)論

伴隨著交通事業(yè)的大力發(fā)展，自錨式懸索橋的優(yōu)點(diǎn)不斷得到認(rèn)可，各地廣泛使用。本文分析了施工過程中的監(jiān)控內(nèi)容，為同類橋梁的建設(shè)施工，提供一定的借鑒。