闕水杰 楊文爽

中鐵橋隧技術(shù)有限公司，南京210031

1 工程概況

五峰山長(zhǎng)江大橋是新建連鎮(zhèn)鐵路的過(guò)江通道，主橋?yàn)榈劐^式五跨連續(xù)鋼桁梁懸索橋，加勁梁跨度布置為（84+84+1 092+84+84）m，主纜跨度為（350+1 092+350）m。主橋通行四線鐵路及八車道高速公路。橋型布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋型布置（單位：m）

加勁梁為板桁結(jié)合鋼桁梁，華倫式桁架，2片主桁間距30 m，桁高16 m，節(jié)間長(zhǎng)度14 m。主梁橫斷面采用帶副桁的直主桁形式。每?jī)蓚€(gè)節(jié)間為一個(gè)吊裝單元，即每節(jié)段主桁的單元長(zhǎng)28 m。加勁梁的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見(jiàn)圖2。

圖2 鋼梁橫斷面（單位：m）

中跨主纜跨度為1 092 m，矢跨比為1∕10，采用PPWS（Prefabricated Parallel Wire Strand）法制作和架設(shè)，共設(shè)2根主纜，橫向中心距43 m。每根主纜由352股索股組成，每股索股由127絲?5.5 mm鍍鋅高強(qiáng)平行鋼絲構(gòu)成，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa。擠圓后直徑為1 300 mm（孔隙率20%）。主纜斷面見(jiàn)圖3。

圖3 主纜橫斷面（單位：mm）

主索鞍及散索鞍均采用鑄焊結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，鞍槽用鑄鋼鑄造，其余結(jié)構(gòu)均采用鋼板焊接而成。

2 主纜索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度確定

2.1 索股彈性模量

主纜作為懸索橋的主要受力構(gòu)件，由成千上萬(wàn)根高強(qiáng)度平行鋼絲組成，在工廠制造加工的索股彈性模量與理論值不可能完全相同，而不同的彈性模量對(duì)應(yīng)不同的主纜索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度。

主纜索股彈性模量為190～210 GPa［1-2］。在索股生產(chǎn)過(guò)程中，索廠共制造了6根試驗(yàn)索股，彈性模量分別為198、195、196、200、198、197 GPa。在保持其他參數(shù)不變的情況下，索股彈性模量與無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的關(guān)系見(jiàn)圖4。

由圖4可知，彈性模量在一定范圍內(nèi)變化，索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度與索股彈性模量近似成線性關(guān)系，非線性影響較小。索股彈性模量每增加1 GPa，索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度增加30 mm。

2.2 鋼絲直徑

鋼絲直徑?jīng)Q定了主纜截面尺寸，索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度與其凈截面面積有關(guān)。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中鋼絲直徑存在誤差，需要統(tǒng)計(jì)鋼絲直徑，計(jì)算鋼絲的平均直徑，作為施工控制的基準(zhǔn)參數(shù)。

索股鋼絲直徑設(shè)計(jì)理論值為5.5 mm，實(shí)測(cè)部分鋼絲直徑最小值和最大值分別為5.46、5.54 mm。在其他條件不變的情況下，只改變索股鋼絲直徑，得到鋼絲直徑與索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的關(guān)系，見(jiàn)圖5。可知，索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度與鋼絲直徑近似成線性關(guān)系。索股鋼絲直徑每增加0.01 mm，索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度增加22 mm。

圖5 鋼絲直徑與索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的關(guān)系

2.3 索股自重

索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度與索股自重有關(guān)。在其他條件都不變的情況下，只改變索股的自重，按基準(zhǔn)荷載上下浮動(dòng)3%計(jì)算。索股自重誤差與索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 索股自重誤差與索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的關(guān)系

由圖6可知：索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度與索股自重近似成線性關(guān)系。索股自重對(duì)其無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的影響與索股彈性模量的影響規(guī)律相反，索股自重每增加1%，其無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度減少10 mm。由于索股自重占總結(jié)構(gòu)荷載的比例較小，因此索股自重對(duì)其無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度影響較小。

2.4 鋼梁重量

五峰山長(zhǎng)江大橋?yàn)橛许墓F兩用橋，鋪設(shè)道砟時(shí)以道砟重量作為控制條件，計(jì)算時(shí)僅考慮鋼梁重量誤差，以理論統(tǒng)計(jì)的重量為基準(zhǔn)，按上下浮動(dòng)3%計(jì)算。鋼梁重量誤差與索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的關(guān)系見(jiàn)圖7?？芍摿褐亓吭谝欢ǚ秶鷥?nèi)變化時(shí)，索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度基本呈線性變化，鋼梁重量與索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度成反比例，鋼梁重量每增加1%，索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度減少3.2 cm。

圖7 鋼梁重量誤差與索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的關(guān)系

2.5 索股長(zhǎng)度調(diào)節(jié)量的確定

主纜索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度受加工精度、索股彈模、錨固位置、鋼梁重量等因素影響。因此須準(zhǔn)確計(jì)算主纜索股的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度，并設(shè)置合理的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)量，確保其調(diào)整在控制范圍內(nèi)［3］。

1）加工精度：成品索股要求測(cè)長(zhǎng)精度在1∕12 000以上，主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度約1 934 m，長(zhǎng)度誤差為±16 cm。加工誤差為索股制造時(shí)的固定屬性，不能完全消除，因此須考慮此部分誤差影響。

2）索股彈性模量、錨固位置：在計(jì)算索股長(zhǎng)度時(shí)，這兩種參數(shù)均可采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。因此，索股長(zhǎng)度調(diào)節(jié)量可不考慮這兩種參數(shù)的影響。

3）鋼梁重量：在鋼梁制造過(guò)程會(huì)產(chǎn)生重量誤差。按照施工進(jìn)度，鋼梁實(shí)際重量在索股架設(shè)前才能確定，因此，計(jì)算時(shí)須考慮鋼梁重量帶來(lái)的誤差修正。按照類似加勁梁結(jié)構(gòu)重量誤差，考慮重量偏差3%，其對(duì)索股長(zhǎng)度的影響量為±9 cm。

綜上，主纜索股長(zhǎng)度調(diào)節(jié)量為±25 cm，可滿足相關(guān)誤差調(diào)整要求。

3 主纜索股線形控制

3.1 線形影響參數(shù)

索股架設(shè)線形影響因素包括溫度［4］和索鞍偏位［5-6］。

3.1.1 溫度

該橋基準(zhǔn)溫度為15℃。在其他條件不變的情況下，分析溫度變化對(duì)索股線形的影響。中跨和邊跨跨中索股高程與溫度關(guān)系見(jiàn)圖8?？芍?，索股各跨跨中高程均隨溫度的升高而不斷降低，邊跨和中跨跨中溫度影響系數(shù)分別為0.027、0.030 m∕℃，二者受溫度影響程度比較接近。

圖8 中跨和邊跨跨中索股高程與溫度的關(guān)系

3.1.2 索鞍偏位

在索股架設(shè)過(guò)程中，主索鞍和散索鞍的位置受溫度、貓道等外界的影響會(huì)不斷變化，進(jìn)而影響索股的約束位置，對(duì)跨中高程有直接影響。分析散索鞍和主索鞍分別在高程、里程方向變化1 cm對(duì)索股跨中高程的影響，見(jiàn)表1。可知，索鞍對(duì)索股線形影響較大。因此在索股線形計(jì)算時(shí)，必須考慮索鞍的影響，否則架設(shè)精度滿足不了基準(zhǔn)索股的架設(shè)要求。

表1 索鞍偏位對(duì)邊、中跨索股跨中高程的影響

3.2 基準(zhǔn)索股線形調(diào)整

五峰山長(zhǎng)江大橋設(shè)置1號(hào)索股為基準(zhǔn)索股［7-8］，選擇在溫度相對(duì)穩(wěn)定、風(fēng)力不大的夜間調(diào)整索股線形。索股調(diào)整按先中跨后邊跨再錨跨的順序進(jìn)行調(diào)整。要求索股長(zhǎng)度方向的溫差小于等于2℃，斷面方向索股溫差小于等于1℃，風(fēng)力小于等于12 m∕s時(shí)方可進(jìn)行線形調(diào)整。

架索前，根據(jù)主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度不變的原理在索鞍中心、各跨中點(diǎn)設(shè)置標(biāo)志，作為索股架設(shè)的參考位置。索股調(diào)整前，對(duì)基準(zhǔn)索股的兩邊跨及中跨坐標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)實(shí)測(cè)溫度及塔偏數(shù)據(jù)修正，計(jì)算出索股跨中點(diǎn)的高程調(diào)整量，進(jìn)而得到索長(zhǎng)調(diào)整量。五峰山長(zhǎng)江大橋跨中點(diǎn)高程調(diào)整量與索長(zhǎng)調(diào)整量的關(guān)系為：中跨，Δs=Δh∕2.21；邊跨，Δs=Δh∕5.48。其中，Δs為索長(zhǎng)調(diào)整量；Δh為跨中點(diǎn)高程調(diào)整量。

按照監(jiān)測(cè)方案在基準(zhǔn)索股調(diào)整階段將測(cè)點(diǎn)布置于各跨跨中，全橋上下游共計(jì)6個(gè)測(cè)點(diǎn)。在基準(zhǔn)索股連續(xù)觀測(cè)階段，測(cè)點(diǎn)布置于邊跨跨中和中跨L∕4、L∕2、3L∕4處（L為跨度），全橋上下游共計(jì)10個(gè)測(cè)點(diǎn)，基準(zhǔn)索股線形測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖9。

圖9 基準(zhǔn)索股線形測(cè)點(diǎn)布置（單位：m）

將測(cè)試值與理論值的誤差取均值后，得到基準(zhǔn)索股線形誤差均值，見(jiàn)表2。按照J(rèn)TG F80∕1—2017《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，基準(zhǔn)索股線形誤差要求中跨不大于±0.05 46 m，邊跨不大于±0.109 0 m（邊跨為中跨的2倍）。由表2可知，基準(zhǔn)索股線形誤差均值滿足規(guī)范要求。

表2 基準(zhǔn)索股線形誤差均值 m

3.3 相對(duì)基準(zhǔn)索股

五峰山長(zhǎng)江大橋主纜共有352根索股，主纜直徑大，一般索股以1#索股為基準(zhǔn)進(jìn)行線形控制，現(xiàn)場(chǎng)操作難度大，且存在一定誤差。因此，一般索股架設(shè)時(shí)，選擇56#、182#、287#索股作為相對(duì)基準(zhǔn)索股（圖10），對(duì)索股絕對(duì)高程進(jìn)行復(fù)核測(cè)量并作為后續(xù)一般索股架設(shè)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 相對(duì)基準(zhǔn)索股

第2根相對(duì)基準(zhǔn)索股（56#）、第3根相對(duì)基準(zhǔn)索股（182#）、第4根相對(duì)基準(zhǔn)索股（287#）依次架設(shè)完成后，將多組線形測(cè)試值與理論值的差值取均值，見(jiàn)表3。

由表3可知，架設(shè)至第3根相對(duì)基準(zhǔn)索股時(shí)，中跨上下游索股誤差有所放大。原因是架設(shè)第3根相對(duì)基準(zhǔn)索股時(shí)夜間環(huán)境溫度在11～15℃，白天日照條件下環(huán)境溫度在35℃以上，上下層索股溫差大，且主纜索股數(shù)量多，主纜兩側(cè)索股下?lián)?，出現(xiàn)明顯側(cè)向擠出現(xiàn)象，導(dǎo)致索股發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。夜晚上下層索股溫差消失后，由于索股互相咬合和摩擦，已無(wú)法回到原始位置，導(dǎo)致出現(xiàn)一定誤差。此外，由于索股形狀保持器與各列最下層索股連接，兩側(cè)索股下?lián)?，引起索股形狀保持器下墜，?dǎo)致1#索股變位，后續(xù)索股架設(shè)時(shí)上下游誤差放大。

表3 第2根—第4根相對(duì)基準(zhǔn)索股線形誤差均值 m

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在主纜索股架設(shè)過(guò)程中，安裝索股形狀保持器時(shí)與1#索股隔離，確保1#索股能自由活動(dòng)便于線形觀測(cè)，同時(shí)應(yīng)選取日照時(shí)間較短一側(cè)索股做為相對(duì)基準(zhǔn)索股，且在架設(shè)過(guò)程與1#索股同時(shí)測(cè)試。通過(guò)調(diào)整后續(xù)一般索股的層間距后，第4根相對(duì)基準(zhǔn)索股的上下游誤差有所減小。

3.4 一般索股架設(shè)

一般索股架設(shè)是以基準(zhǔn)索股為基準(zhǔn)，根據(jù)索股的相對(duì)高程進(jìn)行調(diào)整，可采用相對(duì)高程測(cè)量尺直接測(cè)出被調(diào)索股與基準(zhǔn)索股的高差［9］。

主纜架設(shè)時(shí)，中跨跨中索股間距半層高差為31.33 mm，邊跨跨中為34.43 mm，因此索股層間距在相同溫度下設(shè)為5 mm。

主纜索股豎向共計(jì)22層，索股相對(duì)主纜中心最大層數(shù)為10.5層。主纜1#、352#索股相對(duì)主纜中心拉開(kāi)距離最大值為105 mm。根據(jù)放索公式，邊跨無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度最大變化量為15.1 mm，其成橋伸長(zhǎng)量為1 300 mm，由此引起的索股力偏差為1.16%；中跨無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度最大變化量為47.3 mm，其成橋伸長(zhǎng)量為3 600 mm，由此引起的索股力偏差為1.31%?？芍?，設(shè)置索股層間距對(duì)內(nèi)力影響較小。

3.5 散索鞍約束解除

五峰山大橋散索鞍采用擺軸式索鞍，安裝時(shí)在其下方設(shè)置了支撐架。索股架設(shè)期間，隨著索股數(shù)量的增加，溫度變化和錨跨張拉誤差會(huì)導(dǎo)致散索鞍臨時(shí)支撐受力過(guò)大，還可能導(dǎo)致主纜索股因克服與鞍槽間的摩擦力而滑移，造成錨跨索力不均勻。因此，在滿足散索鞍自立及后期錨跨索股張拉要求后，應(yīng)盡早拆除散索鞍臨時(shí)支承。

邊跨側(cè)主纜每根索股平均索力為365 kN，根據(jù)抗滑移驗(yàn)算公式，計(jì)算得到每根索股承受最大不平衡力為20 kN，利用最大不平衡力對(duì)散索鞍取矩得到總彎矩。散索鞍質(zhì)量為232 t，對(duì)擺軸軸心產(chǎn)生的彎矩為5 290 kN·m。在索股架設(shè)至第10層時(shí)，共計(jì)架設(shè)55根索股，合計(jì)產(chǎn)生彎矩5 761 kN·m，已大于散索鞍自重產(chǎn)生的彎矩，表明散索鞍已具備自立能力，可將散索鞍臨時(shí)約束解除。

4 錨跨索力控制

成橋階段不具備調(diào)索條件，為保證錨跨索股在成橋階段索力分布均勻［10］，在空纜階段對(duì)錨跨索力進(jìn)行調(diào)整，并研究索力調(diào)整過(guò)程的影響因素。

4.1 索力系數(shù)標(biāo)定

一般采用頻譜法進(jìn)行索力測(cè)試，根據(jù)索股長(zhǎng)度及單位長(zhǎng)度質(zhì)量計(jì)算索力系數(shù)K。主纜索股在散索鞍處的邊界條件難以精確確定，若按拉索兩嵌固點(diǎn)之間的長(zhǎng)度計(jì)算則產(chǎn)生的誤差較大。因此，利用千斤頂并采用頻譜法進(jìn)行測(cè)試標(biāo)定。通過(guò)千斤頂油表讀取千斤頂張拉力T，換算得到實(shí)際的索力系數(shù)K。標(biāo)定索股見(jiàn)圖11。

圖11 標(biāo)定索股

五峰山長(zhǎng)江大橋一個(gè)錨面共標(biāo)定了122根索股。理論計(jì)算索長(zhǎng)范圍為索股錨杯約束點(diǎn)到索股豎彎結(jié)束點(diǎn)。索力系數(shù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖12。可知，索力系數(shù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)相同，但實(shí)測(cè)值為計(jì)算值的71.9%。因此，采用頻譜法測(cè)試索力時(shí)，必須利用千斤頂進(jìn)行標(biāo)定校核。

圖12 索力系數(shù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4.2 溫度對(duì)錨跨索力影響

在索股架設(shè)及錨跨索力調(diào)整過(guò)程中，經(jīng)歷時(shí)間較長(zhǎng)，晝夜溫差和季節(jié)性溫差會(huì)對(duì)索力造成影響。前者可通過(guò)在溫度恒定的夜間進(jìn)行索力測(cè)試而消除，而后者無(wú)法消除，因此須考慮季節(jié)性溫差對(duì)索力的影響。計(jì)算不同季節(jié)溫度下索股的索力變化量，見(jiàn)圖13。

圖13 不同季節(jié)溫度下索股的索力變化量

由圖13可知：錨跨索力隨溫度升高而減?。粶囟葘?duì)上層索股的影響明顯大于下層索股，非線性較明顯。因此，索股在架設(shè)過(guò)程中應(yīng)考慮溫度變化對(duì)索力的影響并根據(jù)溫度進(jìn)行調(diào)整。

4.3 散索鞍對(duì)錨跨索力影響

在索股架設(shè)過(guò)程中，錨跨索力未張拉至目標(biāo)值，且存在較大誤差。散索鞍支撐拆除后，散索鞍會(huì)出現(xiàn)一定的偏轉(zhuǎn)，在空纜階段應(yīng)通過(guò)調(diào)整錨跨索力將散索鞍調(diào)整至目標(biāo)位置。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)誤差，分析散索鞍偏轉(zhuǎn)角度從0°增加至0.12°（均往邊跨側(cè)）時(shí)索股的索力變化量，見(jiàn)圖14。

圖14 不同散索鞍偏轉(zhuǎn)角度下索股的索力變化量

由圖14可知，散索鞍偏轉(zhuǎn)角度對(duì)錨跨索力有顯著影響。隨著散索鞍往邊跨側(cè)偏轉(zhuǎn)，錨跨索力逐漸增加。散索鞍偏轉(zhuǎn)角度對(duì)1#索股基本呈線性影響，而對(duì)352#索股非線性影響較明顯。當(dāng)散索鞍偏轉(zhuǎn)角度為0.01°時(shí)，1#索股索力變化量約為18.8 kN，352#索股索力變化量約為15.2 kN；當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度增加到0.12°時(shí)，1#索股索力變化量基本不變，而352#索股索力變化量增加到20.8 kN。

因此在錨跨索力調(diào)整過(guò)程中，應(yīng)考慮架設(shè)過(guò)程中引起的散索鞍偏轉(zhuǎn)角度，對(duì)索力理論值進(jìn)行修正，再與實(shí)測(cè)值對(duì)比并調(diào)整。在考慮溫度、散索鞍偏轉(zhuǎn)角度的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)錨跨索力的精確調(diào)整，五峰山長(zhǎng)江大橋錨跨索力誤差均控制在3%以內(nèi)。

5 結(jié)論

1）根據(jù)不同參數(shù)對(duì)主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的影響，結(jié)合實(shí)際情況確定了主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度調(diào)節(jié)量為25 cm。

2）對(duì)于大直徑主纜，可設(shè)置多根相對(duì)基準(zhǔn)索股，并減小溫度對(duì)架設(shè)的影響；采取分層定距的方式對(duì)一般索股架設(shè)線形進(jìn)行控制；在一般索股架設(shè)期間，應(yīng)根據(jù)抗滑移驗(yàn)算公式計(jì)算每根索股承受最大不平衡力，從而確定散索鞍臨時(shí)支撐拆除時(shí)機(jī)。

3）在錨跨索力測(cè)試時(shí)，利用千斤頂對(duì)索力系數(shù)進(jìn)行實(shí)際標(biāo)定，同時(shí)考慮溫度、散索鞍偏轉(zhuǎn)角度對(duì)索力的影響。在五峰山長(zhǎng)江大橋調(diào)索過(guò)程中，錨跨索力誤差均在3%以內(nèi)，控制效果良好。