姜 霖

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

獨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)計研究院有限公司，遼寧大連 116024)

以臨沂市柳清河迎賓橋為工程實例，介紹了該橋整個施工控制過程中的主要內(nèi)容和應(yīng)重視的問題，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)計狀態(tài)一致，施工過程中的監(jiān)控工作顯得尤為重要。一般設(shè)計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，都會對自錨式懸索橋的內(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)計圖紙，精確的計算出各部分構(gòu)件在無應(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，橋面至主纜中心點為21．7 m);橫斷面上共兩個歐式塔，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，主跨橋臺采用鉆孔灌注樁，小邊跨橋臺采用半整體式重力橋臺。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

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，主纜無應(yīng)力長度、空纜狀態(tài)線形、索鞍預(yù)偏量、索夾安裝位置、吊桿無應(yīng)力長度等的計算和確定［4-6］。

混凝土自錨式懸索橋的施工順序是先澆筑主梁，等到主梁達到一定強度并張拉預(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。對于迎賓橋來說，由于主跨與邊跨跨徑相差較大，設(shè)計方在邊跨一側(cè)的橋臺處增加了大量的拉桿將主梁與重力式橋臺錨固在一起，以起到壓重的作用，如何準確及時的對這些拉桿進行張拉，也是本橋施工控制的一個要點。

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)點的劃分見圖3。圖中未示出支架等臨時性單元。整個施工過程采用Ansys有限元軟件進行計算。

圖3 計算模型簡圖

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)計的目標和基礎(chǔ)，主纜無應(yīng)力長度、主纜的空纜線形、索鞍的預(yù)偏量、索夾的安裝位置、吊索的長度均與成橋主纜線形有關(guān)，因此準確的計算主纜成橋線形是施工控制的第一步［1-3］。

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

2．1．2 主纜的無應(yīng)力長度計算

根據(jù)主纜的無應(yīng)力長度不變性原理，主纜的無應(yīng)力索長采用循環(huán)搜索法，利用非線性有限元程序進行計算。該方法得到的主纜長度精度較高，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)上述理論可以計算迎賓橋中心索股的無應(yīng)力長度為112．584 m。

2．1．3 空纜線形與索鞍預(yù)偏量的計算

在成橋主纜線形和無應(yīng)力長度完成后，根據(jù)主纜的矢跨比，可計算出空纜狀態(tài)的主纜線形。如果在施工過程中塔頂索鞍的位置處于固定不動的狀態(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，所以在施工一開始我們?nèi)藶閷⑺靼跋蜻吙缫粋?cè)移動一定的距離，隨著吊桿張拉工作的進行，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“倒拆法”，釋放各吊桿力，以及主塔對索鞍的水平約束，得到主纜的空纜線形和索鞍的預(yù)偏量，然后在新的計算模型中采用“正裝法”驗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到成橋線形，若能閉合，則準確無誤的求得了空纜線形和索鞍的預(yù)偏量。同時，由于本橋是自錨式混凝土懸索橋，計算時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，所以在計算時要給予主梁和橋塔初應(yīng)變，否則倒拆和正裝的計算結(jié)果難以閉合，這是計算時需要注意的地方。

2．1．4 索夾安裝位置的計算

根據(jù)主纜各節(jié)段的無應(yīng)力索長可以得到索夾的安裝位置，對于在主纜中位于上下左右四邊的四根索股，在加工過程中應(yīng)要求給予醒目的標記，用于索夾安裝時的快速定位，同時根據(jù)上述空纜線型的計算結(jié)果中各主纜節(jié)點的坐標，在施工中用全站儀進行復(fù)核，以確保索夾安裝位置準確。同時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，在吊桿張拉過程中應(yīng)根據(jù)索夾滑移實驗的結(jié)果對索夾進行了多次緊固，以確保索夾與主纜間不會出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。

2．1．5 吊桿無應(yīng)力長度的計算

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

2．2 施工中的工程控制

在主梁與主塔澆筑完畢并達到設(shè)計強度后，在主梁預(yù)應(yīng)力筋張拉的同時，可以進行索鞍和散索鞍的安裝工作，然后根據(jù)計算得到的空纜線形按照索股編號進行主纜的架設(shè)，緊纜之后進行索夾和吊桿的安裝，為吊桿的張拉工作做好準備。對于混凝土自錨式懸索橋來說，若將吊桿一次張拉到位，則在最先開始張拉的吊桿中產(chǎn)生非常大的應(yīng)力，甚至超過吊桿的容許應(yīng)力，而且根據(jù)以往經(jīng)驗，一次張拉法容易在張拉最后幾根吊桿時，采用理論計算得到的張拉力，無法將主纜拉到相應(yīng)的標高，甚至出現(xiàn)拉不動的現(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行。通過施工控制實施前的計算，確定迎賓橋的吊桿張拉分三輪進行。

2．2．1 吊桿的張拉

迎賓橋吊桿的張拉順序為先張拉主跨一側(cè)靠近岸邊的吊桿，然后張拉邊跨一側(cè)的吊桿，再張拉主跨跨中的吊桿，對主塔塔頂?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為目標值。

通過借鑒在多座混凝土自錨式懸索橋的施工控制中的經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)對所有直接錨固或通過接長桿錨固在加勁梁上的吊桿而言，在一次張拉吊桿的過程中，張拉點主纜的位移對其他點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。

第一輪張拉時，由于吊桿的目標張拉力很小，以張拉力作為控制目標將產(chǎn)生較大誤差，而以主纜的豎向位移為控制目標精度容易保證，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)點的豎向位移(以索夾的中心點為準)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)停止張拉并及時找出問題所在，不可盲目張拉，以避免個別吊桿力張拉過度，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算的數(shù)據(jù)進行，等張拉完成后測量主纜的位移和全部吊桿的索力。

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

2．2．2 索鞍頂推

因吊桿的張拉分三輪進行，所以迎賓橋的索鞍頂推也分三次進行，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，通過計算得到的迎賓橋最大索鞍頂推力為3 600 kN，實際施工中由于索鞍啟動時需克服靜摩擦力，所以實際頂推力大于理論頂推力，在進行塔頂頂推反力支架設(shè)計時，應(yīng)給予相應(yīng)的富余量。

2．2．3 邊跨橋臺反力拉桿的張拉

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

3 結(jié)語

因為混凝土自錨式懸索橋具有施工工期短以及經(jīng)濟性和景觀性良好的特點，該類橋型在目前的施工控制任務(wù)中非常常見。在科技發(fā)展提供有力保障的前提下，設(shè)計方經(jīng)常通過采用非常規(guī)的跨徑比來得到更強的視覺沖擊力，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塔自錨式懸索橋作為工程實例，介紹了該橋整個施工控制過程中的要點和應(yīng)重視的問題，為今后類似結(jié)構(gòu)的施工控制提供了良好的參考價值。

［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［M］．北京：人民交通出版社，2003：15-18．

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［5］秦順全．橋梁施工控制［M］．北京：人民交通出版社，2007：44-50．

［6］李江樂．懸索橋的施工控制綜述［J］．山西建筑，2008，34 (1)：325-326．

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