河閃渡烏江大橋主纜架設(shè)施工監(jiān)控研究*

魏明明， 陳偉釗， 潘權(quán)

(長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙 410114)

主纜系統(tǒng)施工質(zhì)量直接影響整個橋跨結(jié)構(gòu)的成橋狀態(tài)。其中基準(zhǔn)索股的精準(zhǔn)計算及準(zhǔn)確架設(shè)最為關(guān)鍵，常根據(jù)給定的成橋狀態(tài)，利用有限元軟件進(jìn)行倒拆，計算空纜狀態(tài)下主纜的中心線形和無應(yīng)力索長，再根據(jù)基準(zhǔn)索股與主纜中心的位置關(guān)系，計算得到各跨控制點基準(zhǔn)索股的理論高程與樁號。由于主纜鋼絲存在熱膨脹效應(yīng)，特別是主纜鋼絲長度受溫度變化影響較大，基準(zhǔn)索股架設(shè)調(diào)整時的溫度場又很難與設(shè)計溫度一致，施工時橋塔結(jié)構(gòu)受貓道等施工臨時荷載和溫度影響產(chǎn)生塔偏，會造成跨度與設(shè)計狀態(tài)不一致。因此，主纜施工必須結(jié)合工程實際進(jìn)行調(diào)整。該文結(jié)合河閃渡烏江大橋主纜施工，根據(jù)實測溫度和跨度調(diào)整基準(zhǔn)索股的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并與有限元數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證該方法的可行性。

1 工程簡介

河閃渡烏江大橋為單跨地錨式鋼桁懸索橋(見圖1)，主纜跨度為249 m+680 m+238 m，全長1 167 m，主桁高6.8 m，設(shè)計基準(zhǔn)溫度為15 ℃。成橋狀態(tài)下中跨及北邊跨(湄潭側(cè))單根主纜由61根索股組成，南邊跨(石阡側(cè))靠近主索鞍處主纜傾斜角度為30.452°，傾角較大，增加4根背索。因地形原因，南側(cè)、北側(cè)索塔塔柱長度不一致，南側(cè)索塔塔樁長度為96、86.3 m，北側(cè)索塔塔柱長度為143、153 m。

圖1 烏江大橋示意圖(單位：m)

2 主纜索股施工控制

2.1 計算方法

不同工況下懸索橋索股在索鞍固定點之間的無應(yīng)力長度保持不變，等于設(shè)計溫度和跨度條件下無應(yīng)力長度。根據(jù)該思路建立計算公式，編制簡易計算程序，現(xiàn)場施工時根據(jù)實測溫度和跨度實時調(diào)整基準(zhǔn)索股的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

計算時，利用懸索橋索股計算程序，采用懸鏈線解析法對溫度和跨度變化進(jìn)行計算，得到控制點縱向樁號和高程數(shù)據(jù)。在計算跨度變化影響系數(shù)時，保持溫度為15 ℃不變，各跨跨度在一定范圍內(nèi)變化；在計算溫度變化影響系數(shù)時，保持空纜下各跨跨度不變，結(jié)合主纜索股架設(shè)施工現(xiàn)場實測溫度場，溫度變化范圍取7～16 ℃。按照該思路分別進(jìn)行計算，對計算結(jié)果進(jìn)行曲線繪制并擬合，得到跨度與溫度變化曲線在上述區(qū)間內(nèi)基本為線性變化。

2.1.1 基準(zhǔn)索股架設(shè)時的計算公式

該橋各跨跨中索股中心實際架設(shè)的縱坐標(biāo)和高程計入跨度、溫度的影響，實際數(shù)據(jù)通過建立包含跨度和溫度變化系數(shù)的線性方程進(jìn)行計算：

X=X0-α1(t-15)+σ1DL

(1)

Z=Z0-α2(t-15)+σ2DL

(2)

式中：X0、Z0分別為標(biāo)準(zhǔn)跨度與溫度的縱坐標(biāo)與高程值；αi為溫度變化影響系數(shù)；σi為跨度變化影響系數(shù)；DL為包含索鞍預(yù)偏和橋塔偏位的跨度變化量。

2.1.2 調(diào)索公式

該橋單根索股橫截面積為0.002 697 m2，線荷載為0.207 6 kN/m,彈性模量為208.4 GPa。北邊跨索鞍預(yù)偏1.480 m，右邊跨索鞍預(yù)偏1.561 m，索弦長及垂度見表1。

表1 基準(zhǔn)索股各跨弦長和垂度

利用基于懸鏈線的簡化調(diào)索公式可得到各跨待調(diào)索長與垂度變化的關(guān)系式，測出垂度差后，索長需調(diào)整量為：

(3)

計算得北邊跨、中跨、南邊跨索長調(diào)整比例分別為Δs=Δf/7.214 4、Δs=Δf/2.285 2、Δs=Δf/8.097 5。經(jīng)計算分析，在索股理論標(biāo)高±0.5 m范圍內(nèi)，上述索股調(diào)整比例具有較高精度，可用于現(xiàn)場索股的快速調(diào)整。

由于該橋兩岸索塔塔身長度及邊跨索股傾斜角度相差較大，在溫度及外荷載影響下中跨跨中控制點樁號會發(fā)生變動。在中跨跨中控制點樁號-0.5～0.5 m范圍內(nèi)，樁號變化對高程的影響非常小，可忽略不計，而實際溫度及跨度變化對跨中控制點樁號變化的影響只有±5 cm，只需在跨中控制點±5 cm范圍內(nèi)準(zhǔn)確確定高程即可。

2.2 主纜現(xiàn)場架設(shè)影響系數(shù)分析

2.2.1 跨度變化影響分析

圖2、圖3分別為跨度變化時湄潭側(cè)(北)邊跨跨中基準(zhǔn)索股中心的縱向坐標(biāo)、中跨跨中基準(zhǔn)索股中心的高程。經(jīng)計算，各項調(diào)整量為：湄潭邊跨跨中縱坐標(biāo)1.976 5 mm/mm，湄潭邊跨跨中高程3.863 7 mm/mm，中跨跨中高程2.208 6 mm/mm，即湄潭側(cè)邊跨索股調(diào)整1 mm，對湄潭邊跨跨中縱坐標(biāo)的影響為1.976 5 mm，對湄潭邊跨跨中高程的影響為3.863 7 mm，對中跨跨中高程的影響為2.208 6 mm(見表2)。石阡側(cè)(南)跨度變化的調(diào)整類似。

圖2 跨度變化時湄潭邊跨跨中基準(zhǔn)索股中心的縱向坐標(biāo)

圖3 跨度變化時跨中基準(zhǔn)索股中心的標(biāo)高

表2 跨度變化的影響分析 mm

2.2.2 溫度變化影響分析

圖4、圖5為溫度變化時湄潭側(cè)跨中基準(zhǔn)索股中心的縱向坐標(biāo)、中跨跨中基準(zhǔn)索股中心的高程。溫度每升高1 ℃，對湄潭邊跨跨中縱坐標(biāo)的影響為12.19 mm，對湄潭側(cè)邊跨跨中高程的影響為28.24 mm，對中跨跨中高程的影響為19.4 mm(見表3)。石阡側(cè)(南)溫度變化的調(diào)整類似。

圖4 溫度變化時湄潭跨中基準(zhǔn)索股中心的縱向坐標(biāo)

圖5 溫度變化時跨中基準(zhǔn)索股中心的標(biāo)高

表3 溫度變化的影響分析 mm

將上文計算的影響系數(shù)帶入式(1)、式(2)，得到該橋基準(zhǔn)索股架設(shè)時的計算公式(見表4)。

表4 基準(zhǔn)索股跨度和溫度修正計算公式

2.3 常規(guī)索股架設(shè)控制

常規(guī)索股采用相對高差架設(shè)法架設(shè)。為方便測量，相對高差的參照索股不一定是基準(zhǔn)索股，可選擇已架設(shè)好的其他索股作為參照。參考索股的選擇應(yīng)方便測量，同時不應(yīng)被上層絲股壓住，且不受V形保持器等裝置或臨時措施干擾。一般索股相對于參考索股的控制高差如下：

(4)

(5)

式中:ΔSi,0為實測參考索股中心與基準(zhǔn)索股中心的高差。

架設(shè)索股的高差調(diào)整量(見圖6)計算公式為:

圖6 一般索股的調(diào)整定位

(6)

為控制常規(guī)索股架設(shè)精度，常規(guī)索股相對高差的測試斷面偏離理論跨中位置一般不超過0.5 m，相對于基準(zhǔn)索股的相對高差的誤差控制在+5 mm以內(nèi)；待調(diào)索股所在跨順向溫差應(yīng)小于2 ℃，與參考索股之間的平均溫差應(yīng)小于1 ℃，待調(diào)索股所在層與其下層索股之間的平均溫差應(yīng)小于0.5 ℃。常規(guī)索股與基準(zhǔn)索股及下層索的相對高差控制見表5。

表5 常規(guī)索股與基準(zhǔn)索股及下層索的相對高差

由于索股線形受溫度影響較大，常規(guī)索股連續(xù)監(jiān)測及線形調(diào)整一般在夜間溫度穩(wěn)定的時間進(jìn)行。索股調(diào)整順序為先中跨、再邊跨、最后錨跨，中跨及邊跨索股線形調(diào)整就位后，將索股在索鞍內(nèi)固定，最后調(diào)整錨跨張拉力至目標(biāo)值。

2.4 索股線形和溫度場監(jiān)測

索股線形監(jiān)測應(yīng)在夜間氣溫穩(wěn)定、風(fēng)力較小、大氣條件允許的情況下進(jìn)行，并對監(jiān)測時的大氣折光系數(shù)進(jìn)行修正，單次監(jiān)測應(yīng)在短時間內(nèi)對塔頂偏位、IP點高程、索股測點的樁號和高程進(jìn)行監(jiān)測。烏江大橋索股線形監(jiān)測采用2臺全站儀按三角高程測量法進(jìn)行(見圖7)，測量基準(zhǔn)點A1、A2分別布置于南北塔側(cè)，反光棱鏡置于待測點Bi上，測點高程通過計算得到。

圖7 索股監(jiān)測示意圖

索股溫度場數(shù)據(jù)采用溫度自動采集模塊收集，精度為0.1 ℃。該橋橫跨烏江南北兩岸，各測點海拔高度差異較大，溫度有較明顯的差異，在每跨同時布置多個測點(見圖7)，每個測點布置多個溫度傳感器，各測點同時采集，取平均溫度作為溫度場溫度。由于索股直徑較小，待夜間氣溫穩(wěn)定數(shù)小時后其內(nèi)部溫度基本等于大氣溫度時，在各測點采集索股表面溫度即可。

3 索股架設(shè)監(jiān)控結(jié)果

3.1 基準(zhǔn)索股監(jiān)控結(jié)果

基準(zhǔn)索股架設(shè)完成后，于3月11—13日對架設(shè)效果進(jìn)行連續(xù)觀測，其中11日的觀測結(jié)果見表6。

由表6可知：中跨左右幅標(biāo)高偏差為6 mm，與理論預(yù)測值的最大偏差為14 mm，滿足規(guī)范和設(shè)計要求。12、13日的監(jiān)測結(jié)果也表明索股線形穩(wěn)定，偏差滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

表6 基準(zhǔn)索股的監(jiān)測結(jié)果

3.2 常規(guī)索股監(jiān)控結(jié)果

常規(guī)索股架設(shè)完成后于5月4—6日夜間對主纜各跨線形進(jìn)行連續(xù)復(fù)測，其中5月5日的復(fù)測結(jié)果見表7。

由表7可知：中跨最大偏差為8 mm，1/4跨最大偏差為14 mm，各跨偏差均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，滿足施工精度要求，監(jiān)控取得了良好效果。

表7 主纜線形監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)語

根據(jù)懸鏈線方程推導(dǎo)出烏江大橋索股在跨度和溫度變化時的修正公式，經(jīng)MIDAS/Civil有限元軟件復(fù)核，該公式準(zhǔn)確可靠，可指導(dǎo)現(xiàn)場調(diào)索，并可節(jié)省現(xiàn)場調(diào)索時間。基準(zhǔn)索股和一般索股線形實測結(jié)果表明該文提出的調(diào)索方法具有一定的精度和可靠性，可供中小跨度地錨式懸索橋主纜施工參考。