自锚式悬索桥施工控制.doc

自锚式悬索桥施工控制王鹏1、2 吴迅1 石雪飞1 阮欣1（1、同济大学桥梁工程系 200092 2、广州市市政工程设计研究院 510060）摘要：本文系统地阐述了自锚式悬索桥施工控制的方法。空缆线形计算是自锚式悬索桥施工控制的关键环节，然后通过张拉吊杆使自锚式悬索桥达到理想的线形。本文结合工程实例详细介绍了自锚式悬索桥空缆线形计算的方法以及吊杆张拉施工过程的控制，并得出了一些有意义的结论，对其他相类似的工程有一定的指导作用。关键词：自锚式悬索桥、空缆线形计算、施工控制Construction Control of Self-anchored Suspension BridgeAbstract: This paper expounds the method of construction control of self-anchored suspension bridge. Analysis of cable shape at cable-finished stage is the key of construction control of self-anchored suspension bridge. And then we can gain the perfect shape of self-anchored suspension bridge by straining hangers. Through an example the author introduced the method of analysis of cable shape at cable-finished stage and construction control of straining of hangers and some useful conclusions are drawn. And these may be of certain guidance for other similar engineering.Key words: self-anchored suspension bridge, analysis of cable shape at cable-finished stage, construction control1 工程概况吴淞江自锚式悬索桥是上海安亭汽车城汽车博览公园内的一座景观桥梁，其总体布置见图（1.1）。跨径组合为25+70+25m，桥宽8m。主缆计算垂跨比为1/7.8，矢高9m。桥面以上塔高10.663m，桥面以下塔高5.937m，双塔柱无风撑。主缆直接锚固于边跨主梁，采用7根615mm平行钢丝成品索编制排列而成。吊杆间距5.0m，采用375.1的镀锌高强钢丝成品索。主梁采用钢筋混凝土“”形梁，标准梁高0.75m，主缆锚固区的端锚段为变截面，每侧长7.5m，宽9.1m，边墩支承线处梁高为2.0m，横截面为矩形实心断面，主要用作主缆锚固及平衡压重。索鞍采用双套管结构，外管埋于混凝土塔柱内，内管置于外管内，主缆裸索穿过内管。图1.1 吴淞江自锚式悬索桥立面图（vertical chart of the self-anchored suspension bridge over Wusong River ）2 施工控制的目的、任务及方法自锚式混凝土悬索桥的施工控制有三个主要任务，一是事先进行计算分析确定空缆线形，使主缆在建成时达到设计所希望的几何线形；二是使结构在建成时达到合理的内力状态，这主要是指加劲梁和索塔的应力应不超过规范允许值；三是在施工过程中保证结构的安全。针对自锚式悬索桥结构及施工方法的特点，总的施工监控的原则是保证主梁和索塔内力在控制范围内的情况下，尽量达到设计的线形。本桥主梁及塔柱均为钢筋混凝土构件，施工阶段也没有临时预应力束，因此保证施工阶段主梁及塔柱不开裂是施工过程中控制索力的主要因素，因此吊杆力必须分多级施加。除了在设计计算中进行细致的吊杆力施加步骤计算外，施工监控时在主梁、塔柱、主缆中埋设传感器，对主梁、索塔关键截面应力、主缆拉力进行跟踪观测，以保证全桥施工安全。自锚式悬索桥一般采用满堂支架现浇主梁，然后浇筑桥面以上主塔，再安装主缆、最后通过张拉吊杆的方法进行施工，在施工过程中循环性的工序相当少，且对已施工结构进行调整的措施不多。因此，在施工前确定合理的施工步骤、现场严格按预定的施工步骤进行施工、及时发现和纠正已经存在的误差是本桥施工控制的关键。自锚式混凝土主梁悬索桥施工误差主要出现在以下几个方面：桥面横梁及主梁重量的误差；混凝土配合比及弹性模量等的不准确；主缆定位时温度影响，包括主缆安装初始温度及吊杆张拉时的温度等；主梁上吊杆预埋位置和索夹安装位置误差；桥面施工荷载重量的误差； 混凝土徐变及收缩参数的不确定引起的应力重分布等。根据以上特点，本桥的施工控制采取在保证主梁内力满足要求的前提下，对结构变形（高程）、应力进行双控，其中以主梁、塔柱变形控制为主，应严格控制塔柱、主梁等关键截面在危险工况下的位移变化，同时关注关键截面应力发展状态及趋势。具体采用的方法如下：（1）结构施工前期分析尽可能详细地了解施工过程，调查施工荷载的大小与位置。根据施工方法进行每一工况的有限元分析，尽可能精确模拟施工全过程，获得结构各施工阶段的期望状态，得出各施工过程中各断面的内力、应力和变形的期望值，对选定的施工控制主要参数及主要成果应形成施工控制预备文件，在此基础上进行施工误差灵敏度分析，确定各施工步骤的允许误差及误差出现后的内力及位移调整方案，作为施工依据。（2）现场测试与现场计算分析调整在施工全过程中，对全桥结构进行现场测试跟踪，将测量结果与计算结构进行分析对比，在出现误差时，通过结构线形、材料弹性模量、温度场等的现场测量结果，分析误差出现的原因，确定调整吊杆力误差的措施。（3）关键部位的应力、内力及变形跟踪根据前期分析的结果，确定结构在施工期间的薄弱环节，对施工期的危险状态进行结构应力状态监测，及结构变形状态测量。3 空缆线形计算图31 索段受力示意图(sketch chart of a passage of cable)空缆线形计算是本桥施工控制的关键环节。本桥为钢筋混凝土自锚式悬索桥，施工时先架设加劲梁和主缆，再通过张拉吊杆逐步使吊杆中产生拉力。最终成桥时的吊杆力主要受加劲梁自重分布的影响，但为了使成桥时吊杆力均匀分布，且加劲梁有一定的预拱度，在加劲梁和索塔应力满足设计要求的情况下，可以微幅调整吊杆力的大小，既使主缆达到设计的线形，又使得加劲梁和索塔受力合理。因此，计算时要反复试算，在施工过程中多安排几次张拉循环，使吊杆力逐步施加上去。试算的原则就是使各工况下加劲梁和塔顶的位移不能太大，塔梁交接处梁截面的应力和塔底的截面应力不能超过规范允许值。空缆线形计算时，首先假设按一期恒载平均分配计算吊杆力，两吊杆间索段的力学模型如图3-1所示。相邻索夹间主缆的基本线形可以采用文献1中的方程：式中q为索单位长度重，s为索曲线长度。根据吊杆间任一索段的平衡方程计算成桥主缆线形，进而采用迭代的方法计算各索段无应力长度、鞍座的预偏量和空缆线形。根据计算得到的空缆线形建立有限元模型进行非线性有限元计算。主梁、索塔均采用梁单元。本桥主缆直径较小，采用梁单元模拟时其抗弯惯矩很小，可以忽略不计，这与用杆单元模拟差别不大。吊杆采用拉索单元。全桥共133个单元。计算模型见图3.2。计算时考虑几何非线性因素的影响。为了保证计算的精度，每次施加的荷载应尽量小，因此整个施工过程中安排八次张拉循环，使得吊杆力逐步施加上去。其中第一至五次边跨吊杆和主跨吊杆同时张拉，安排在支架拆除前进行；支架拆除后进行第六张拉循环，只张拉主跨吊杆；桥面铺装分两次进行，第一次完成后进行第七次张拉循环；全部铺装完成后进行第八次张拉循环。图3.2 吴淞江自锚式悬索桥计算模型(analysis model of the self-anchored suspension bridge over Wusong River)从有限元计算的结果来看，吊杆拉力与第一次的假定值相比有较大的差别，而且有限元计算得到的成桥时的主缆线形也与设计线形不符，因此需要按照重新计算得到的吊杆力再用数值方法计算成桥主缆线形和空缆线形。这样反复迭代几次，数值计算与有限元计算的结果就会基本吻合。4 施工过程控制4.1 主缆及索夹、吊杆的安装根据计算确定的主缆无应力长度，计算主缆下料长度，然后根据计算得到的空缆线形安装主缆。本桥索鞍的构造比较特殊，施工过程中索鞍与索塔顶端很难使其产生相对移动。所以应该在吊杆张拉前，将主缆顶推到设计位置，然后将主缆固定在塔顶，这时索塔有向边跨的预偏，在以后的施工过程中，通过张拉吊索使索塔在成桥时的位置达到垂直。4.2 吊杆张拉控制吊杆张拉分七次循环进行。由于主缆顶推后测得的实际主缆线形与计算值有误差，所以必须调整计算模型中的主缆线形，再根据事先拟定的吊杆张拉力进行有限元分析，计算每次张拉时各吊杆的伸长量，吊杆张拉时就以此为主要控制目标，张拉力为辅。每次张拉完成后测量主缆的线形和桥面标高，测量关键截面的应力，应力测量截面的位置见图4.1。根据测量的应力和标高数据，分析下一张拉循环是否需要对张拉力进行调整，如不需调整就可进行下一循环张拉工作，否则调整张拉力重新计算吊杆伸长量，以后的张拉就依据新的吊杆伸长量进行。张拉时的现场图片见图4.2。 图4.1 应力测点布置示意图 图4.2 张拉施工全景图(sketch chart of the place for surveying stress) (panoramic picture about straining hangers) 通过五次循环张拉，加劲梁的自重已基本上由主缆承受了。从张拉所测得的数据来看，主要有以下一些特点：（1）由于模型计算中考虑的加劲梁支承条件与实际不符，支架拆除前五次张拉循环加劲梁标高变化很快，与模型计算值相差较大。因此，张拉时应以伸长量控制为主。随着支架的拆除，加劲梁支承条件的影响消除，再经过一次张拉，主缆线形及主梁标高与模型计算值比较吻合。（2）加劲梁上各应力测量截面的应力实测值与模型计算值存在一些差别，但总的趋势是吻合的。随着吊杆的不断张拉，主缆拉力不断增加，加劲梁内大部分截面都有一定的压力，只是在索塔支承处，由于位移变化的转折，在截面下缘出现了微小的拉应力，但并没有超过规范的允许值。（3）由于施工过程中主缆在索塔顶是固定的，所以吊杆张拉前，应使索塔向边跨预偏，随着吊杆张拉，索塔逐渐向跨中靠拢，甚至向跨中倾斜，但要保证成桥时索塔垂直。施工过程中应密切监控索塔垂直度和底端的应力，一旦发现应力超过规范允许值就应调整张拉力。从所测得的塔底应力数据来看，塔底应力变化基本符合模型计算的规律，应力数值也没有超过规范允许值。5 结论本文结合实例介绍了自锚式悬索桥施工控制方法，并从中得到了一些有意义的结论。（1）在计算空缆线形时，可以先按主索鞍与塔顶可以相对滑动考虑。如果实际上主索鞍和塔顶在施工中是固定的，只要调整中、边跨吊杆拉力，使得索塔两侧的主缆水平力相等，塔顶基本没有水平位移即可。（2）自锚式悬索桥施工控制的基础是空缆线形的计算，只要主缆的无应力长度和空缆线形计算准确，通过调整吊杆拉力，最终总能达到设计的成桥线形。（3）自锚式悬索桥施工时，吊杆的张拉应以伸长量控制为准。这样做一是可以解决油压千斤顶的读数不准确，难以有效控制的问题；二是可以保证吊杆长度不会有很大的偏差，避免成桥时由于吊杆长度过长或过短造成返工；三是可以保证主缆线形平顺。（4）当主索鞍与索塔顶端不能相对滑动时，施工过程中索塔顶端将会受到主缆不平衡水平力作用，在索塔底端产生弯矩。因此施工中应密切注意索塔底端的应力变化