曹 競(河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司, 河南 鄭州 450002)

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潮河大橋基準索股架設(shè)計算與控制

曹 競
(河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司, 河南 鄭州 450002)

以潮河大橋多塔地錨式懸索橋為例,著重介紹基準索股控制和索股線形的計算方法.闡述了溫度對控制點垂度的影響和基準索股架設(shè)調(diào)整方案.結(jié)果表明,基準索股架設(shè)控制效果良好,可為類似工程提供借鑒參考.

懸索橋; 基準索股; 施工控制; 溫度

懸索橋作為一種橋型優(yōu)美的橋梁,以其結(jié)構(gòu)造型美觀、經(jīng)濟性能較好、對地形和地質(zhì)狀況適應(yīng)性強等優(yōu)點越來越受到工程界的青睞[1-3].然而,通過目前掌握的資料來看,國內(nèi)外建成的多塔懸索橋尚不多見,國外已有的多塔連跨懸索橋工程實例還僅限于中小跨度(最大跨度210 m),國內(nèi)已建成的多塔懸索橋有3～4座,最大跨徑可達上千米[4].

1951年法國建成三塔四跨懸索橋Chatillon橋,橋跨布置為(92+2×76+92)m,橋塔為圬工結(jié)構(gòu).1961年日本建成的第1座三塔四跨懸索橋是小鳴門橋,橋跨布置為(70.6+2×160+50.8)m,橋?qū)? m,中塔為鋼筋混凝土塔,主纜在中塔處斷開并錨固于中塔.2007年泰州長江公路大橋正式開工建設(shè),主橋采用三塔兩跨懸索橋,由橋墩來支承兩邊跨,橋跨布置為(390+2×1 080+390)m,橋塔為縱向呈人字形的全鋼中塔,加勁梁選用3.5 m高鋼箱梁,主纜矢跨比為1/9[5].2008年開始建設(shè)的馬鞍山大橋的左汊主橋采用三塔兩跨懸索橋,由橋墩來支承兩邊跨,橋跨布置為(360+2×1 080+360)m.中塔采用I字形鋼混結(jié)合塔,采用塔梁固結(jié)體系,加勁梁為扁平流線型鋼箱梁,主纜矢跨比為1/9[6].2010—2014年建設(shè)的鸚鵡洲長江大橋主橋采用跨徑(225+2×850+225)m三塔四跨鋼板結(jié)合梁懸索橋.

1 工程簡介

鄭州市國家經(jīng)濟開發(fā)區(qū)經(jīng)南八路潮河大橋是一座三塔四跨地錨式懸索橋,孔徑布置為(64+136+136+64)m,全長400 m.主跨主纜理論跨徑136 m,理論垂度為27.2 m,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.主塔為魚腹式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),主梁采用鋼箱梁,在邊、中塔下橫梁處設(shè)隔震支座,限制鋼箱梁三向線位移.主纜經(jīng)中塔、邊塔塔頂鞍座、邊墩頂散索鞍座轉(zhuǎn)向后錨固在混凝土錨碇內(nèi),錨碇結(jié)構(gòu)與橋臺基礎(chǔ)合二為一進行整體設(shè)計.橋面總寬度為45 m,組成為6 m(慢行交通)+5 m(吊索區(qū))+23 m(機動車)+5 m(吊索區(qū))+6 m(慢行交通)(如圖1所示).

全橋共兩根主纜,采用預(yù)制平行索股法架設(shè)(PPWS),每根主纜含19股平行鋼絲索股,每股含127根φ5 mm的鍍鋅高強鋼絲,每根主纜共2 413絲,豎向排列成尖頂?shù)恼呅?鋼絲抗拉強度1.670 GPa,緊纜后主纜為圓形,直徑為271.2 mm(索夾處)和274.6 mm(索夾間).

2 施工控制參數(shù)的確定

由于懸索橋獨特的結(jié)構(gòu)形式和受力特點,主纜的架設(shè)施工成為懸索橋施工控制的重點和難點[7].主纜的線形控制包括兩個步驟:基準索股的架設(shè)控制和其他一般索股的線形控制.架設(shè)基準索股之后,即可以按照若即若離原則安裝其他索股,因此基準索股的施工控制是整個主纜線形控制的關(guān)鍵.懸索橋施工控制計算和測量的難度及工作量都比常規(guī)橋型大,在基準索股架設(shè)之前,有兩方面的工作必須要做[8]:一是基準索股線形和控制點坐標計算;二是施工參數(shù)的收集.不同的計算方法會造成控制方法和結(jié)果的不同,而控制參數(shù)是否精確又決定了施工控制的精確度.

圖1 潮河大橋橋型布置圖Fig.1 Bridge layout and arrangement diagram of Chaohe Bridge

主纜安裝之前主塔、錨碇等已經(jīng)就位,主索鞍與散索鞍安裝時要考慮建成橋塔的偏位與壓縮,盡量消除前期施工誤差的影響,控制方法是調(diào)整主索鞍和散索鞍的IP點.主纜IP點[9]是一個虛擬點,表示不同跨主纜中心線在主索鞍和散索鞍轉(zhuǎn)折處的交點,也是主纜索股與索鞍的理論交點.主纜在IP點受主塔通過索鞍傳遞的支撐力,相鄰IP點之間的主纜索股在空纜時呈懸鏈線分布,成橋為分段懸鏈線形.根據(jù)實測鞍座坐標、高程調(diào)整安裝,使索鞍IP點與設(shè)計IP點盡量重合,可以最大限度地消除施工誤差.索鞍安裝之后,再次精確測量索鞍的安裝位置,推算實際IP點三維坐標,計算施工誤差,根據(jù)誤差調(diào)整計算模型中主纜的邊界條件,得出新的控制點坐標.

設(shè)計計算時一般將模型置于基準溫度下.在實際施工時,索股線形容易受溫度與日照的影響發(fā)生變化[10].另外,影響索股線形的是主塔索鞍IP點坐標,此點依附于橋塔,而混凝土橋塔也會受溫度和日照影響發(fā)生偏位,收縮徐變也會引起塔頂高程變化,所有這些實際與計算模型的差異都會造成控制點坐標的變化,在基準索股架設(shè)時一定要考慮進去.

3 索股線形計算方法

基準索股線形計算的基本原則是無應(yīng)力長度不變.即索股在兩點之間的無應(yīng)力長度確定后,無論在何種狀態(tài)下其無應(yīng)力長度均為定值.依據(jù)此原則可以分析主纜在溫度、載荷等作用下的內(nèi)力及變形[11].現(xiàn)代懸索橋一般使用高強鍍鋅鋼絲制作主纜,對于大跨度懸索橋,認為跨度范圍內(nèi)主纜抗彎剛度極小,計算時作為柔性索,并有以下假定[12].

(1) 索為理想柔性,不承擔彎矩,只考慮拉力;

(2) 主纜材料完全符合胡克定律,不考慮材料的非線性;

(3) 主纜索股在受力過程中截面性質(zhì)不發(fā)生變化.

圖2為同時承受橫向與縱向均布載荷的一根懸索,由于假定索為理想柔性,拉力T方向與索相切,列出靜力平衡條件.

圖2 均布載荷作用下懸索微段單元

一般只考慮豎向載荷,即認為qx=0,根據(jù)式(1)推出張力T的水平分力H為定值,式(2)寫成:

若q沿任意的曲線S分布,則有:

將式(4)代入式(1),得:

對豎向載荷進行不同簡化,所得的線形也不同.若q=0,則索曲線退化為直線;若q沿跨度均布,則索股成為拋物線;若q曲線與索曲線重合,則載荷沿索形分布,索曲線成為懸鏈線.一般而言,懸鏈線狀態(tài)最接近懸索實際載荷狀態(tài).但是對于小跨徑懸索橋而言,拋物線法與分段懸鏈線計算結(jié)果十分相近,可以滿足施工控制精度需要.本橋使用傳統(tǒng)拋物線理論進行基準索股線形計算.

拋物線理論認為主纜自重與其他恒載相比影響很小.因此,可將恒載簡化為沿跨度均布,不考慮主纜增長對載荷曲線的影響.

如圖3所示,將成橋狀態(tài)下載荷換算為計算均布載荷q,f為跨中垂度,C為兩相鄰塔的高差,L為計算跨徑,T為主纜索力,H為主纜索力水平分力.支點處的邊界條件

圖3 拋物線計算理論圖Fig.3 Diagram of parabola theory

拋物線曲線方程為

主纜索長

(8)

S=

(9)

拋物線主纜伸長量

主纜無應(yīng)力長度

有了索股曲線方程就可以計算出基準索股無應(yīng)力索長、內(nèi)力、伸長量和任一點的坐標.

4 基準索股控制計算方法[13-15]

索股線形發(fā)生變化時各跨跨中點的坐標與高程都會發(fā)生變化.一般在工程上用兩種方式確定控制點.第一種方法是選取索股跨中處的某固定點,為便于計算,一般是主纜中點,在此點做好標記,每次測量時都將棱鏡放在這一固定位置,測量該點的里程與高程,并且通過有限元計算得出每次調(diào)整時坐標變化情況,將實際里程、高程調(diào)整到計算目標值即可.第二種方法是固定索股跨中里程位置,每次通過全站儀放樣確定此點位置,然后測量此點高程,結(jié)合計算結(jié)果調(diào)整索股,將此點高程調(diào)整到計算目標值.兩種方法均能實現(xiàn)高精度施工控制,且各有優(yōu)點,第一種方法不用每次放樣,可以快速確定目標點,缺點在于需要每次變化后的里程和高程計算結(jié)果,每次控制兩個因素;第二種方法只需要控制固定里程處的高程,計算工作量稍小,缺點在于每次調(diào)整索股線形后都需要重新放樣才能確定目標點位置,而且后期測量時也需要放樣.實際上控制點是不停在變化的,本橋采用第二種控制方法.

基準索股線形調(diào)節(jié)一般是先中跨、再邊跨,測量時采用絕對垂度測量,固定跨中點里程后,通過調(diào)節(jié)主索鞍處索長來調(diào)節(jié)跨中高程.控制點高程值主要受溫度與索長變化影響,計算出溫度變化對控制點高程影響,即可得到不同溫度下的高程值;計算出索長變化對控制點高程影響,即可得到高程調(diào)節(jié)方法.實際計算時也要考慮溫度影響下主塔變位造成的跨度變化對控制點高程的影響.

4.1 基準索股垂度受跨度誤差的影響

按載荷沿弦長分布、索股線形滿足式(7),將式(9)中f看做是L的函數(shù)進行微分,得到垂度與跨度關(guān)系如下:

(12)

得出潮河大橋邊、中跨垂度隨跨度變化關(guān)系:

4.2 基準索股垂度受索長誤差的影響

將式(9)中f看做S的函數(shù)進行微分,得到垂度與索長關(guān)系

經(jīng)計算,索股跨中垂度調(diào)整量與索長變化量的關(guān)系如下.

中跨Δf=1.097ΔS,即中跨索長增加1 cm,跨中垂度降低1.097 cm;索長減少1 cm,跨中垂度抬高1.097 cm.

邊跨Δf=2.668ΔS,即邊跨索長增加1 cm,跨中垂度降低2.668 cm;索長減少1 cm,跨中垂度抬高2.668 cm.

4.3 基準索股垂度受溫度誤差的影響

潮河大橋設(shè)計計算基準溫度為15 ℃,但在實際施工時,基準索股架設(shè)的環(huán)境溫度與基準溫度有差異,架設(shè)基準索股前必須考慮溫度誤差影響.主纜垂度與溫度變化關(guān)系式可由索長變化量與溫度關(guān)系式ΔS=α·ΔT·S直接導出.

不同施工溫度下,基準索股控制點高程不同.經(jīng)計算,高程變化值Δh(m)與溫度變化值ΔT(℃)關(guān)系如下:

中跨Δh=-0.001 954 6ΔT;

邊跨Δh=-0.002 766 4ΔT.

ΔT為架設(shè)基準索股時纜索實測溫度與設(shè)計基準溫度的差值.

5 潮河大橋基準索股架設(shè)控制

5.1 基準索股線形調(diào)整方案

在施工步道架設(shè)前,主塔處于自由狀態(tài)下,需要進行全天候觀測,取得溫度變化、光照角度與主塔變位資料,盡可能在溫度變化不大且無日照的陰天作竣工測量,精密做出墩中心十字線和鞍座十字線.基準束安裝后,精密測量中跨、邊跨的跨距資料,并記錄測量時的溫度,根據(jù)這些資料計算基準索股的空載線形.調(diào)整時間,選擇在溫度影響較少的夜間進行,溫度穩(wěn)定條件為長度方向索股溫差小于2 ℃,橫向索股溫差小于1 ℃.跟蹤測量氣溫變化、束溫變化、撓度變化情況,分析判定基準索股的線形與設(shè)計線形是否一致,若有出入,應(yīng)于下一工作夜間繼續(xù)觀測調(diào)整.

調(diào)整順序為先中跨、后邊跨,調(diào)整好的索股不得在鞍槽內(nèi)滑移.索力的調(diào)整以設(shè)計提供的數(shù)據(jù)為依據(jù),其調(diào)整量應(yīng)根據(jù)調(diào)整裝置中測力計的讀數(shù)和錨頭移動量雙控確定.其精度要求為實際拉力與設(shè)計值之間的允許誤差為設(shè)計錨固力的3%.

基準索股標高必須連續(xù)3 d在夜間溫度穩(wěn)定時進行測量,三次測出結(jié)果誤差在容許范圍內(nèi)時,取三次的平均值作為該基準索股的高程.高程穩(wěn)定后方可認為調(diào)整完成.

本橋垂度調(diào)整控制標準即基準索股高程允許誤差如下:中跨跨中6.8 mm,邊跨跨中13.6 mm,上下游基準索股高差10 mm.

5.2 架設(shè)過程溫度控制

在主纜生產(chǎn)時,要求生產(chǎn)單位同時制作2 m長的主纜索股節(jié)段作為測溫索,與主纜一同運至現(xiàn)場,用以觀測現(xiàn)場主纜溫度變化.根據(jù)溫度觀測記錄,晚21∶30～凌晨01∶30期間最高溫度與最低溫度不超過1 ℃,溫度變化比較均勻,是進行索股調(diào)整的最佳時段.

按照方案,夜間進行基準索股調(diào)整,將控制點調(diào)至設(shè)計高程.開始架設(shè)主纜基準索股后,連續(xù)3 d進行基準索股高程觀測,高程控制點標記在索股上表面,基準索股的溫度根據(jù)測溫索的無線測溫系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、大氣溫度及主纜表面溫度綜合選取,觀測結(jié)果如下表1～表3所示.可以看出,經(jīng)3 d連續(xù)觀測,基準索股高程變化均在允許誤差范圍內(nèi),基準索股線形控制效果良好.

表1 第1 d基準索股控制點觀測結(jié)果(觀測溫度:3℃)Table 1 Control points observation results of datum strand on the first day(Temperature: 3 ℃) m

表2 第2 d基準索股控制點觀測結(jié)果(觀測溫度:4 ℃)Table 2 Control points observation results of datum strand on the second day(Temperature: 4 ℃) m

表3 第3 d基準索股控制點觀測結(jié)果(觀測溫度:4 ℃)Table 3 Control points observation results of datum strand on the third day(Temperature: 4 ℃) m

6 結(jié) 語

(1) 潮河大橋為中小跨徑懸索橋,采用拋物線理論進行基準索股線形理論計算,考慮了跨度誤差、索長誤差和溫度等因素影響,完全可以滿足施工控制精度的需要.

(2) 潮河大橋基準索股架設(shè)線形調(diào)整采用放樣索股跨中里程位置,測量該點高程到計算目標值.實測數(shù)據(jù)表明,基準索股高程變化處于規(guī)范允許誤差范圍內(nèi),基準索股架設(shè)控制效果良好.

(3) 本工程采用的基準索股線形調(diào)整方法原理簡明、實用性強,適合中小跨度懸索橋,值得類似工程借鑒參考.

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【責任編輯: 趙 炬】

Calculation and Control of Datum Strand Erection of Chaohe Bridge

CaoJing

(Henan Provincial Communications Planning Survey & Design Institute Co. Ltd., Zhengzhou 450002, China)

Taking the self-anchored suspension bridge of Chaohe Bridge as an example, the calculation method of datum strand control and cable strands are mainly introduced.The temperature influence on strand sag at control points and datum strand erection adjustment scheme is expounded. The results show that the control effect of the datum strand erection is good, which can provide reference for similar projects.

suspension bridge; datum strand; construction control; temperature

2016-07-23

曹 競(1983-),男,河南永城人,河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司工程師.

2095-5456(2017)03-0238-06

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