姜 霖

(大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧大連 116024)

獨(dú)塔自錨式混凝土懸索橋的施工控制

姜 霖

(大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧大連 116024)

以臨沂市柳清河迎賓橋?yàn)楣こ虒?shí)例，介紹了該橋整個(gè)施工控制過(guò)程中的主要內(nèi)容和應(yīng)重視的問(wèn)題，為類似結(jié)構(gòu)的安全施工控制提供參考及借鑒。

懸索橋，成橋狀態(tài)主纜線形，吊桿張拉，施工控制

0 引言

為了保證自錨式懸索橋竣工后結(jié)構(gòu)的受力和變形盡量與理想的設(shè)計(jì)狀態(tài)一致，施工過(guò)程中的監(jiān)控工作顯得尤為重要。一般設(shè)計(jì)圖紙中僅給定理想狀態(tài)下自錨式懸索橋竣工后的內(nèi)力、線形，由于施工中所用材料的力學(xué)性能存在偏差，構(gòu)件制造安裝誤差，以及假定誤差等客觀因素，都會(huì)對(duì)自錨式懸索橋的內(nèi)力、線形造成影響，所以施工單位往往需要在施工控制單位的協(xié)助下才能完成懸索橋的施工。此外根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，精確的計(jì)算出各部分構(gòu)件在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的尺寸，以便指導(dǎo)施工前的下料工作也是施工控制的重要組成內(nèi)容［1-3］。

1 工程概況

迎賓橋位于臨沂市柳清河下游地段，橋梁結(jié)構(gòu)采用獨(dú)塔雙索面自錨式混凝土懸索橋形式，橋梁主跨為70 m，邊跨為25 m，主纜中心距32 m，吊索沿順橋向間距4 m。索塔采用歐式塔型，塔結(jié)構(gòu)總高34 m，橋面以上塔結(jié)構(gòu)高24．2 m(其中2．5 m為裝飾部分，橋面至主纜中心點(diǎn)為21．7 m);橫斷面上共兩個(gè)歐式塔，中間不設(shè)橫向連接。橋梁橫斷面寬43 m，上部加勁梁采用雙邊肋縱梁與吊桿間橫梁相交的框架體系，縱橫梁高度采用2．3 m，其間設(shè)置現(xiàn)澆鋼筋混凝土橋面板，橋面鋪裝采用7 cm厚瀝青混凝土。下部結(jié)構(gòu)主塔基礎(chǔ)采用φ150 cm的群樁，主跨橋臺(tái)采用鉆孔灌注樁，小邊跨橋臺(tái)采用半整體式重力橋臺(tái)。圖1和圖2分別為施工中的迎賓橋照片和立面布置圖。

圖1 施工中的迎賓橋

2 施工控制要點(diǎn)

混凝土自錨式懸索橋是由主纜、主梁、主塔、吊桿等構(gòu)件組成的柔性懸吊組合體系，此類橋型的施工控制由初始狀態(tài)的工程控制和施工中的工程控制兩部分組成。初始狀態(tài)的工程控制主要指的是：成橋狀態(tài)下主纜線形，主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度、空纜狀態(tài)線形、索鞍預(yù)偏量、索夾安裝位置、吊桿無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度等的計(jì)算和確定［4-6］。

混凝土自錨式懸索橋的施工順序是先澆筑主梁，等到主梁達(dá)到一定強(qiáng)度并張拉預(yù)應(yīng)力筋完成后，安裝索鞍和散索鞍，然后架設(shè)主纜、安裝索夾和吊桿，最后張拉吊桿，完成整個(gè)體系的轉(zhuǎn)換。其中吊桿張拉次序和每次張拉力的大小決定了最終的橋面線形是否到位，吊桿內(nèi)力值是否到量，同時(shí)主纜線形、主梁應(yīng)力、橋塔應(yīng)力和塔頂位移、索鞍頂推量等是否在允許的范圍內(nèi)，都屬于施工中的工程控制內(nèi)容。對(duì)于迎賓橋來(lái)說(shuō)，由于主跨與邊跨跨徑相差較大，設(shè)計(jì)方在邊跨一側(cè)的橋臺(tái)處增加了大量的拉桿將主梁與重力式橋臺(tái)錨固在一起，以起到壓重的作用，如何準(zhǔn)確及時(shí)的對(duì)這些拉桿進(jìn)行張拉，也是本橋施工控制的一個(gè)要點(diǎn)。

圖2 迎賓橋立面布置圖（單位：cm）

本橋的結(jié)構(gòu)受力具有平面桿系結(jié)構(gòu)受力特性，因此，整體結(jié)構(gòu)分析采用平面桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行。模型中的單元包括主梁、主塔、主纜、吊桿、支架等。單元和節(jié)點(diǎn)的劃分見(jiàn)圖3。圖中未示出支架等臨時(shí)性單元。整個(gè)施工過(guò)程采用Ansys有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。

圖3 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

2．1 初始狀態(tài)的工程控制

2．1．1 成橋狀態(tài)下主纜線形

成橋狀態(tài)下主纜線形是主纜設(shè)計(jì)的目標(biāo)和基礎(chǔ)，主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度、主纜的空纜線形、索鞍的預(yù)偏量、索夾的安裝位置、吊索的長(zhǎng)度均與成橋主纜線形有關(guān)，因此準(zhǔn)確的計(jì)算主纜成橋線形是施工控制的第一步［1-3］。

由于計(jì)算方法和細(xì)節(jié)的不同，設(shè)計(jì)方與施工控制方對(duì)于成橋主纜線形的計(jì)算結(jié)果往往會(huì)有細(xì)微的出入，作為施工控制單位，必須與設(shè)計(jì)方進(jìn)行詳細(xì)的溝通，以確定最為準(zhǔn)確的成橋主纜線形，為以后的施工控制實(shí)施打下良好的基礎(chǔ)。本橋采用了分段懸鏈線理論對(duì)成橋主纜線形進(jìn)行計(jì)算。

2．1．2 主纜的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)主纜的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度不變性原理，主纜的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)采用循環(huán)搜索法，利用非線性有限元程序進(jìn)行計(jì)算。該方法得到的主纜長(zhǎng)度精度較高，已經(jīng)在多座自錨式懸索橋的施工控制中采用并獲得了成功。根據(jù)上述理論可以計(jì)算迎賓橋中心索股的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度為112．584 m。

2．1．3 空纜線形與索鞍預(yù)偏量的計(jì)算

在成橋主纜線形和無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度完成后，根據(jù)主纜的矢跨比，可計(jì)算出空纜狀態(tài)的主纜線形。如果在施工過(guò)程中塔頂索鞍的位置處于固定不動(dòng)的狀態(tài)，邊跨與中跨主纜的水平分力將相差很多，從而引起主塔塔頂向主跨一側(cè)發(fā)生很大的位移，所以在施工一開(kāi)始我們?nèi)藶閷⑺靼跋蜻吙缫粋?cè)移動(dòng)一定的距離，隨著吊桿張拉工作的進(jìn)行，用千斤頂分多次將索鞍向主跨一側(cè)頂推至成橋位置，釋放該不平衡水平力，使兩側(cè)主纜水平分力平衡，從而保證了主塔的受力安全，因此，主纜空纜狀態(tài)的索鞍位置與成橋狀態(tài)是不一致的。首先通過(guò)“倒拆法”，釋放各吊桿力，以及主塔對(duì)索鞍的水平約束，得到主纜的空纜線形和索鞍的預(yù)偏量，然后在新的計(jì)算模型中采用“正裝法”驗(yàn)證該空纜線形和索鞍預(yù)偏量在成橋吊桿力下是否使主纜達(dá)到成橋線形，若能閉合，則準(zhǔn)確無(wú)誤的求得了空纜線形和索鞍的預(yù)偏量。同時(shí)，由于本橋是自錨式混凝土懸索橋，計(jì)算時(shí)要考慮梁端水平力和塔頂?shù)呢Q向力使主梁和橋塔產(chǎn)生了相應(yīng)的壓縮，所以在計(jì)算時(shí)要給予主梁和橋塔初應(yīng)變，否則倒拆和正裝的計(jì)算結(jié)果難以閉合，這是計(jì)算時(shí)需要注意的地方。

2．1．4 索夾安裝位置的計(jì)算

根據(jù)主纜各節(jié)段的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)可以得到索夾的安裝位置，對(duì)于在主纜中位于上下左右四邊的四根索股，在加工過(guò)程中應(yīng)要求給予醒目的標(biāo)記，用于索夾安裝時(shí)的快速定位，同時(shí)根據(jù)上述空纜線型的計(jì)算結(jié)果中各主纜節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，在施工中用全站儀進(jìn)行復(fù)核，以確保索夾安裝位置準(zhǔn)確。同時(shí)要注意的是由于吊桿的張拉，主纜內(nèi)的內(nèi)力不斷增加，導(dǎo)致主纜整體直徑的縮小從而引起索夾緊固力的不足，在吊桿張拉過(guò)程中應(yīng)根據(jù)索夾滑移實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)索夾進(jìn)行了多次緊固，以確保索夾與主纜間不會(huì)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。

2．1．5 吊桿無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的計(jì)算

成橋主纜線形的準(zhǔn)確計(jì)算，可以確定吊桿成橋狀態(tài)的理論長(zhǎng)度，再根據(jù)索夾的構(gòu)造、吊桿力以及吊桿兩端的構(gòu)造，可以準(zhǔn)確的計(jì)算吊桿去掉彈性伸長(zhǎng)量之后的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度。對(duì)于靠近主塔的吊桿，由于主纜在成橋和空纜狀態(tài)下豎向標(biāo)高相差很大，所以在施工開(kāi)始前應(yīng)提醒施工單位準(zhǔn)備相應(yīng)數(shù)量的接長(zhǎng)桿，以免因此在施工過(guò)程中耽誤工期。

2．2 施工中的工程控制

在主梁與主塔澆筑完畢并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在主梁預(yù)應(yīng)力筋張拉的同時(shí)，可以進(jìn)行索鞍和散索鞍的安裝工作，然后根據(jù)計(jì)算得到的空纜線形按照索股編號(hào)進(jìn)行主纜的架設(shè)，緊纜之后進(jìn)行索夾和吊桿的安裝，為吊桿的張拉工作做好準(zhǔn)備。對(duì)于混凝土自錨式懸索橋來(lái)說(shuō)，若將吊桿一次張拉到位，則在最先開(kāi)始張拉的吊桿中產(chǎn)生非常大的應(yīng)力，甚至超過(guò)吊桿的容許應(yīng)力，而且根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，一次張拉法容易在張拉最后幾根吊桿時(shí)，采用理論計(jì)算得到的張拉力，無(wú)法將主纜拉到相應(yīng)的標(biāo)高，甚至出現(xiàn)拉不動(dòng)的現(xiàn)象，這是由于混凝土自錨式懸索橋的幾何非線性和吊桿力大(主梁自重大)引起的，所以應(yīng)采用多次張拉法以保證施工的順利進(jìn)行。通過(guò)施工控制實(shí)施前的計(jì)算，確定迎賓橋的吊桿張拉分三輪進(jìn)行。

2．2．1 吊桿的張拉

迎賓橋吊桿的張拉順序?yàn)橄葟埨骺缫粋?cè)靠近岸邊的吊桿，然后張拉邊跨一側(cè)的吊桿，再?gòu)埨骺缈缰械牡鯒U，對(duì)主塔塔頂?shù)乃靼绊斖浦髲埨骺缈拷魉粋?cè)的剩余吊桿，從而完成一輪張拉，每一輪以吊桿力增加成橋吊桿力的1/3為目標(biāo)值。

通過(guò)借鑒在多座混凝土自錨式懸索橋的施工控制中的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)所有直接錨固或通過(guò)接長(zhǎng)桿錨固在加勁梁上的吊桿而言，在一次張拉吊桿的過(guò)程中，張拉點(diǎn)主纜的位移對(duì)其他點(diǎn)主纜的位移影響很小，可以忽略，稱之為主纜位移的弱相干性。所以在吊桿的張拉過(guò)程中，除了吊桿的張拉力外，主纜的豎向位移也應(yīng)作為控制目標(biāo)。

第一輪張拉時(shí)，由于吊桿的目標(biāo)張拉力很小，以張拉力作為控制目標(biāo)將產(chǎn)生較大誤差，而以主纜的豎向位移為控制目標(biāo)精度容易保證，所以第一輪張拉給出的施工控制指令中應(yīng)包括主纜節(jié)點(diǎn)的豎向位移(以索夾的中心點(diǎn)為準(zhǔn))和參考的吊桿張拉力。

第二輪張拉采用主纜位移和吊桿張拉力雙控的方法，以主纜豎向位移為主，張拉力為輔，張拉力作為參考，若張拉力與理論張拉力相差較大，應(yīng)停止張拉并及時(shí)找出問(wèn)題所在，不可盲目張拉，以避免個(gè)別吊桿力張拉過(guò)度，使加勁梁產(chǎn)生不利的受力狀況。

第三輪張拉采用吊桿張拉力為主，主纜位移為輔的控制方法，張拉力按照施工控制理論計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行，等張拉完成后測(cè)量主纜的位移和全部吊桿的索力。

在整個(gè)吊桿張拉過(guò)程中，應(yīng)通過(guò)預(yù)埋在主梁和主塔內(nèi)部的應(yīng)變計(jì)，及時(shí)的監(jiān)測(cè)主梁和主塔的受力狀況是否與理論計(jì)算的結(jié)果一致，同時(shí)在每次張拉吊桿的同時(shí)，監(jiān)測(cè)塔頂?shù)乃轿灰?，通過(guò)與理論計(jì)算結(jié)果的數(shù)值比較來(lái)保證橋塔不發(fā)生過(guò)大變形［4，5］。

2．2．2 索鞍頂推

因吊桿的張拉分三輪進(jìn)行，所以迎賓橋的索鞍頂推也分三次進(jìn)行，由邊跨一側(cè)向主跨一側(cè)頂推，第一次行程4 cm，第二次3 cm，第三次3 cm，每次的參考頂推力由纜索的豎向分力和索鞍底部聚四氟乙烯板的摩擦系數(shù)可知，通過(guò)計(jì)算得到的迎賓橋最大索鞍頂推力為3 600 kN，實(shí)際施工中由于索鞍啟動(dòng)時(shí)需克服靜摩擦力，所以實(shí)際頂推力大于理論頂推力，在進(jìn)行塔頂頂推反力支架設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)給予相應(yīng)的富余量。

2．2．3 邊跨橋臺(tái)反力拉桿的張拉

由于迎賓橋的主跨和邊跨跨徑相差較大，邊跨橋臺(tái)處產(chǎn)生了很大的負(fù)反力，設(shè)計(jì)方通過(guò)反力拉桿將縱梁與邊跨橋臺(tái)聯(lián)系到一起，使邊跨橋臺(tái)起到配重的作用，從而抵消掉負(fù)反力。邊跨橋臺(tái)處共設(shè)置了104根反力拉桿，在第一輪吊桿張拉過(guò)程中將反力拉桿全部帶緊，在接下來(lái)的張拉過(guò)程中，反復(fù)對(duì)全部反力拉桿進(jìn)行小幅度張拉，始終保持反力拉桿內(nèi)的軸力總和大于并接近結(jié)構(gòu)的負(fù)反力，最終反力拉桿的軸力總和達(dá)到36 000 kN。

3 結(jié)語(yǔ)

因?yàn)榛炷磷藻^式懸索橋具有施工工期短以及經(jīng)濟(jì)性和景觀性良好的特點(diǎn)，該類橋型在目前的施工控制任務(wù)中非常常見(jiàn)。在科技發(fā)展提供有力保障的前提下，設(shè)計(jì)方經(jīng)常通過(guò)采用非常規(guī)的跨徑比來(lái)得到更強(qiáng)的視覺(jué)沖擊力，這就加大了該類橋型施工控制的難度。本文用一座跨徑比較大的混凝土獨(dú)塔自錨式懸索橋作為工程實(shí)例，介紹了該橋整個(gè)施工控制過(guò)程中的要點(diǎn)和應(yīng)重視的問(wèn)題，為今后類似結(jié)構(gòu)的施工控制提供了良好的參考價(jià)值。

［1］張 哲．混凝土自錨式懸索橋［M］．北京：人民交通出版社，2005：21-24．

［2］周孟波．懸索橋手冊(cè)［M］．北京：人民交通出版社，2003：15-18．

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The construction control of concrete self-anchored suspension bridge with single pylon

JIANG Lin

(The Design Institute of Civil Engineering＆ Architecture of DUT，Dalian 116024，China)

According to the Yingbin bridge of Liuqing river in Linyi city，to introduce the primary coverage of the whole construction control work of this bridge and the problems should be pay attention to，which can be used as reference for the safety construction control of similar structure．

suspension bridge，rational completion cable shape，suspenders tension，construction control

U445

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.058

1009-6825(2013)10-0163-03

2013-01-11

姜 霖(1979-)，男，工程師