主跨150m自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換施工監(jiān)控實(shí)踐研究

梁家熙 彭世杰 劉 陽(yáng)

（珠海交通集團(tuán)有限公司，廣東 珠海 519000）

自錨式懸索橋多采用“先梁后纜，再?gòu)埨跛鳌钡氖┕すば?，通過(guò)張拉吊索逐漸將主梁自重轉(zhuǎn)換到主纜上，實(shí)現(xiàn)全橋的體系轉(zhuǎn)換，在吊索張拉過(guò)程中主纜幾何非線(xiàn)性突出，吊索索力相互影響，過(guò)程控制難度大[1]。體系轉(zhuǎn)系既是自錨式懸索橋的施工難點(diǎn)，又是施工監(jiān)控的關(guān)鍵工作。該文以一座主跨150m的雙塔自錨式懸索橋?yàn)楸尘埃瑢?duì)該工程中所做的體系轉(zhuǎn)換施工監(jiān)控實(shí)踐研究工作進(jìn)行總結(jié)。

1 工程概況

該文所研究的雙塔自錨式懸索橋全長(zhǎng)294m，跨徑組成為（32+40+150+40+32）m，矢跨比為1/5.3，全橋共設(shè)2根平行鋼絲主纜，主跨側(cè)設(shè)28對(duì)鍍鋅高強(qiáng)鋼絲吊索，主跨采用鋼-混疊合梁，邊跨及次邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，主塔及邊墩上設(shè)約束橫向位移的支座及縱向阻尼器，橋型立面布置如圖1所示。

圖1 橋型立面布置圖（單位：m）

大橋總體采用“先塔梁同步施工、再掛設(shè)主纜、最后張拉吊索（體系轉(zhuǎn)換）”的施工工序，在吊索張拉完成后大橋完成體系轉(zhuǎn)換。該文針對(duì)在大橋體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中的主纜掛設(shè)控制、索夾定位及安裝復(fù)核、吊索張拉及索鞍頂推、二輪調(diào)索等施工監(jiān)控要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

2 有限元仿真分析計(jì)算

該文先基于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法[2]，根據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用有限元軟件MIDAS CIVIL建立仿真計(jì)算的成橋狀態(tài)模型，其中主梁、橋塔均采用空間梁?jiǎn)卧M，主纜、吊索采用索單元模擬，邊墩及次邊墩實(shí)際支承條件采用一般支承模擬，計(jì)算模型如圖2所示；再通過(guò)倒裝分析法確定空纜線(xiàn)形；最后以空纜狀態(tài)作為初始狀態(tài)，通過(guò)正裝分析法對(duì)大橋體系轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行仿真分析，確定體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中的關(guān)鍵理論參數(shù)。

圖2 全橋有限元分析模型

3 主纜掛設(shè)控制

通過(guò)有限元分析可計(jì)算出主纜中心索股的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度，再根據(jù)錨端及主索鞍處主纜的空間位置分布對(duì)各索股的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算，確定主纜各索股的下料長(zhǎng)度[3]。

當(dāng)主纜掛設(shè)時(shí)，以底緣的索股作為基準(zhǔn)索股，考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度偏差對(duì)主纜垂度的影響[4]，以主、邊跨的跨中垂點(diǎn)為控制測(cè)點(diǎn)進(jìn)行主纜掛設(shè)控制。在基準(zhǔn)索股架設(shè)完成后，分別在主、邊跨的跨中垂點(diǎn)處布設(shè)自動(dòng)化溫度傳感器（圖3），并采用測(cè)量機(jī)器人，以每小時(shí)1次的監(jiān)測(cè)頻率同時(shí)測(cè)量基準(zhǔn)索股垂點(diǎn)高程及溫度變化；分析連續(xù)72h監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在確定中、邊跨垂點(diǎn)高程與溫度的實(shí)際相關(guān)性后，對(duì)基準(zhǔn)索股的垂點(diǎn)定位進(jìn)行再次調(diào)整。采用與相鄰索股“若即若離”的原則，完成其余一般索股的掛設(shè)。在緊纜后，測(cè)量復(fù)核主纜中跨垂點(diǎn)高程，實(shí)測(cè)高程與理論高程偏差僅為3mm。

圖3 自動(dòng)化溫度傳感器布置圖（單位：m）

4 索夾定位及安裝復(fù)核

主纜的大位移效應(yīng)導(dǎo)致索夾安裝前須先在空纜狀態(tài)下在主纜上放樣標(biāo)記全部索夾的安裝位置，方便準(zhǔn)確安裝索夾。該文先計(jì)算出索夾從空纜狀態(tài)到成橋狀態(tài)的累計(jì)縱向、橫向位移，再將索夾的成橋狀態(tài)坐標(biāo)與累計(jì)位移相減得到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度下的空纜索夾定位坐標(biāo)；在實(shí)際索夾位中還需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度間的差異來(lái)對(duì)索夾定位坐標(biāo)進(jìn)行溫度修正?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際索夾定位坐標(biāo)如公式（1）所示。

式中：x0、y0為空纜狀態(tài)下索夾縱向、橫向定位坐標(biāo)；xc、yc為成橋狀態(tài)下索夾縱向、橫向位置坐標(biāo)；?x、?y為空纜狀態(tài)到成橋狀態(tài)的累計(jì)縱向、橫向位移；T實(shí)際、T設(shè)計(jì)分為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度；?x溫、?y溫為每升溫1℃空纜狀態(tài)下索夾的位移變化。

在索夾全部安裝后須再次測(cè)量復(fù)核索夾實(shí)際安裝位置，糾正放樣、安裝的偏差。索夾安裝后的理論位置可通過(guò)計(jì)算空纜狀態(tài)到索夾安裝后的位置變化和溫度偏差修正來(lái)得到。經(jīng)過(guò)復(fù)核和糾偏，背景橋索夾安裝后的縱向?qū)嶋H坐標(biāo)與理論坐標(biāo)偏差為-11mm～12mm，橫向?qū)嶋H坐標(biāo)與理論坐標(biāo)偏差為-2mm～2mm，位置偏差滿(mǎn)足設(shè)計(jì)文件的相關(guān)要求。

5 吊索張拉及索鞍頂推

5.1 吊桿張拉及控制原則

吊索張拉是自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換中最關(guān)鍵的施工步驟，通過(guò)分批張拉吊索，將主跨主梁質(zhì)量通過(guò)吊索傳遞至主纜，再經(jīng)由主纜傳遞至索塔及邊跨主梁。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力和施工特點(diǎn)，吊索張拉及控制應(yīng)遵循以下原則：1）應(yīng)確保整個(gè)過(guò)程中吊索的強(qiáng)度安全系數(shù)滿(mǎn)足《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D65—05—2015）[5]中的相關(guān)要求。2）在吊索張拉過(guò)程中，塔頂索鞍處于鎖定狀態(tài)，為平衡索鞍兩側(cè)主纜水平力，索塔塔身彎矩逐漸增大，須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)進(jìn)行索鞍頂推，釋放塔身彎矩或預(yù)存一定的反向彎矩來(lái)避免塔身開(kāi)裂[6]。3）隨著吊索張拉，主纜在索鞍處產(chǎn)生的豎向力將逐漸增大，索鞍與底板間的摩阻力也逐漸增大，索鞍頂推宜盡早進(jìn)行。4）應(yīng)確保主梁在整個(gè)過(guò)程中的受力安全。5）張拉方案宜依序連續(xù)作業(yè)，盡量減少設(shè)備投入量和設(shè)備搬移次數(shù)。6）吊索控制“以無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度控制為主、以索力控制為輔”。

5.2 吊索張拉方案

根據(jù)前述吊索張拉及控制原則，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，采用4套200t張拉設(shè)備，按D14吊索至D1吊索的順序進(jìn)行逐對(duì)吊索掛設(shè)和張拉，具體張拉方案見(jiàn)表1。

表1 吊索張拉及索鞍頂推控制表

5.3 索塔塔身受力分析

根據(jù)表1的張拉方案，以索塔的塔根以及塔梁交界處較為薄弱的截面作為控制截面進(jìn)行受力分析，分析結(jié)果如圖4所示。分析結(jié)果表明，吊索張拉過(guò)程中，索塔控制截面的最大拉應(yīng)力為1.82MPa，最大壓應(yīng)力為6.13MPa，未超過(guò)塔身C50混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；在吊索張拉完成后，索塔控制截面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，塔身受力狀態(tài)合理。

圖4 吊索張拉過(guò)程中索塔控制截面最大、最小應(yīng)力圖

5.4 吊索索力分析

由表1的張拉方案可知，每根吊索均以錨頭拔出量控制為主，一次將吊索張拉到位。經(jīng)有限元計(jì)算分析，隨著吊索逐對(duì)張拉，臨時(shí)支墩所承受的中跨主梁自重逐步向主纜轉(zhuǎn)移，當(dāng)完成D7吊索張拉后，中跨主梁開(kāi)始逐漸脫架；但在主梁逐漸脫架的過(guò)程中，由于分擔(dān)主梁自重的吊索數(shù)量少于體系轉(zhuǎn)換完成后的吊索數(shù)量，部分吊索的索力值較大，甚至可能超過(guò)其設(shè)計(jì)承載能力限值，因此需要計(jì)算吊索張拉過(guò)程中各吊索的最大索力，確保其強(qiáng)度安全系數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。吊索張拉過(guò)程中各吊索的最大索力值和強(qiáng)度安全系數(shù)如圖5所示，D1～D14吊索的最大索力為1819kN，D1～D14吊索的最小強(qiáng)度安全系數(shù)為2.0，滿(mǎn)足《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》中施工過(guò)程強(qiáng)度安全系數(shù)不小于1.21的要求。

圖5 吊索張拉過(guò)程中各吊索最大索力值

6 二輪調(diào)索

受到上下錨點(diǎn)位置偏差、吊索張拉偏差等影響，第一輪吊索張拉后的橋梁實(shí)際狀態(tài)與理論狀態(tài)存在一定偏差，需要通過(guò)二輪調(diào)索使橋梁的實(shí)際狀態(tài)盡量逼近理論狀態(tài)。根據(jù)實(shí)際施工情況，背景橋的二輪調(diào)索步驟如下：1）在第一輪張拉后，先對(duì)主梁線(xiàn)形、主纜線(xiàn)形以及吊索索力等重要控制指標(biāo)進(jìn)行通測(cè)復(fù)核，找出偏差并分析偏差形成的原因。2）通過(guò)有限元分析確定每根吊索索力間以及每根吊索索力與主梁線(xiàn)形間的影響矩陣。3）以主梁線(xiàn)形平順、吊索索力合理為控制目標(biāo)，利用影響矩陣法[7]，通過(guò)調(diào)整最少數(shù)量的吊索來(lái)完成橋梁狀態(tài)調(diào)整。4）在調(diào)索完成后，對(duì)主梁線(xiàn)形、主纜線(xiàn)形以及吊索索力等進(jìn)行再次通測(cè)復(fù)核，若偏差滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，則二輪調(diào)索完成，若偏差未能滿(mǎn)足要求則重復(fù)2）～4）直至滿(mǎn)足要求。

經(jīng)二輪調(diào)索后，背景橋中跨主梁線(xiàn)形平順，實(shí)測(cè)線(xiàn)形與理論線(xiàn)形偏差為-4mm～11mm；長(zhǎng)吊索D1～D9的實(shí)測(cè)索力與理論索力偏差為-9.4%～9.9%；左、右幅主纜中跨跨中垂點(diǎn)高程偏差分別為-18mm、-19mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)文件中垂點(diǎn)高程偏差不大于±20mm的要求。二輪調(diào)索達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

7 結(jié)語(yǔ)

該文基于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法來(lái)建立背景橋的有限元成橋模型，通過(guò)倒拆分析法確定空纜狀態(tài)，再以空纜狀態(tài)為初始狀態(tài)通過(guò)正裝分析法對(duì)大橋體系轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行仿真分析。該文通過(guò)自動(dòng)化溫度傳感器及測(cè)量機(jī)器人經(jīng)72小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)后確定了基準(zhǔn)索股垂點(diǎn)高程和溫度變化的實(shí)際相關(guān)性，緊纜后的中跨垂點(diǎn)實(shí)測(cè)高程與理論高程偏差僅為3mm。該文介紹了考慮溫度修正的索夾放樣坐標(biāo)及安裝后坐標(biāo)的計(jì)算方法，經(jīng)復(fù)核、糾偏后，索夾安裝位置偏差滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。該文介紹了吊索張拉及控制原則，并根據(jù)該原則制定了吊索張拉方案；針對(duì)該方案對(duì)吊索張拉過(guò)程中的塔身受力和吊索索力進(jìn)行計(jì)算分析，在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中塔身控制截面最大拉、壓應(yīng)力未超過(guò)其設(shè)計(jì)值，在體系轉(zhuǎn)換后塔身控制截面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，吊索索力的施工過(guò)程強(qiáng)度安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范的相關(guān)要求。該文根據(jù)背景橋施工情況進(jìn)行了二輪調(diào)索。在體系轉(zhuǎn)換完成后，主梁線(xiàn)形平順，吊索索力偏差小于10%，主纜中跨跨中垂點(diǎn)高程偏差滿(mǎn)足設(shè)計(jì)文件要求，二輪調(diào)索達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。