預(yù)應(yīng)力混凝土索導(dǎo)管安裝施工技術(shù)研究

胡繼生 趙小浪 過(guò)勇 朱育才 李沛洪

廣州市第二市政工程有限公司 510060

引言

斜拉橋從力學(xué)結(jié)構(gòu)上屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，力學(xué)關(guān)系比較復(fù)雜，橋梁施工過(guò)程中得到較理想的成橋狀態(tài)，存在較大的困難。為了建造高質(zhì)量的斜拉橋，作為核心構(gòu)件的橋梁斜拉索張拉施工過(guò)程必須得到高度重視，斜拉索施工主要控制目標(biāo)之一的索力值必須得到準(zhǔn)確測(cè)量，以確保工程施工能安全順利地進(jìn)行，建成的斜拉橋處于理想的受力狀態(tài)［1-4］。斜拉橋常用半平行鋼絲拉索和平行鋼絞線拉索，因此對(duì)斜拉索施工方法和索力控制方法進(jìn)行深入研究具有重要的理論意義和工程實(shí)際意義。眾多學(xué)者對(duì)斜拉索也進(jìn)行了研究，例如姚永峰等［5］對(duì)斜拉索張拉技術(shù)進(jìn)行研究，董云鵬、田永強(qiáng)等［6-13］對(duì)大跨度斜拉索安裝技術(shù)進(jìn)行研究等，這些研究成果對(duì)斜拉索施工具有推動(dòng)意義。

1 工程概況

鴨嘴巖大橋?yàn)楠?dú)塔雙索面斜拉橋，跨度為319m（200m＋74m＋45m），橋面寬36m，主塔高100m。采用鋼-混凝土組合橋塔，縱、橫橋向塔軸線均呈曲線。主梁以上塔柱為鋼結(jié)構(gòu)，主塔從承臺(tái)頂?shù)剿數(shù)母叨葹?00m。鋼塔底節(jié)段通過(guò)剪力釘、PBL傳剪器及預(yù)應(yīng)力束以承壓方式與混凝土塔柱結(jié)合。主梁采用混合式鋼箱梁，主跨200m，其中鋼箱梁長(zhǎng)191m，邊跨混凝土梁伸入主跨9m，為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；邊跨主梁119m長(zhǎng)度范圍內(nèi)為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，大橋全貌如圖1所示。

圖1 大橋全貌Fig.1 Full view of the bridge

鴨嘴巖大橋縱向拉索立面采用不對(duì)稱扇形雙索面布置（每個(gè)錨點(diǎn)布置四根索）。斜拉索采用環(huán)氧涂層平行鋼絲束拉索體系，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1770MPa，彈性模量為（1.95～2.1）×105MPa。鋼絲護(hù)套為雙層熱擠PE形成，內(nèi)層為黑色，外層為彩色。全橋共15個(gè)索號(hào)60根索，全橋共采用13種規(guī)格斜拉索，分別是PES7-55、PES7-61、PES7-85、PES7-109、PES7-121、PES7-127、PES7-139、PES7-151、PES7-163、PES7-187、PES7-211、PES7-241、PES7-253。索導(dǎo)管位于主橋邊跨如圖2和圖3所示。最長(zhǎng)斜拉索為M15＃斜拉索長(zhǎng)度199m，最重的為M13＃重9t，成橋索力最大為S1＃斜拉索張拉力581t。斜拉索采用塑包平行鋼絲束，鋼絲采用φ7高強(qiáng)熱鍍鋅鋼絲，護(hù)套采用雙層，內(nèi)層為黑色高密度聚乙烯，外層為彩色高密度聚乙烯。

圖2 索導(dǎo)管平面布置Fig.2 Layout drawing of cable

圖3 索導(dǎo)管Fig.3 Drawing of cable

2 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁索導(dǎo)管施工

鴨嘴巖大橋施工的基本流程為先施工主橋樁基礎(chǔ)承臺(tái)及墩柱施工，并根據(jù)施工復(fù)雜程度，先將3＃主塔基礎(chǔ)及承臺(tái)先施工完成，然后再進(jìn)行鋼主塔施工，并且完成主橋邊跨的澆筑，待0號(hào)鋼箱梁（鋼混結(jié)合段）完成施工，進(jìn)行鋼箱梁吊裝以及斜拉索施工。在主橋邊跨施工過(guò)程中，30根斜拉橋索導(dǎo)管能否成功定位，代表后期斜拉索能否安裝成功，也是后期橋梁能否成功的關(guān)鍵。針對(duì)該問(wèn)題，在進(jìn)行索導(dǎo)管定位時(shí)，采用經(jīng)驗(yàn)公式修正橋梁變形，同時(shí)借助定位支架微調(diào)索導(dǎo)管的位置，確保了索導(dǎo)管的精確定位。

2.1 索導(dǎo)管位置修正

斜拉索梁端索導(dǎo)管定位的主要目標(biāo)是保證錨固中心三維坐標(biāo)（x，y，z）及斜拉索下傾角β定位準(zhǔn)確。由于受到現(xiàn)場(chǎng)條件以及索導(dǎo)管自身結(jié)構(gòu)的制約，直接測(cè)量錨固中心點(diǎn)過(guò)程復(fù)雜且耗費(fèi)時(shí)間，經(jīng)研究通過(guò)坐標(biāo)換算可以將索導(dǎo)管上口中心線點(diǎn)（K點(diǎn)）作為測(cè)量點(diǎn)。K點(diǎn)定位參數(shù)轉(zhuǎn)化：

式中：L為水平距（m）；R為橋梁豎曲線半徑（m）；β為斜拉索下傾角（°）。拉索在塔端和梁端的傾角修正公式如下：塔端拉索斜率公式為：

梁端拉索斜率公式為：

式中：h為高度差（m）；L為水平距（m）；TH為水平分力（kN）；TB為塔端張拉力（kN）；q為斜拉索自重集度（kg/m）。

假定塔端拉索斜率初始值為kB＝h/L，即斜拉初始線型為直線狀態(tài)，此時(shí)理論傾角βB（0）＝arctan（kB（0）），重復(fù)以上步驟，逐次迭代，直至得到收斂穩(wěn)定的kB（n）。實(shí)際計(jì)算時(shí)，僅需一次迭代即可求得收斂穩(wěn)定的kB（n）。由此可由梁端拉索斜率公式求得梁端拉索斜率kA，及梁端下傾角修正βA＝arctan（kA）。

因混凝土橋梁在澆筑過(guò)程中會(huì)發(fā)生自然沉降，因而在進(jìn)行索導(dǎo)管定位復(fù)核計(jì)算時(shí)，應(yīng)該考慮該部分?jǐn)?shù)值，見(jiàn)表1。但鋼箱梁索導(dǎo)管定位則不用考慮，只需將索導(dǎo)管焊接到規(guī)定的位置，因?yàn)殇撓淞簽槿嵝圆牧希灰笃趯撓淞赫w線形調(diào)整到設(shè)計(jì)位置，索導(dǎo)管位置就可定在設(shè)計(jì)位置。

表1 各索導(dǎo)管自然沉降修正值Tab.1 Correction value of natural settlement for each cable

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中斜拉索參數(shù)表，列出邊跨斜拉索梁端水平距、斜拉索下傾角、錨固點(diǎn)坐標(biāo)等數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 斜拉索錨固參數(shù)Tab.2 Anchorage parameters of cable

以S5索導(dǎo)管為例，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，S5索導(dǎo)管上口中心線點(diǎn)高程Z為228.704m?，F(xiàn)進(jìn)行S5索導(dǎo)管位置修正，根據(jù)表2數(shù)據(jù)和式（4）得出，Z取226.007m，L取4.060m，β取42.27°。同時(shí)由于邊跨為直線下坡段則1/2·R·cosβ不需考慮，得出Z（K）＝z＋（Lsin β＋1/2·R·cosβ）＝226.007＋4.060·sin42.27°＝228.737m。因此Z（K）與測(cè)量的Z值兩者相差0.033m，與表1的自然沉降值吻合。

2.2 索導(dǎo)管的定位測(cè)量

邊跨梁上為斜拉索錨固區(qū)，梁上斜拉索錨固區(qū)采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，索導(dǎo)管定位如圖4所示。索導(dǎo)管的定位精度要求很高，為避免索與管口發(fā)生碰撞，施工時(shí)嚴(yán)格控制其安裝精度。

圖4 索導(dǎo)管定位Fig.4 Cable position

索導(dǎo)管的定位采用三維坐標(biāo)一體化的方法，使用全站儀在梁上建立三維坐標(biāo)系，通過(guò)平移再建立平行于坐標(biāo)軸的豎直面，利用空間點(diǎn)和面的關(guān)系，調(diào)整索導(dǎo)管的管口三維坐標(biāo)到設(shè)計(jì)值。梁上三維坐標(biāo)基本控制點(diǎn)分為平面控制點(diǎn)和高程臨時(shí)控制點(diǎn)兩個(gè)部分。

（1）平面控制點(diǎn)的確定方法。先在梁上任一點(diǎn)放置全站儀，直接測(cè)出置測(cè)點(diǎn)到各橋梁控制點(diǎn)距離，經(jīng)氣象改正和投影改正，用距離后方交會(huì)平差計(jì)算出置測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)，再根據(jù)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)后視點(diǎn)，用極坐標(biāo)法放出梁上基本控制點(diǎn)。

（2）高程臨時(shí)控制點(diǎn)確立方法。三角高程法：在梁上設(shè)置全站儀，直接測(cè)出高程臨時(shí)控制點(diǎn)的高程。

（3）豎直基本面的確立。把梁上的基本控制點(diǎn)平移，作為索導(dǎo)管及勁性骨架的定位控制點(diǎn)，先放置勁性骨架，使勁性骨架大致對(duì)中且基本鉛直，固定好并加焊牢固。在勁性骨架特定位置上加焊角鐵，便于系好弦線標(biāo)定豎直基本面。借助彎管目鏡，把鉛垂面投到加焊的角鐵上（頂面、底面各做兩個(gè)點(diǎn)）。同時(shí)用水準(zhǔn)儀把臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)上的高程點(diǎn)引到角鐵上做出水平標(biāo)志點(diǎn)建立起空間控制線。進(jìn)行索導(dǎo)管調(diào)整時(shí)，就以這些空間控制線為基準(zhǔn)進(jìn)行管口位置調(diào)整。

2.3 索導(dǎo)管安裝

（1）根據(jù)測(cè)量定位點(diǎn)先將索導(dǎo)管調(diào)至大概位置后，用儀器進(jìn)行精調(diào)，索導(dǎo)管利用勁性骨架進(jìn)行固定。

（2）索導(dǎo)管外側(cè)設(shè)置直徑20mm的圓鋼螺旋筋，螺旋筋自索導(dǎo)管兩端向內(nèi)側(cè)纏繞14圈間距為60cm，若兩端的螺旋筋出現(xiàn)重合段，將重合部分截去，使螺旋筋沿導(dǎo)管通長(zhǎng)布置，如圖5所示。

圖5 索導(dǎo)管螺旋筋安裝Fig.5 Installation of spiral reinforcement of cable

（3）索導(dǎo)管的安裝定位是梁上斜拉索施工的關(guān)鍵工作。為了控制索導(dǎo)管的位置，施工時(shí)依靠索導(dǎo)管的定位構(gòu)架進(jìn)行調(diào)整，構(gòu)架上備有微調(diào)設(shè)施，可精確地調(diào)整位置，同時(shí)如果鋼筋及波紋管影響索導(dǎo)管安裝，可移動(dòng)鋼筋及波紋管，確保索導(dǎo)管位置準(zhǔn)確。測(cè)量手段和天氣情況是影響索導(dǎo)管安裝定位質(zhì)量和時(shí)間的主要因素，在進(jìn)行索導(dǎo)管安裝時(shí)，將編繪測(cè)量網(wǎng)絡(luò)圖利用先進(jìn)的儀器，采用科學(xué)的測(cè)量方法，選擇好適當(dāng)?shù)陌惭b調(diào)整時(shí)間，索導(dǎo)管經(jīng)反復(fù)測(cè)量調(diào)整合乎設(shè)計(jì)精度后，立即焊接固定。

（4）索導(dǎo)管安裝。在施工場(chǎng)地拼裝索導(dǎo)管定位架（勁性骨架），在驗(yàn)收合格的索導(dǎo)管定位架上測(cè)量放線，經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算確定索導(dǎo)管精確位置（相對(duì)標(biāo)高、中心線）并依此焊接可調(diào)裝置，并臨時(shí)固定。將已定位的索導(dǎo)管與定位架單元起吊至塔頂預(yù)留骨架對(duì)位、調(diào)整至位置、標(biāo)高滿足要求后焊連（平面位置偏差不大于5mm，垂直度偏差不大于1/100），測(cè)量檢查索導(dǎo)管頂口及底口位置，根據(jù)測(cè)量結(jié)果利用可調(diào)螺栓微調(diào)索導(dǎo)管至滿足坐標(biāo)要求（進(jìn)出口中心坐標(biāo)誤差≤3mm），經(jīng)檢查合格后索導(dǎo)管與定位架牢固焊接，以防混凝土澆筑時(shí)導(dǎo)管上浮。定位架單元吊裝前需先進(jìn)行已安裝定位架的頂面高程及位置的測(cè)量，偏差較大時(shí)需進(jìn)行調(diào)整，其后再進(jìn)行定位架單元的安裝。錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力筋與定位架斜桿不能避開(kāi)時(shí)，待索導(dǎo)管精確定位并焊接牢固后，可先在不沖突的位置焊接斜桿，再將位置沖突的斜桿切除。索導(dǎo)管安裝效果如圖6所示。

圖6 索導(dǎo)管安裝Fig.6 Cable installation

3 斜拉索安裝效果

斜拉索安裝完成后，對(duì)混凝土30根索導(dǎo)管定位情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 索導(dǎo)管位置偏差情況Tab.3 Position deviation of cable

表3數(shù)據(jù)表明，預(yù)應(yīng)力混凝土索導(dǎo)管安裝效果精確度高，斜拉索基本位于索導(dǎo)管的中心，整體偏差都小于4cm。

4 結(jié)語(yǔ)

1.考慮橋梁的自然沉降對(duì)索導(dǎo)管的影響，采用經(jīng)驗(yàn)公式修正，對(duì)索導(dǎo)管的定位位置進(jìn)行復(fù)核，提高索導(dǎo)管的安裝精準(zhǔn)度。

2.采用定位裝置將索導(dǎo)管定位，并采用微調(diào)裝置調(diào)節(jié)索導(dǎo)管位置，能使索導(dǎo)管盡量調(diào)節(jié)到索導(dǎo)管設(shè)計(jì)位置。