梁家熙 彭世杰 劉 陽

（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，再張拉吊索”的施工工序，通過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，在吊索張拉過程中主纜幾何非線性突出，吊索索力相互影響，過程控制難度大[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?，?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；再通過倒裝分析法確定空纜線形；最后以空纜狀態(tài)作為初始狀態(tài)，通過正裝分析法對(duì)大橋體系轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行仿真分析，確定體系轉(zhuǎn)換過程中的關(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

通過有限元分析可計(jì)算出主纜中心索股的無應(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得到。經(jīng)過復(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，通過分批張拉吊索，將主跨主梁質(zhì)量通過吊索傳遞至主纜，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)過程中吊索的強(qiáng)度安全系數(shù)滿足《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避免塔身開裂[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，中跨主梁開始逐漸脫架；但在主梁逐漸脫架的過程中，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，甚至可能超過其設(shè)計(jì)承載能力限值，因此需要計(jì)算吊索張拉過程中各吊索的最大索力，確保其強(qiáng)度安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。吊索張拉過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，滿足《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》中施工過程強(qiáng)度安全系數(shù)不小于1.21的要求。

圖5 吊索張拉過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)主梁線形、主纜線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形間的影響矩陣。3）以主梁線形平順、吊索索力合理為控制目標(biāo)，利用影響矩陣法[7]，通過調(diào)整最少數(shù)量的吊索來完成橋梁狀態(tài)調(diào)整。4）在調(diào)索完成后，對(duì)主梁線形、主纜線形以及吊索索力等進(jìn)行再次通測(cè)復(fù)核，若偏差滿足設(shè)計(jì)要求，則二輪調(diào)索完成，若偏差未能滿足要求則重復(fù)2）～4）直至滿足要求。

經(jīng)二輪調(diào)索后，背景橋中跨主梁線形平順，實(shí)測(cè)線形與理論線形偏差為-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

該文基于無應(yīng)力狀態(tài)法來建立背景橋的有限元成橋模型，通過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)通過正裝分析法對(duì)大橋體系轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行仿真分析。該文通過自動(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)換過程中塔身控制截面最大拉、壓應(yīng)力未超過其設(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，吊索索力的施工過程強(qiáng)度安全系數(shù)滿足規(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)高程偏差滿足設(shè)計(jì)文件要求，二輪調(diào)索達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。