大跨徑懸索橋主纜施工監(jiān)控

向 勇 孫海波

（北京市建設(shè)工程質(zhì)量第三檢測所有限責(zé)任公司，北京 100037）

0 引言

懸索橋作為城市交通過江載體，具有跨越能力強、結(jié)構(gòu)受力明確等特點。懸索橋在施工控制理論作為一門技術(shù)科學(xué)，雖然起步較晚，但是目前所用理論已較為成熟。實際施工監(jiān)控手段也經(jīng)歷了發(fā)展和更新的過程，懸索橋的施工監(jiān)控主要在于主纜的控制，其中包括主纜下料長度、主纜線形、空纜線形以及基準索股線形等。

懸索橋最終成橋狀態(tài)是否符合設(shè)計狀態(tài)要求，與橋梁施工過程控制方法十分緊密。在施工過程中，根據(jù)橋梁各階段施工順序和結(jié)構(gòu)狀態(tài)，采集橋梁變形、應(yīng)力、溫度等參數(shù)，并根據(jù)理論計算進行調(diào)整，從而分析后續(xù)施工過程中結(jié)構(gòu)狀態(tài)，及時修正和調(diào)整相關(guān)參數(shù)，保證成橋線形符合設(shè)計要求，施工監(jiān)控是重要環(huán)節(jié)。大跨徑懸索橋的主纜架設(shè)是懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵，而主纜的施工監(jiān)控更是重中之重。

1 工程概況

重慶某橋為主跨600 m 地錨式雙塔雙索面懸索橋，雙向六車道，主梁為鋼箱梁，梁高為3m，主纜矢跨比為1 ∶9.09，吊索間距為12m，主纜橫向間距為26.7m。主纜采用高強度鍍鋅鋼絲，公稱直徑為5.20mm、抗拉強度為1670MPa。南北橋塔采用門式框架結(jié)構(gòu)，塔柱為鋼筋砼空心結(jié)構(gòu)，塔基采用承臺加樁基礎(chǔ)。

2 主纜下料長度計算

主纜作為特大跨懸索橋一個非常重要的承重構(gòu)件，成纜線形的影響因素較多，如索鞍坐標(biāo)、下料長度計算方法等都十分重要。通過懸索橋建造經(jīng)驗可知，主纜的線形更接近多段懸鏈線，與拋物線相比更加精確。主纜的下料長度根據(jù)設(shè)計文件成纜線形計算確定，索鞍坐標(biāo)、索夾坐標(biāo)、鞍座預(yù)偏量等根據(jù)主梁索股架設(shè)線形確定。除了計算方法外，在施工控制計算分析時還應(yīng)考慮溫度效應(yīng)、混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)沉降等因素的影響。

在該橋施工過程中，采用倒拆計算與正裝迭代計算兩種方法。計算采用橋梁專業(yè)有限元軟件MIDAS Civil，在空間非線性及主纜架設(shè)等過程仿真分析時，將橋梁結(jié)構(gòu)離散為空間梁元和索單元結(jié)構(gòu)進行計算，均能充分考慮材料收縮徐變、體系溫度效應(yīng)等方面影響。有限元計算模型如圖1 所示。

圖1 懸索橋有限元計算模型

同時結(jié)合非線性有限元軟件ANSYS、BNLAS，三種軟件主纜基準索股的無應(yīng)力索長計算結(jié)果見表1。

表1 三種軟件計算值與設(shè)計索長對比

通過采用多種計算軟件復(fù)核計算，各軟件之間計算值偏差很小，最大偏差3.66cm，偏差率0.0036%；并與設(shè)計值進行對比，三種軟件計算值最大偏差2.18cm，偏差率0.0022%，計算結(jié)果對比幾乎一致，驗證了計算模型的準確性。因此，主纜基準索股無應(yīng)力索長計算時建議至少采用兩種計算軟件進行平行計算，可互相校核，避免人為錯誤。

3 主纜監(jiān)控量測

3.1 索股監(jiān)控量測

基準索股線形測點布設(shè)于主纜中跨跨中、兩側(cè)邊跨跨中處及兩塔塔頂，測點采用反射棱鏡。

架設(shè)基準索股過程中，可采用單向三角高程測量進行索股線形測量，測量時間一般應(yīng)在夜間或清晨氣溫穩(wěn)定時進行，其目的是為了降低溫度、風(fēng)等環(huán)境的影響。三角高程測量的原理是站點向觀測點的高度角和距離計算測站和觀測點之間的高差，如圖2 所示。

圖2 架設(shè)基準索股線形測量示意圖

本橋跨越長江，江面寬度約800m，長距離測量會受到大氣折光和觀測仰角的影響，導(dǎo)致原來單向三角高程測量的精度降低，在1500m 測量范圍內(nèi)一般只能達到5cm～10cm?？缃卮罂鐟宜鳂蛑骼|線形測量時，可采用三角高程中間法，達到減少測量過程中大氣折光和觀測仰角影響的目的，提高主纜線形測量精度，測量精度可達到2.0cm。

因此，在特大跨懸索橋主纜線形測量時，建議采用三角高程中間法，基本可以滿足大跨懸索橋基準索股線形測量的精度要求。

基準索股是否需要修正和調(diào)整，是根據(jù)基準索股線形測量結(jié)果與施工監(jiān)控單位的監(jiān)控理論計算線形數(shù)據(jù)進行比較，當(dāng)兩者偏差超過規(guī)范和設(shè)計要求，則需要通過反復(fù)調(diào)整索股線形達到最終控制線形的目的。

基準索股在調(diào)整過程中，需要考慮設(shè)計空纜線形、主塔偏位和鞍座預(yù)偏量等因素在溫度作用下的變化，要根據(jù)調(diào)整時實時監(jiān)測溫度進行理論線形和預(yù)偏量的修正計算，使實測線形和理論線形偏差符合規(guī)范和設(shè)計的要求，達到最終調(diào)整目的。

索股線形調(diào)整到位后，應(yīng)進行穩(wěn)定性監(jiān)測，一般要求3 天～7 天?；鶞仕鞴烧{(diào)整測量方法與索股架設(shè)測量、穩(wěn)定性監(jiān)測方法一致，均采用三角高程中間法進行測量。索股調(diào)整通過索鞍位移進行調(diào)整，調(diào)整一次，測量一次索股線形，直至索股線形調(diào)整到位。本橋基準索股調(diào)整到位后，與理論值進行對比，見表2。

表2 基準索股理論值與實測值對比

調(diào)整完畢后的主纜基準索股實測標(biāo)高與理論標(biāo)高絕對差值為-11mm～8mm，上下游索股相對高差為-2mm～4mm，滿足工程質(zhì)量驗收規(guī)范“中跨跨中小于/20000=30mm、邊跨跨中小于/10000=60mm，上下游基準索股相對高差±10mm”的要求，驗證了該控制方法在實際工程施工過程中運用的準確性。

一般索股線形的測量可采用相對法，測量儀器宜用精度不低于±2 mm～±3 mm 的大型游標(biāo)卡尺。具體測量方法為基準索股作為參照物不變，通過基準索股與一般索股的高差來調(diào)整一般索股線形。調(diào)整過程中應(yīng)盡量保持索股溫度一致，如不一致時須考慮溫差的修正。一般索股架設(shè)是采用參考法，所以索股線形只是相對高差進行控制，無須單獨測試一般索股線形。

另外，在架設(shè)一般索股過程中，需要定期對基準索股線形進行監(jiān)測，測量方法和架設(shè)時一樣，其目的是便于分析基準索股線形是否有發(fā)生變化，本橋在架設(shè)一般索股過程中基準索股線形未發(fā)生變化。

上、下游索股相對線形可采用液體靜力水準儀進行測量，測量精度為±3 mm。具體測量方法在主跨、邊跨跨中位置進行相對線形測量，量取橡膠管兩端的水柱面與索股測點之間的高差，以確定上游和下游索股的相對線形。同時與三角高程測量結(jié)果進行對比，兩者測量結(jié)果基本相符，且誤差均在1 cm 以內(nèi)，說明該監(jiān)測方法能滿足索股架設(shè)過程中控制要求，詳細結(jié)果見表3。

表3 上下游索股相對偏差

根據(jù)實測索塔間距、鞍座坐標(biāo)、索股溫度，通過理論計算各跨基準索股的理論控制線形和跨中點標(biāo)高。

索股矢度調(diào)整仍宜選擇在夜間溫度穩(wěn)定時進行。本橋矢高調(diào)整后，主纜索股實測標(biāo)高與理論標(biāo)高絕對差值為-11 mm～8 mm，矢高誤差小于規(guī)范±/10000=60 mm 的要求（為中跨的主纜跨度）。

調(diào)整之前，應(yīng)測量大氣溫度和索股溫度。調(diào)整時的溫度控制條件分為長度和斷面兩個方向。

溫度變化：Δ長度方向≤2°C；Δ斷面方向≤1°C。主纜架設(shè)后，主纜對橋塔的約束作用增強，須觀測日照對橋塔頂水平位移的影響情況。1）橋塔塔頂?shù)淖鴺?biāo)監(jiān)測，在塔頂兩側(cè)分別布置一個監(jiān)測點，頻率為一次/半個月；2）橋塔基礎(chǔ)和錨碇的沉降監(jiān)測，頻率為一次/3 個月。

3.2 主纜錨跨張力監(jiān)控

主纜錨跨張力和鞍座位置對主纜線形起決定性作用，錨跨張力的準確與否決定主纜成纜線形是否滿足要求。因此，在主纜施工過程中，需要對主纜的初張力進行測量，測量方法為在錨碇處選取部分索股，在索股張拉端安裝壓力傳感器，測量索股錨跨張力。

本橋主纜索股共計65 束，選取1 號、33 號、65 號索股進行錨跨張力測量，每根主纜兩端各布置一個測點，共計12 個測點，測點布置如圖3 所示。在施工過程中，應(yīng)在各重點施工節(jié)點進行張力監(jiān)控測量，如空纜狀態(tài)、鋼箱梁吊裝以及橋面鋪裝等。

圖3 主纜橫斷面測點布置示意圖

壓力傳感器須根據(jù)本橋?qū)嶋H尺寸及索股初張力設(shè)計值進行選取，安裝前須標(biāo)定，安裝采用焊接，長期漂移很小， 5 年不超過0.5%F.S.。主纜錨跨張力結(jié)果見表4。

表4 主纜錨跨張力實測值與設(shè)計值對比

主纜錨跨張力偏差范圍為-2.8 kN～5.6 kN，偏差率為-1.5%～3.3%，可見，錨跨張力實測值與理論值吻合較好，索力誤差小于規(guī)范中±10%的要求。

3.3 溫度場測量

大跨懸索橋作為結(jié)構(gòu)非線性的代表，施工過程中纜索、混凝土等材料在溫度作用下變形十分敏感，因此，在懸索橋施工監(jiān)控過程中，主纜溫度場測量也是主纜施工監(jiān)控的重點工作。

主纜共設(shè)置5 個溫度測點，分布于四周和中間，將溫度傳感器提前預(yù)埋。測點布置如圖4 所示?；鶞仕鞴膳c一般索股溫度測量，測量斷面設(shè)置在邊跨以及中跨跨中處，同時應(yīng)對大氣溫度進行測量和記錄。

圖4 主纜溫度測試點布置示意

主纜溫度場測量采用智能溫度傳感器，精度要求±0.5℃，線性誤差要求±0.5℃。具體測量方法為傳感器提前預(yù)埋進主纜，并用外接讀數(shù)儀進行測量。

3.4 主纜線形監(jiān)控

在主纜架纜過程中，應(yīng)定期對基準索股線形、索塔傾斜進行監(jiān)測，確保主纜成型后的線形與設(shè)計相符，主纜架設(shè)完成后對空纜線形、索塔傾斜及跨徑進行實測，獲得空纜狀態(tài)下的各結(jié)構(gòu)位置關(guān)系，成纜后空纜實測標(biāo)高與理論標(biāo)高絕對差值為-32 mm～34 mm，誤差小于規(guī)范±/10000=60 mm 的要求，為后續(xù)橋梁施工提供可靠的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

通過對大跨徑懸索橋主纜施工監(jiān)控技術(shù)分析，總結(jié)出以下3 個要點：1）懸索橋主纜無應(yīng)力索長計算時，主纜的真實線形采用分段懸鏈線比拋物線計算更精確，同時建議采用多種分析軟件進行監(jiān)控復(fù)核計算，保證計算的準確性。2）大跨徑懸索橋基準索股線形測量，可采用三角高程中間法和液體靜力水準測量，提高線形測量精度。3）懸索橋主纜施工監(jiān)控，還需對主纜索力、溫度等參數(shù)進行監(jiān)測，并根據(jù)相應(yīng)參數(shù)進行修正，才能保證主纜成纜后空纜線形符合設(shè)計要求。