曹 競(jìng)(河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 河南 鄭州 450002)

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潮河大橋基準(zhǔn)索股架設(shè)計(jì)算與控制

曹 競(jìng)
(河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 河南 鄭州 450002)

以潮河大橋多塔地錨式懸索橋?yàn)槔?著重介紹基準(zhǔn)索股控制和索股線(xiàn)形的計(jì)算方法.闡述了溫度對(duì)控制點(diǎn)垂度的影響和基準(zhǔn)索股架設(shè)調(diào)整方案.結(jié)果表明,基準(zhǔn)索股架設(shè)控制效果良好,可為類(lèi)似工程提供借鑒參考.

懸索橋; 基準(zhǔn)索股; 施工控制; 溫度

懸索橋作為一種橋型優(yōu)美的橋梁,以其結(jié)構(gòu)造型美觀、經(jīng)濟(jì)性能較好、對(duì)地形和地質(zhì)狀況適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到工程界的青睞[1-3].然而,通過(guò)目前掌握的資料來(lái)看,國(guó)內(nèi)外建成的多塔懸索橋尚不多見(jiàn),國(guó)外已有的多塔連跨懸索橋工程實(shí)例還僅限于中小跨度(最大跨度210 m),國(guó)內(nèi)已建成的多塔懸索橋有3～4座,最大跨徑可達(dá)上千米[4].

1951年法國(guó)建成三塔四跨懸索橋Chatillon橋,橋跨布置為(92+2×76+92)m,橋塔為圬工結(jié)構(gòu).1961年日本建成的第1座三塔四跨懸索橋是小鳴門(mén)橋,橋跨布置為(70.6+2×160+50.8)m,橋?qū)? m,中塔為鋼筋混凝土塔,主纜在中塔處斷開(kāi)并錨固于中塔.2007年泰州長(zhǎng)江公路大橋正式開(kāi)工建設(shè),主橋采用三塔兩跨懸索橋,由橋墩來(lái)支承兩邊跨,橋跨布置為(390+2×1 080+390)m,橋塔為縱向呈人字形的全鋼中塔,加勁梁選用3.5 m高鋼箱梁,主纜矢跨比為1/9[5].2008年開(kāi)始建設(shè)的馬鞍山大橋的左汊主橋采用三塔兩跨懸索橋,由橋墩來(lái)支承兩邊跨,橋跨布置為(360+2×1 080+360)m.中塔采用I字形鋼混結(jié)合塔,采用塔梁固結(jié)體系,加勁梁為扁平流線(xiàn)型鋼箱梁,主纜矢跨比為1/9[6].2010—2014年建設(shè)的鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋主橋采用跨徑(225+2×850+225)m三塔四跨鋼板結(jié)合梁懸索橋.

1 工程簡(jiǎn)介

鄭州市國(guó)家經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)經(jīng)南八路潮河大橋是一座三塔四跨地錨式懸索橋,孔徑布置為(64+136+136+64)m,全長(zhǎng)400 m.主跨主纜理論跨徑136 m,理論垂度為27.2 m,理論垂跨比為1∶5;邊跨主纜理論垂度為6.319 m,理論跨度為66.5 m,理論垂跨比為1∶10.52.主塔為魚(yú)腹式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),主梁采用鋼箱梁,在邊、中塔下橫梁處設(shè)隔震支座,限制鋼箱梁三向線(xiàn)位移.主纜經(jīng)中塔、邊塔塔頂鞍座、邊墩頂散索鞍座轉(zhuǎn)向后錨固在混凝土錨碇內(nèi),錨碇結(jié)構(gòu)與橋臺(tái)基礎(chǔ)合二為一進(jìn)行整體設(shè)計(jì).橋面總寬度為45 m,組成為6 m(慢行交通)+5 m(吊索區(qū))+23 m(機(jī)動(dòng)車(chē))+5 m(吊索區(qū))+6 m(慢行交通)(如圖1所示).

全橋共兩根主纜,采用預(yù)制平行索股法架設(shè)(PPWS),每根主纜含19股平行鋼絲索股,每股含127根φ5 mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲,每根主纜共2 413絲,豎向排列成尖頂?shù)恼呅?鋼絲抗拉強(qiáng)度1.670 GPa,緊纜后主纜為圓形,直徑為271.2 mm(索夾處)和274.6 mm(索夾間).

2 施工控制參數(shù)的確定

由于懸索橋獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn),主纜的架設(shè)施工成為懸索橋施工控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)[7].主纜的線(xiàn)形控制包括兩個(gè)步驟:基準(zhǔn)索股的架設(shè)控制和其他一般索股的線(xiàn)形控制.架設(shè)基準(zhǔn)索股之后,即可以按照若即若離原則安裝其他索股,因此基準(zhǔn)索股的施工控制是整個(gè)主纜線(xiàn)形控制的關(guān)鍵.懸索橋施工控制計(jì)算和測(cè)量的難度及工作量都比常規(guī)橋型大,在基準(zhǔn)索股架設(shè)之前,有兩方面的工作必須要做[8]:一是基準(zhǔn)索股線(xiàn)形和控制點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算;二是施工參數(shù)的收集.不同的計(jì)算方法會(huì)造成控制方法和結(jié)果的不同,而控制參數(shù)是否精確又決定了施工控制的精確度.

圖1 潮河大橋橋型布置圖Fig.1 Bridge layout and arrangement diagram of Chaohe Bridge

主纜安裝之前主塔、錨碇等已經(jīng)就位,主索鞍與散索鞍安裝時(shí)要考慮建成橋塔的偏位與壓縮,盡量消除前期施工誤差的影響,控制方法是調(diào)整主索鞍和散索鞍的IP點(diǎn).主纜IP點(diǎn)[9]是一個(gè)虛擬點(diǎn),表示不同跨主纜中心線(xiàn)在主索鞍和散索鞍轉(zhuǎn)折處的交點(diǎn),也是主纜索股與索鞍的理論交點(diǎn).主纜在IP點(diǎn)受主塔通過(guò)索鞍傳遞的支撐力,相鄰IP點(diǎn)之間的主纜索股在空纜時(shí)呈懸鏈線(xiàn)分布,成橋?yàn)榉侄螒益溇€(xiàn)形.根據(jù)實(shí)測(cè)鞍座坐標(biāo)、高程調(diào)整安裝,使索鞍IP點(diǎn)與設(shè)計(jì)IP點(diǎn)盡量重合,可以最大限度地消除施工誤差.索鞍安裝之后,再次精確測(cè)量索鞍的安裝位置,推算實(shí)際IP點(diǎn)三維坐標(biāo),計(jì)算施工誤差,根據(jù)誤差調(diào)整計(jì)算模型中主纜的邊界條件,得出新的控制點(diǎn)坐標(biāo).

設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)一般將模型置于基準(zhǔn)溫度下.在實(shí)際施工時(shí),索股線(xiàn)形容易受溫度與日照的影響發(fā)生變化[10].另外,影響索股線(xiàn)形的是主塔索鞍IP點(diǎn)坐標(biāo),此點(diǎn)依附于橋塔,而混凝土橋塔也會(huì)受溫度和日照影響發(fā)生偏位,收縮徐變也會(huì)引起塔頂高程變化,所有這些實(shí)際與計(jì)算模型的差異都會(huì)造成控制點(diǎn)坐標(biāo)的變化,在基準(zhǔn)索股架設(shè)時(shí)一定要考慮進(jìn)去.

3 索股線(xiàn)形計(jì)算方法

基準(zhǔn)索股線(xiàn)形計(jì)算的基本原則是無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度不變.即索股在兩點(diǎn)之間的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度確定后,無(wú)論在何種狀態(tài)下其無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度均為定值.依據(jù)此原則可以分析主纜在溫度、載荷等作用下的內(nèi)力及變形[11].現(xiàn)代懸索橋一般使用高強(qiáng)鍍鋅鋼絲制作主纜,對(duì)于大跨度懸索橋,認(rèn)為跨度范圍內(nèi)主纜抗彎剛度極小,計(jì)算時(shí)作為柔性索,并有以下假定[12].

(1) 索為理想柔性,不承擔(dān)彎矩,只考慮拉力;

(2) 主纜材料完全符合胡克定律,不考慮材料的非線(xiàn)性;

(3) 主纜索股在受力過(guò)程中截面性質(zhì)不發(fā)生變化.

圖2為同時(shí)承受橫向與縱向均布載荷的一根懸索,由于假定索為理想柔性,拉力T方向與索相切,列出靜力平衡條件.

圖2 均布載荷作用下懸索微段單元

一般只考慮豎向載荷,即認(rèn)為qx=0,根據(jù)式(1)推出張力T的水平分力H為定值,式(2)寫(xiě)成:

若q沿任意的曲線(xiàn)S分布,則有:

將式(4)代入式(1),得:

對(duì)豎向載荷進(jìn)行不同簡(jiǎn)化,所得的線(xiàn)形也不同.若q=0,則索曲線(xiàn)退化為直線(xiàn);若q沿跨度均布,則索股成為拋物線(xiàn);若q曲線(xiàn)與索曲線(xiàn)重合,則載荷沿索形分布,索曲線(xiàn)成為懸鏈線(xiàn).一般而言,懸鏈線(xiàn)狀態(tài)最接近懸索實(shí)際載荷狀態(tài).但是對(duì)于小跨徑懸索橋而言,拋物線(xiàn)法與分段懸鏈線(xiàn)計(jì)算結(jié)果十分相近,可以滿(mǎn)足施工控制精度需要.本橋使用傳統(tǒng)拋物線(xiàn)理論進(jìn)行基準(zhǔn)索股線(xiàn)形計(jì)算.

拋物線(xiàn)理論認(rèn)為主纜自重與其他恒載相比影響很小.因此,可將恒載簡(jiǎn)化為沿跨度均布,不考慮主纜增長(zhǎng)對(duì)載荷曲線(xiàn)的影響.

如圖3所示,將成橋狀態(tài)下載荷換算為計(jì)算均布載荷q,f為跨中垂度,C為兩相鄰塔的高差,L為計(jì)算跨徑,T為主纜索力,H為主纜索力水平分力.支點(diǎn)處的邊界條件

圖3 拋物線(xiàn)計(jì)算理論圖Fig.3 Diagram of parabola theory

拋物線(xiàn)曲線(xiàn)方程為

主纜索長(zhǎng)

(8)

S=

(9)

拋物線(xiàn)主纜伸長(zhǎng)量

主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度

有了索股曲線(xiàn)方程就可以計(jì)算出基準(zhǔn)索股無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)、內(nèi)力、伸長(zhǎng)量和任一點(diǎn)的坐標(biāo).

4 基準(zhǔn)索股控制計(jì)算方法[13-15]

索股線(xiàn)形發(fā)生變化時(shí)各跨跨中點(diǎn)的坐標(biāo)與高程都會(huì)發(fā)生變化.一般在工程上用兩種方式確定控制點(diǎn).第一種方法是選取索股跨中處的某固定點(diǎn),為便于計(jì)算,一般是主纜中點(diǎn),在此點(diǎn)做好標(biāo)記,每次測(cè)量時(shí)都將棱鏡放在這一固定位置,測(cè)量該點(diǎn)的里程與高程,并且通過(guò)有限元計(jì)算得出每次調(diào)整時(shí)坐標(biāo)變化情況,將實(shí)際里程、高程調(diào)整到計(jì)算目標(biāo)值即可.第二種方法是固定索股跨中里程位置,每次通過(guò)全站儀放樣確定此點(diǎn)位置,然后測(cè)量此點(diǎn)高程,結(jié)合計(jì)算結(jié)果調(diào)整索股,將此點(diǎn)高程調(diào)整到計(jì)算目標(biāo)值.兩種方法均能實(shí)現(xiàn)高精度施工控制,且各有優(yōu)點(diǎn),第一種方法不用每次放樣,可以快速確定目標(biāo)點(diǎn),缺點(diǎn)在于需要每次變化后的里程和高程計(jì)算結(jié)果,每次控制兩個(gè)因素;第二種方法只需要控制固定里程處的高程,計(jì)算工作量稍小,缺點(diǎn)在于每次調(diào)整索股線(xiàn)形后都需要重新放樣才能確定目標(biāo)點(diǎn)位置,而且后期測(cè)量時(shí)也需要放樣.實(shí)際上控制點(diǎn)是不停在變化的,本橋采用第二種控制方法.

基準(zhǔn)索股線(xiàn)形調(diào)節(jié)一般是先中跨、再邊跨,測(cè)量時(shí)采用絕對(duì)垂度測(cè)量,固定跨中點(diǎn)里程后,通過(guò)調(diào)節(jié)主索鞍處索長(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)跨中高程.控制點(diǎn)高程值主要受溫度與索長(zhǎng)變化影響,計(jì)算出溫度變化對(duì)控制點(diǎn)高程影響,即可得到不同溫度下的高程值;計(jì)算出索長(zhǎng)變化對(duì)控制點(diǎn)高程影響,即可得到高程調(diào)節(jié)方法.實(shí)際計(jì)算時(shí)也要考慮溫度影響下主塔變位造成的跨度變化對(duì)控制點(diǎn)高程的影響.

4.1 基準(zhǔn)索股垂度受跨度誤差的影響

按載荷沿弦長(zhǎng)分布、索股線(xiàn)形滿(mǎn)足式(7),將式(9)中f看做是L的函數(shù)進(jìn)行微分,得到垂度與跨度關(guān)系如下:

(12)

得出潮河大橋邊、中跨垂度隨跨度變化關(guān)系:

4.2 基準(zhǔn)索股垂度受索長(zhǎng)誤差的影響

將式(9)中f看做S的函數(shù)進(jìn)行微分,得到垂度與索長(zhǎng)關(guān)系

經(jīng)計(jì)算,索股跨中垂度調(diào)整量與索長(zhǎng)變化量的關(guān)系如下.

中跨Δf=1.097ΔS,即中跨索長(zhǎng)增加1 cm,跨中垂度降低1.097 cm;索長(zhǎng)減少1 cm,跨中垂度抬高1.097 cm.

邊跨Δf=2.668ΔS,即邊跨索長(zhǎng)增加1 cm,跨中垂度降低2.668 cm;索長(zhǎng)減少1 cm,跨中垂度抬高2.668 cm.

4.3 基準(zhǔn)索股垂度受溫度誤差的影響

潮河大橋設(shè)計(jì)計(jì)算基準(zhǔn)溫度為15 ℃,但在實(shí)際施工時(shí),基準(zhǔn)索股架設(shè)的環(huán)境溫度與基準(zhǔn)溫度有差異,架設(shè)基準(zhǔn)索股前必須考慮溫度誤差影響.主纜垂度與溫度變化關(guān)系式可由索長(zhǎng)變化量與溫度關(guān)系式ΔS=α·ΔT·S直接導(dǎo)出.

不同施工溫度下,基準(zhǔn)索股控制點(diǎn)高程不同.經(jīng)計(jì)算,高程變化值Δh(m)與溫度變化值ΔT(℃)關(guān)系如下:

中跨Δh=-0.001 954 6ΔT;

邊跨Δh=-0.002 766 4ΔT.

ΔT為架設(shè)基準(zhǔn)索股時(shí)纜索實(shí)測(cè)溫度與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度的差值.

5 潮河大橋基準(zhǔn)索股架設(shè)控制

5.1 基準(zhǔn)索股線(xiàn)形調(diào)整方案

在施工步道架設(shè)前,主塔處于自由狀態(tài)下,需要進(jìn)行全天候觀測(cè),取得溫度變化、光照角度與主塔變位資料,盡可能在溫度變化不大且無(wú)日照的陰天作竣工測(cè)量,精密做出墩中心十字線(xiàn)和鞍座十字線(xiàn).基準(zhǔn)束安裝后,精密測(cè)量中跨、邊跨的跨距資料,并記錄測(cè)量時(shí)的溫度,根據(jù)這些資料計(jì)算基準(zhǔn)索股的空載線(xiàn)形.調(diào)整時(shí)間,選擇在溫度影響較少的夜間進(jìn)行,溫度穩(wěn)定條件為長(zhǎng)度方向索股溫差小于2 ℃,橫向索股溫差小于1 ℃.跟蹤測(cè)量氣溫變化、束溫變化、撓度變化情況,分析判定基準(zhǔn)索股的線(xiàn)形與設(shè)計(jì)線(xiàn)形是否一致,若有出入,應(yīng)于下一工作夜間繼續(xù)觀測(cè)調(diào)整.

調(diào)整順序?yàn)橄戎锌?、后邊?調(diào)整好的索股不得在鞍槽內(nèi)滑移.索力的調(diào)整以設(shè)計(jì)提供的數(shù)據(jù)為依據(jù),其調(diào)整量應(yīng)根據(jù)調(diào)整裝置中測(cè)力計(jì)的讀數(shù)和錨頭移動(dòng)量雙控確定.其精度要求為實(shí)際拉力與設(shè)計(jì)值之間的允許誤差為設(shè)計(jì)錨固力的3%.

基準(zhǔn)索股標(biāo)高必須連續(xù)3 d在夜間溫度穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行測(cè)量,三次測(cè)出結(jié)果誤差在容許范圍內(nèi)時(shí),取三次的平均值作為該基準(zhǔn)索股的高程.高程穩(wěn)定后方可認(rèn)為調(diào)整完成.

本橋垂度調(diào)整控制標(biāo)準(zhǔn)即基準(zhǔn)索股高程允許誤差如下:中跨跨中6.8 mm,邊跨跨中13.6 mm,上下游基準(zhǔn)索股高差10 mm.

5.2 架設(shè)過(guò)程溫度控制

在主纜生產(chǎn)時(shí),要求生產(chǎn)單位同時(shí)制作2 m長(zhǎng)的主纜索股節(jié)段作為測(cè)溫索,與主纜一同運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng),用以觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)主纜溫度變化.根據(jù)溫度觀測(cè)記錄,晚21∶30～凌晨01∶30期間最高溫度與最低溫度不超過(guò)1 ℃,溫度變化比較均勻,是進(jìn)行索股調(diào)整的最佳時(shí)段.

按照方案,夜間進(jìn)行基準(zhǔn)索股調(diào)整,將控制點(diǎn)調(diào)至設(shè)計(jì)高程.開(kāi)始架設(shè)主纜基準(zhǔn)索股后,連續(xù)3 d進(jìn)行基準(zhǔn)索股高程觀測(cè),高程控制點(diǎn)標(biāo)記在索股上表面,基準(zhǔn)索股的溫度根據(jù)測(cè)溫索的無(wú)線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、大氣溫度及主纜表面溫度綜合選取,觀測(cè)結(jié)果如下表1～表3所示.可以看出,經(jīng)3 d連續(xù)觀測(cè),基準(zhǔn)索股高程變化均在允許誤差范圍內(nèi),基準(zhǔn)索股線(xiàn)形控制效果良好.

表1 第1 d基準(zhǔn)索股控制點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果(觀測(cè)溫度:3℃)Table 1 Control points observation results of datum strand on the first day(Temperature: 3 ℃) m

表2 第2 d基準(zhǔn)索股控制點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果(觀測(cè)溫度:4 ℃)Table 2 Control points observation results of datum strand on the second day(Temperature: 4 ℃) m

表3 第3 d基準(zhǔn)索股控制點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果(觀測(cè)溫度:4 ℃)Table 3 Control points observation results of datum strand on the third day(Temperature: 4 ℃) m

6 結(jié) 語(yǔ)

(1) 潮河大橋?yàn)橹行】鐝綉宜鳂?采用拋物線(xiàn)理論進(jìn)行基準(zhǔn)索股線(xiàn)形理論計(jì)算,考慮了跨度誤差、索長(zhǎng)誤差和溫度等因素影響,完全可以滿(mǎn)足施工控制精度的需要.

(2) 潮河大橋基準(zhǔn)索股架設(shè)線(xiàn)形調(diào)整采用放樣索股跨中里程位置,測(cè)量該點(diǎn)高程到計(jì)算目標(biāo)值.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,基準(zhǔn)索股高程變化處于規(guī)范允許誤差范圍內(nèi),基準(zhǔn)索股架設(shè)控制效果良好.

(3) 本工程采用的基準(zhǔn)索股線(xiàn)形調(diào)整方法原理簡(jiǎn)明、實(shí)用性強(qiáng),適合中小跨度懸索橋,值得類(lèi)似工程借鑒參考.

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【責(zé)任編輯: 趙 炬】

Calculation and Control of Datum Strand Erection of Chaohe Bridge

CaoJing

(Henan Provincial Communications Planning Survey & Design Institute Co. Ltd., Zhengzhou 450002, China)

Taking the self-anchored suspension bridge of Chaohe Bridge as an example, the calculation method of datum strand control and cable strands are mainly introduced.The temperature influence on strand sag at control points and datum strand erection adjustment scheme is expounded. The results show that the control effect of the datum strand erection is good, which can provide reference for similar projects.

suspension bridge; datum strand; construction control; temperature

2016-07-23

曹 競(jìng)(1983-),男,河南永城人,河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司工程師.

2095-5456(2017)03-0238-06

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