某地錨式懸索橋基準(zhǔn)索股架設(shè)監(jiān)測與控制

焦明東， 陳厚淞

(1.上海同濟檢測技術(shù)有限公司， 上海 200092；2.中國水利水電第八工程局有限公司， 湖南 長沙 410004)

懸索橋尤其是地錨式懸索橋是目前特大跨徑橋梁選型中的首選。懸索橋的主梁線形主要由空纜線形、吊索長度及主梁上恒載決定，一旦索股架設(shè)完成空纜線形就已確定，吊索架設(shè)完成則主梁線形已確定。作為懸索橋的主要承重結(jié)構(gòu)，主纜架設(shè)是整個橋梁建設(shè)中非常重要的環(huán)節(jié)，架設(shè)精度決定橋梁線形和合理成橋狀態(tài)。主纜的線形控制包括基準(zhǔn)索股線形控制和一般索股線形控制。索股線形控制主要通過索股垂度測量和分析進行，主要包括基準(zhǔn)索股的絕對垂度測量和一般索股的相對垂度測量，其中一般索股以基準(zhǔn)索股為基準(zhǔn)進行控制，因而基準(zhǔn)索股的絕對垂度測量和控制是主纜架設(shè)的重要環(huán)節(jié)。本文在分析基準(zhǔn)索股測量內(nèi)容及絕對垂度測量方法的基礎(chǔ)上，對基準(zhǔn)索股垂度測量精度、基準(zhǔn)索股穩(wěn)定性進行分析。

1 工程概況

某地錨式懸索橋跨越區(qū)域性河流，是某高速公路的控制性工程。橋梁全長1 366 m，跨徑布置為(3×40+4×40+3×50) m T梁+(3×50+3×50) m鋼板組合梁+700 m懸索橋+2×40 m T梁，主橋為單跨700 m簡支鋼箱梁懸索橋，其總體布置見圖1。

圖1 某地錨式懸索橋的整體布置(單位：m)

主橋為雙塔三跨雙索面懸索橋，跨徑700 m，主纜跨徑布置為(310+700+175) m=1 185 m。主纜設(shè)上下游2根，采用預(yù)制平行鋼絲索股，通過PPWS法編織而成。每根主纜由85根索股組成，每根索股由127根φ5.0 mm預(yù)制平行鋼絲組成。

為使主纜架設(shè)線形與設(shè)計線形無限接近，對施工過程中主纜線形進行精確測量和控制。鑒于基準(zhǔn)索股是一般索股架設(shè)中調(diào)整的基準(zhǔn)，對架設(shè)過程中基準(zhǔn)索股的絕對垂度進行精密測量和控制，保證基準(zhǔn)索股的線形符合設(shè)計要求，為主纜架設(shè)精度打下基礎(chǔ)。

2 基準(zhǔn)索股絕對垂度測量內(nèi)容分析

基準(zhǔn)索股絕對垂度測量中，首先要確定基準(zhǔn)索股，然后進行絕對垂度測量。垂度測量主要包括基準(zhǔn)索股的絕對垂度測量、上下游基準(zhǔn)索股相對垂度測量和基準(zhǔn)索股穩(wěn)定性觀測。

2.1 基準(zhǔn)索股的選擇

主纜由基準(zhǔn)索股和一般索股組成，線形控制包括基準(zhǔn)索股的絕對垂度控制、一般索股的相對垂度控制。鑒于基準(zhǔn)索股線形是一般索股線形調(diào)整的基準(zhǔn)，選擇基準(zhǔn)索股應(yīng)充分考慮設(shè)計、施工等因素。具體如下：1) 索股處于相對自由狀態(tài)，受其他索股影響較?。?) 先行架設(shè)，便于作為基準(zhǔn)控制其他索股的相對垂度；3) 每根基準(zhǔn)索股校核一定數(shù)量的一般索股；4) 如果一根基準(zhǔn)索股受影響，則根據(jù)其他基準(zhǔn)索股對全部索股進行分組控制?？紤]上述因素，選擇該橋1#索股作為基準(zhǔn)索股。

2.2 基準(zhǔn)索股的絕對垂度測量

基準(zhǔn)索股牽引到位后，對準(zhǔn)基準(zhǔn)索股標(biāo)志點、主索鞍中心標(biāo)志點和散索鞍中心標(biāo)志點，在溫度相對穩(wěn)定的時刻進行索股絕對垂度測量，并根據(jù)基準(zhǔn)溫度對索股線形進行修正。測量過程如下：

(1) 選擇溫度相對穩(wěn)定的時刻進行測量，要求索股長度方向溫差ΔT≤2 ℃，橫截面索股溫差ΔT≤1 ℃。

(2) 測量基準(zhǔn)索股跨中標(biāo)志點、主邊跨散索鞍中心標(biāo)志點、主索鞍中心標(biāo)志點的里程和標(biāo)高。

(3) 將絕對垂度實測值與當(dāng)前狀態(tài)下基準(zhǔn)索股絕對垂度理論計算值相比得到差值，計算得到主索鞍處索股需調(diào)整的索長，反復(fù)調(diào)整直至中跨垂度滿足限差要求。

(4) 中跨絕對垂度調(diào)整完成后，及時調(diào)整邊跨絕對垂度，調(diào)整程序和控制要求與中跨相同。

(5) 中跨和邊跨絕對垂度調(diào)整完成后，及時調(diào)整和控制錨跨張拉力。通過壓力傳感器測試錨跨索股張拉力，并與千斤頂油壓表讀數(shù)相互校核。

2.3 上下游基準(zhǔn)索股相對垂度測量

作為懸索橋的主要承重結(jié)構(gòu)，上下游主纜線形的對稱程度對主梁結(jié)構(gòu)的合理成橋狀態(tài)和承載能力有較大影響，有必要對上下游主纜基準(zhǔn)索股的相對垂度進行測量和調(diào)整。方法如下：

(1) 在邊跨跨中和中跨跨中各搭設(shè)一條軟管連接上下游基準(zhǔn)索股，保持兩端液面在索股同一位置。

(2) 利用鋼板尺測量液面距索股跨中點高度，計算上下游基準(zhǔn)索股的相對高差。

(3) 反復(fù)調(diào)整，直至高差滿足規(guī)范和工程要求。

2.4 基準(zhǔn)索股穩(wěn)定性觀測

鑒于基準(zhǔn)索股受溫度、風(fēng)力等環(huán)境影響較大，對不同時刻基準(zhǔn)索股絕對垂度進行測量并進行穩(wěn)定性對比分析。

(1) 基準(zhǔn)索股調(diào)整完成后，觀察基準(zhǔn)索股各控制點高程，如誤差在允許范圍內(nèi)，則調(diào)整結(jié)束。

(2) 基準(zhǔn)索股調(diào)整結(jié)束后，連續(xù)觀察3 d，每天至少測量4組索股的垂度有效數(shù)據(jù)。

(3) 若控制點高程與目標(biāo)高程之間誤差不大或誤差可接受，則認為基準(zhǔn)索股架設(shè)完成，取多次測量結(jié)果的算術(shù)平均值作為基準(zhǔn)索股的最終線形。

3 基準(zhǔn)索股絕對垂度測量方法

鑒于該地錨式懸索橋的地形條件復(fù)雜、施工設(shè)施上不易架設(shè)水準(zhǔn)儀，選擇全站儀三角高程法測量基準(zhǔn)索股的絕對垂度。

3.1 測站設(shè)置

基準(zhǔn)索股的絕對垂度測量分為3個部分，分別為邊跨1、中跨、邊跨2，合計2個測站，站點布置見圖2。

(1) 邊跨1的測站為位于小里程側(cè)的JM01(測站1)，為首級控制網(wǎng)點，設(shè)計為強制歸心觀測墩。該測站用于測量邊跨1索股的垂度及小里程側(cè)主塔塔偏和塔頂標(biāo)高，用來進行索股垂度修正。

(2) 由于中跨跨徑較長，且地錨式懸索橋?qū)χ锌缰骼|線形的要求較高，選擇大里程側(cè)測站JM04(測站2)進行中跨主纜線形測量，設(shè)計為大里程側(cè)混凝土強制歸心觀測墩。該測站主要用于測量中跨索股垂度。

(3) 邊跨2的測站為位于大里程側(cè)的JM04，與中跨主纜垂度測站一致，用于測量塔偏和塔頂標(biāo)高及邊跨2的索股垂度。

圖2 基準(zhǔn)索股測量測站點布置

3.2 跨中控制點的確定

懸索橋主纜基準(zhǔn)索股測點位于跨中，如果索股線形發(fā)生變化，則跨中測點的高程和里程會發(fā)生變化。選擇索股監(jiān)測點的方法有2種，對應(yīng)不同的計算方法和調(diào)整方法。第1種方法是固定跨中里程位置，僅測量該里程處索股標(biāo)高，根據(jù)解析結(jié)果調(diào)整索股，直至該里程處索股標(biāo)高與目標(biāo)控制值的偏差滿足規(guī)范和工程要求。第2種方法是標(biāo)記跨中索股主跨中點，將棱鏡放置在索股上固定位置，同時測量里程和高程，并根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整索股里程和高程，直至標(biāo)志點里程和高程均達到目標(biāo)控制值。2種方法的控制點見圖2，棱鏡固定見圖3。

圖3 索股監(jiān)測點選擇中控制點示意圖

圖4 棱鏡固定示意圖

2種方法均能實現(xiàn)高精度的施工控制，其優(yōu)缺點：1) 第1種方法僅控制索股在固定里程處的標(biāo)高，施工操作簡單；缺點是僅測試高程數(shù)據(jù)，無法為后期箱梁架設(shè)提供有效的測量基準(zhǔn)點。2) 第二種方法索股標(biāo)記點位置確定，且該點的里程和高程可根據(jù)溫度和塔偏情況進行修正，其首要任務(wù)是對該點進行精確放樣。索股線形調(diào)整過程中，先計算里程和高程變化量，然后結(jié)合2組測量數(shù)據(jù)對索股偏差進行計算和分析。該方法的缺點是每次索股調(diào)整后需進行標(biāo)記點重新放樣。該橋基準(zhǔn)索股監(jiān)測和控制中采用第2種方法測量基準(zhǔn)索股的里程與標(biāo)高。

4 基準(zhǔn)索股垂度測量結(jié)果分析

為評價主纜基準(zhǔn)索股測量與控制精度，為主纜線形控制打下基礎(chǔ)，對基準(zhǔn)索股絕對垂度測量精度和現(xiàn)場穩(wěn)定性進行分析。

4.1 測量精度分析

單向三角高程測量時，計算測站1與測站2高差hab的公式如下：

hab=Sab×tanα+ia-vb+f

(1)

式中：Sab為左岸測站距索股跨中的最近距離，Sab=600 m；α為豎直角，約為2.3°；ia為測站1的儀器高；vb為測站2的覘標(biāo)高。

將式(1)全微分并轉(zhuǎn)化為中誤差關(guān)系式：

mh=

(2)

式中：ms為測距精度；mα為測角精度；mia為儀器高精度；mvb為覘標(biāo)高精度；mf為三角高程與水準(zhǔn)點高程的差值。

該項目基準(zhǔn)索股絕對垂度測量采用萊卡全站儀TM60，其標(biāo)稱精度為1+10-6、0.5″，則ms=±1.6 mm，mα=±0.5″。儀器高利用精密水準(zhǔn)尺采用小角度法測量，mia=±0.2 mm。目標(biāo)高采用固定棱鏡桿測量，mvb=±0.5 mm。

測量過程中，由于大氣折光系數(shù)測量精度較低，為最大程度削弱大氣折光的影響，在小、大里程側(cè)埋設(shè)二等水準(zhǔn)點，架站后在小、大里程側(cè)觀測對向水準(zhǔn)點，計算大氣折光系數(shù)進行修正，保證所測三角高程與水準(zhǔn)點高程差值控制在±5 mm，則mf=±5 mm。取2倍中誤差為極限誤差，則主跨垂度測量誤差區(qū)間為(-10.48 mm，+10.48 mm)，能滿足索股架設(shè)的設(shè)計精度要求。測量精度分析結(jié)果見表1。

表1 測量精度分析結(jié)果

根據(jù)JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》，懸索橋主跨主纜基準(zhǔn)索股跨中高程精度要求為±20 mm，邊跨基準(zhǔn)索股跨中高程精度要求為±50 mm，該橋邊跨1、中跨和邊跨2的絕對垂度測量精度滿足要求。

4.2 基準(zhǔn)索股的穩(wěn)定性觀測結(jié)果

基準(zhǔn)索股受不均勻光照和風(fēng)的影響處于動態(tài)平衡狀態(tài)，為保證基準(zhǔn)索股架設(shè)線形的精度，剔除環(huán)境中各種不利因素，選擇多次測量結(jié)果評價基準(zhǔn)索股絕對垂度的穩(wěn)定性來評價基準(zhǔn)索股的架設(shè)精度。

基準(zhǔn)索股架設(shè)完成后，進行持續(xù)3 d的基準(zhǔn)索股穩(wěn)定性觀測。考慮溫度、塔偏和塔高的影響，對基準(zhǔn)索股絕對垂度進行修正，得到當(dāng)前狀態(tài)下理論絕對垂度，并與基準(zhǔn)索股的實測絕對垂度對比，得到基準(zhǔn)索股的相對垂度差(見表2)、中跨索股絕對垂度差值變化(見圖4)。

表2 基準(zhǔn)索股的絕對垂度差 mm

圖5 中跨索股絕對垂度差值變化

由表2可知：邊跨1的絕對垂度差最大值約為+18 mm，中跨絕對垂度差最大值約為-19 mm，邊跨2絕對垂度差最大值約為+11 mm，滿足邊跨精度要求。由圖5可知：上下游主纜變化趨勢一致，絕對垂度變化與溫度變化具有一定的規(guī)律，說明主纜線形及受力處于合理狀態(tài)，所采用的基準(zhǔn)索股監(jiān)測和控制方法有效。

5 結(jié)論

通過對某地錨式懸索橋基準(zhǔn)索股絕對垂度的測量，得到如下結(jié)論：1) 將該橋1#索股作為基準(zhǔn)索股，能滿足施工、測量和控制要求；2) 固定跨中里程位置作為絕對垂度控制點，更能適應(yīng)懸索橋主纜控制要求；3) 測量精度分析結(jié)果顯示，測站設(shè)置和測點選擇能滿足相關(guān)規(guī)范要求；4) 基準(zhǔn)索股穩(wěn)定性觀測結(jié)果顯示，在溫度保持穩(wěn)定的情況下，基準(zhǔn)索股的絕對垂度變化符合規(guī)范要求。分析中未考慮施工過程中溫度不均勻、風(fēng)力等外界因素，需考慮這些外界因素進行進一步分析研究，提高懸索橋基準(zhǔn)索股監(jiān)測和控制精度。