斜拉桥施工中斜拉索长度计算和导管安装角度修正方法.doc

斜拉桥施工中斜拉索长度计算和导管安装角度修正方法公路交通技术2011年6月第3期TechnologyofHighwayandTransportJun.2011No.3斜拉桥施工中斜拉索长度计算和导管安装角度修正方法包立新,喻骁(重庆交通大学土木建筑学院,重庆400074)摘要:以长寿长江公路大桥6OmPC斜拉桥为例,分析施工中索塔和主梁变形对斜拉索索长的影响,推导斜拉索长度和安装角度的计算公式,使斜拉索下料长度计算和导管安装角度修正方法在该桥中得到成功应用.关键词:PC斜拉桥;施工控制;斜拉索长度;导管安装角度;修正文章编号:10096477(2011)03008705中图分类号:U448.27文献标识码:ACalculationofStayedCableLengthandCorrectionMethodsforInstallationAnglesinConstructionofCablestayedBridgeBAOLixin.YUXiaoAbstract:BasedonChangshouYangtzeRiverHighwayBridge-460mPCcable-stayedbridgeasanexample,thispaperanalyzesinfluencesofdeformationofcabletowerandgirderonlengthofstayedcablesandderivescalculatingformulaeforlengthofstayedcablesandinstallationangles,enablingsuccessfulapplicationofcalculationofblankinglengthofstayedcablesandcorrectionmethodsforinstallationanglesofconduitsinthisbridge.Keywords:PCcablestayedbridge;constructioncontrol;lengthofstayedcable;installationangleofconduit;correction大跨度PC斜拉桥的斜拉索是结构的主要受力构件,其很大程度地减小了主梁的最大弯矩,使主梁受力更加合理.施工过程中斜拉索参数的确定是斜拉桥施工控制的关键.在实际施工过程中,需要根据施工现场情况对斜拉索的下料长度进行修正.在悬臂段浇筑施工中,斜拉索导管的安装角度可以调整.但是在边跨支架现浇段内的斜拉索导管,因必须预先埋设而无法调整,所以边跨斜拉索导管预埋时,根据斜拉索线型方程计算出两端锚点的切线方向,并据此来安装导管就显得尤为重要.否则可能会发生导管壁和拉索接触,无法安装减震器,甚至影响结构的受力,破坏斜拉索保护层而缩短其寿命等严重后果.1工程概况重庆市长寿长江公路大桥(简称长寿桥)主桥为460m的双塔混凝土斜拉桥,跨径组合为207m+460m+207Ill(为有利于南岸边孔洪水期通航,边收稿日期:2011一Ol一05作者简介:包立新(1968一),男,安徽省池州市人,博士,副教授主跨比取为0.45);引桥北岸为330m预应力混凝土简支T梁,南岸为630m简支T梁,全桥长1160m.斜拉桥结构采用双塔,平行双索面,塔,墩固结,主梁悬浮的体系.从便于施工考虑,斜拉索主梁采用分离式双主肋截面,其间通过桥面板与横隔梁相互连为整体.斜拉索锚于纵肋上,端部纵梁高2.7m,宽1.8113,索塔根部部分纵梁适当加宽至2.4m,顶板设1.5%的双向横坡.桥面全宽20.5in,主梁全宽23.4m,顶板厚0.32m,拉索间距21.6in,每一节段设1道横隔板.主梁采用C60混凝土.为平衡跨中重量,边跨34m采用搭架现浇,端部设压重块.梁上标准索距8m,标准节段长8m,重372t.中跨梁段采用前支点挂篮悬臂浇筑施工,挂篮设计自重200t(挂篮悬臂浇筑最大节段重445t).全桥设3个合龙段,边跨合龙段2m,中跨合龙段2m.主梁布置纵,横双向预应力.拉索布置于人行道栏杆外面,位于主肋截面中间.全桥428对拉索.公路交通技术2011丘2无应力索长修正2.1影响索长因素2.1.1索塔索塔的变位主要包括索塔的偏位和压缩2个方面.斜拉桥成桥后,中跨标高沉降大,索塔向中跨偏移,因此设计中往往增大了边跨后几个节段混凝土的总量,除了用来平衡边跨和跨中重量,还对索塔起到一定的锚固作用.这几个加重块岸侧的索力往往大于江侧的索力,所以斜拉桥在刚成桥时索塔有一个向岸侧的偏位,且在通车运营1O年后才能达到无塔偏的设计状态.实际施工过程中,由于斜拉桥的非线性效应,索塔的偏位难以回到设计的无偏状态,按设计成桥无塔偏的情况生产斜拉索,往往边跨索长偏长而主跨索长偏短.斜拉桥索塔施工是按设计图的节段标高及节段内锚点标高控制,采用翻模或爬模的施工方法,一个节段一个节段地往上施工.每个节段完成后还受到收缩徐变的影响,而且随着工况的前进,后面节段的完成,斜拉索的安装,索塔还会在荷载作用下发生压缩.2.1.2主梁混凝土斜拉桥主梁标高的控制是将桥梁通车运营35年后的线形符合设计线形作为控制目标,据此来反算出预拱度,以确定施工过程中的立模标高.设计中计算斜拉索无应力长度时,采用成桥标高,并相应采用成桥索力.但施工过程中不可避免地会根据现场情况对施工方案进行调整,实际成桥时的标高应以施工监控实际情况为准.施工过程中,混凝土主梁处于以受压为主的压弯状态,并受到混凝土收缩徐变的影响,以及后续节段的影响.随着工况的推进,主梁已成块件将发生纵向压缩.以长寿桥为例,在施工北塔岸侧18块件(距主塔根部160m)时,1l块(距主塔根部104m)前端实测值比设计值压缩了8em,因此在成桥时斜拉索梁上锚点的实际坐标与设计坐标有偏差.综上所述,斜拉索在计算下料长度时必须考虑索塔和主梁坐标的影响;并可以运用有限元法计算出锚点坐标的变化调整量.据此修正成桥索塔和主梁锚点坐标,再根据合理的成桥索力,计算拉索无应力长度,最终根据锚固所需尺寸得到下料长度.2.2拉索下料长度计算公式I4L:L0一L+(肌一A)+.二厶(LMoA)+3d.(1)式中,为拉索下料长度;为拉索锚点间长度;为拉索弹性修正长度;己.为拉索垂度修正长度;为1螺母高度;LML为主动端螺母锚固长度,L肌=;J1为被动端螺母锚固长度,L=;为端锚杯二长度;A为锚杯留空长度;d为斜拉索钢丝直径.斜拉索锚头示意图见图1.图1斜拉索锚头示意2.3应用实例根据前述的修正方法,以长寿桥为例,计算了斜拉索各个参数的调整量,且与索长实际测量结果进行了对比.受篇幅限制,在表1中仅列出了北塔江侧和岸侧的l6对索的计算数据.斜拉桥施工中,考虑到锚具螺母的可调整性,下料长度一般有富余.块件完成且斜拉索锚固后,若索力和标高在控制范围内,则可根据塔梁端外露长度来分析拉索的长短,表1就是根据斜拉索的外露长度计算出调整后的索长偏差量.由表1可知,索长大部分偏差值在5em以内,且正负分布合理.而调整前斜拉索索长绝大部分明显偏长,调整后拉索长度比调整前更加合理.BA13下游索如果不调整则会比理论值长22.4cm,安装时会出现锚环不能全部旋入锚头丝口中的不利情况,必须在塔内张拉端的锚环下垫钢垫块确保锚环旋人锚头丝口中,而这样做则会影响施工,增加费用,可见修正索长是必要的.2.4施工控制应注意的问题施工中可以先生产几对索,然后根据实际偏差值分析原因进行调整.以表1为例,同为BJ5索,上下游的实测偏差分别为13和12cm.偏差原因有:悬臂施工中,斜拉桥采取标高和索力双控的方法,其中以标高控制为主.由于施工中索力或标高存在误2011年第3期包立新,等:斜拉桥施工中斜拉索长度计算和导管安装角度修正方法89注:BA表示北塔岸侧;BJ表示北塔江侧;BAl6表示北塔岸侧l6壕,包括上下游2根.差,测量也有误差,所以拉索外露长度难免存在少许误差,但不应偏差过大.另外,由表1可知,BJ5索上下游索长偏差不同,但实测上下游索力相差并不大,所以除了施工中斜拉索锚固坐标和塔偏不同导致索长偏差外,斜拉索出厂时制造误差也是导致偏差的一个因素.可见,施工控制中应及时总结已成块件索长的变化情况,全面分析误差原因,实时作出调整3斜拉索导管角度修正斜拉索实际线形为悬链线,而设计计算时拉索按直线考虑.施工中如果不根据现场情况对斜拉索预埋管角度进行修正,则可能会出现斜拉索与预埋管相接触,从而影响斜拉索的受力.这种影响长索尤为突出.长寿桥边跨有5个块件是支架现浇施工,对这5对索的导管安装角度的修正显得尤为重要.3.1公式推导对斜拉索导管安装角度的修正实际上就是根据实际施工坐标要求计算出拉索两端(梁端和塔端)处的水平倾角,推导过程如下.建立如图2所示的坐标系.假定:1)拉索是柔性的;2)索只受到自身重力作用.取拉索中任一微元段为隔离体,受力如图3所示.A一坐标原点,拉索塔端锚固点;一向右为正;y一向下为正;一拉索梁端锚固点;一水平力;g一索自重集度;z一索长水平投影;一索A端轴向张力;一索B端轴向张力;一索A端竖向反力;一索B端竖向反力.图2斜拉索受力示意由Y=0得公路交通技术2011丘图3斜拉索微兀段受力不葸一日+()+gds=0.(2)ds=(dx)+().(3)式中,为索微元段有应力长度.联立(2),(3)方程,并由边界条件Yl:0=0,YI=h,得:y:旦c.h一.(望ix).(4)其中=sin+=2_qll$1n11n对(4)式求导,可得tan:一si(一a).(5)qt由此可得悬链线任意一点的水平夹角:一arctin(1x).(6)6由式(3)得:s:旦sinh(2/3一)+sinh.(7)由材料力学知道微段伸长量Ads:.一n将边界条件带入并积分得:,Lit一2s=IllEA,So=s一,4s.(8),式中,E为索弹性模量;A为索横截面面积;.s.为索无应力长度;s为索有应力长度;As为索弹性伸长.至此得到了斜拉索的任一点切线方向的水平倾角公式(6)和无应力索长计算公式(8).塔的压缩和偏位,梁的压缩和标高的调整会引起塔梁坐标的变动,这会对斜拉索在塔梁锚点处的倾角产生影响,所以,在施工中应根据实测塔梁坐标修正斜拉索预埋管的倾角和无应力索长.为保证拉索在套管出口处居中以便安装减震器,同时使拉索锚具与锚固面钢垫板垂直以保证拉索钢丝受力均匀,应该使导管安装时中心轴线的方向与拉索锚固点的切线方向一致.3.2应用实例长寿桥北塔岸侧26,27,28三对索预埋了斜拉索导管(现浇段),根据合理的成桥索力,通过迭代方法计算出斜拉索锚点处的水平倾角,结果见表2.由表2可知,倾角越小,索长越长的索,修正角度越大.一般梁端导管较长,角度的修正对梁端的导管影响较大.梁端索导管最长的为BA26索,导管长度为13.475m.可以算出,修正前后导管口中表2长寿桥斜拉索锚点倾角修正对比2011年第3期包立新,等:斜拉桥施工中斜拉索长度计算和导管安装角度修正方法9l心水平距离为8.5cm,垂直距离为16.4cm.而索导管半径不到19cm,拉索半径为6cm,如不进行倾角调整,斜拉索必定和导管壁接触,对索受力不利.4结论斜拉桥施工中拉索的下料长度,拉索导管安装角度均应根据现场的施工情况做必要修正.可以得出以下结论:1)对斜拉索的修正是斜拉桥施工控制中的关键因素之一.2)索长影响的因素有:塔的压缩和偏位,梁的压缩和施工控制中对标高的调整.导管角度影响因素则是拉索在自重作用下的垂度.3)斜拉桥施工中,索长和斜拉索导管安装角度的修正应考虑当前拉索两端实测坐标与理论坐标的偏差.参考文献向中富.桥梁施工控制技术M.北京:人民交通出版社,2001Miche1.RecentevolutionofcablestayedbridgesJ.EngineeringStructureg,1999,21:735755.雷俊卿.大跨度桥梁结构理论与应用M.北京:清华大学出版社,2007.邵旭东,程翔云,李立峰.桥梁设计与计算M.北京:人民交通出版社,2007.谭红霞,张建民.大跨度斜拉桥施工过程索力