大跨徑斜拉橋拉索施工控制研究

劉占兵，胡 凱，宗 偉

(1.湖北省建設(shè)投資集團(tuán)有限公司/湖北省路橋集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430000;2.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 武漢 430000)

1 引 言

武穴長江公路大橋主橋橋型方案為主跨808 m雙塔斜拉橋，雙塔雙索面半漂浮體系，鉆石型索塔，空間扇形斜拉索。橋跨(主橋、灘橋)組合為：(56+100+56)m連續(xù)箱梁+(6×30)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁+(56+100+56)m連續(xù)箱梁+(80+290+808+75+75+75)mPK鋼箱混合梁斜拉橋+40 m簡支混凝土梁，橋梁全長2 051.5 m，其中主橋斜拉橋長1 403 m(不含橋臺(tái))。

大跨徑斜拉橋的施工控制理論主要有無應(yīng)力狀態(tài)法(提出了結(jié)構(gòu)的基本原理)、幾何控制法(強(qiáng)調(diào)了索長、線形等幾何要素的控制)和自適應(yīng)控制法(收集索、梁、塔等構(gòu)件在制造、安裝等過程的實(shí)際數(shù)據(jù)用于模型修正，從而有針對(duì)性、有準(zhǔn)備地進(jìn)行過程控制)等。

斜拉索無應(yīng)力長度是控制主梁整體線形的主要參數(shù)之一，可通過無應(yīng)力索長的調(diào)整實(shí)現(xiàn)主梁整體線形、索力、塔偏等其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的控制，由于每一根索的無應(yīng)力長度都是獨(dú)立變量，不會(huì)相互干擾，且長度的測(cè)量精度高，因此將無應(yīng)力索長作為大跨徑斜拉橋的基本控制變量具有理論和實(shí)踐的一致性。

針對(duì)武穴長江公路大橋的結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)，采用彈性懸鏈線理論精確解實(shí)用迭代方法計(jì)算無應(yīng)力索長，提出大跨徑斜拉橋拉索施工控制方法，該計(jì)算方法在大跨徑斜拉橋施工控制效果良好。

2 斜拉索控制參數(shù)計(jì)算總體流程

由于斜拉索施工階段多，受力狀態(tài)復(fù)雜，影響因素多，要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)，必須選擇合適的斜拉索控制計(jì)算總體流程，針對(duì)不同施工階段進(jìn)行計(jì)算，確定斜拉索施工控制參數(shù)。

具體步驟為：(1)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙得到成橋狀態(tài)無應(yīng)力索長L0；(2)根據(jù)施工方案，建立各施工階段模型，得到主跨合龍前最大懸臂狀態(tài)無應(yīng)力索長L1；(3)將L0,L1代入各施工階段進(jìn)行計(jì)算，通過迭代得到滿足設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)施工控制參數(shù)。

在橋梁施工過程中收集實(shí)際參數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行修正，并重新計(jì)算施工控制參數(shù)。

3 斜拉索施工控制

對(duì)武穴長江公路大橋無應(yīng)力索長進(jìn)行研究，采用彈性懸鏈線理論精確解實(shí)用迭代計(jì)算方法計(jì)算無應(yīng)力索長。

3.1 應(yīng)力索長的彈性懸鏈線理論精確解實(shí)用迭代計(jì)算方法

建立如圖1(a)拉索上模型，梁端錨點(diǎn)為I端，坐標(biāo)(0，0)和塔端錨點(diǎn)l端坐標(biāo)(l,I)。拉索索力為T，其水平分力為H，其豎向分力為V,N為索力T在拉索弦線上的分力，E為拉索彈性模量，A為拉索截面面積，q為拉索單位長度質(zhì)量。

假設(shè)變形前單位長度重量為q0，變形后單位長度重量q，s為成橋狀態(tài)的拉索索長；s0為拉索無應(yīng)力索長。由于拉索變形前后的總重不變，可以得到

q0ds0=qds

(1)

根據(jù)胡克定律

ds0[1/(1+T/EA)]ds

(2)

則

q/q0=ds0/dx=1/(1+T/EA)

(3)

圖1 斜拉索計(jì)算模型示意圖

定義參數(shù)u=u(x)，其雙曲正弦值等于拉索任一點(diǎn)的斜率，且dy/dx=sinh(u)=tan(α)，α為拉索任一點(diǎn)的傾角。

根據(jù)微段的靜力平衡條件有

∑x=0d(Tdx/ds)=0

(4)

∑y=0d(Tdy/ds)-qds=0

(5)

由式(4)可以看出，微段索力水平分力H相等。

(6)

由式(6)積分可得

(7)

(8)

(9)

(10)

由ds/dx=cosh(u)=T/H，得到變形后索長s

(11)

式(11)為彈性懸鏈線理論拉索變形后的索長公式。

根據(jù)式(11)可知，求得u(l)就可求得拉索索長。

對(duì)式(2)積分可以得到

(12)

將x=0處邊界條件u(x)=u(0)，=0代入式(12)

(13)

得：

則無應(yīng)力索長s0為

(14)

因此，計(jì)算得到u(0)和u(l)u就可以精確求得無應(yīng)力索長s0。

引入x=l處邊界條件：u(x)=u(l)，x=1，y=h，代

入式(8)和式(10)可得

(15)

(16)

假定u(0)和u(l)u為未知待求參數(shù)，式(15)和式(16)為非線性方程組，需要通過迭代求解。

3.2 武穴長江公路大橋斜拉索的制造索長

制造索長考慮了索塔錨固點(diǎn)定位及定位時(shí)溫度修正、新增錨墊板、健康監(jiān)測(cè)錨索計(jì)、上塔柱預(yù)抬、南邊跨預(yù)偏等因素，修正索長，給出錨墊板間無應(yīng)力索長。均在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度為15 ℃條件下給出。

為充分考慮施工誤差的影響，武穴橋制造索長分五批給出，限于篇幅，部分索長見表1、表2。

表1 北塔斜拉索部分制造索長

表2 南塔斜拉索部分制造索長

3.3 成品索彈模測(cè)試

斜拉索制造單位進(jìn)行了成品索彈模測(cè)試，見表3。測(cè)試結(jié)果表明成品索彈模符合規(guī)范要求，且數(shù)值較為集中。結(jié)合其他斜拉橋彈模測(cè)試結(jié)果，本橋采用斜拉索彈模為197 GPa。

表3 成品索彈模測(cè)試結(jié)果

3.4 斜拉索張拉控制

斜拉索張拉控制理論分析中，北塔斜拉索、南塔中跨斜拉索、南塔邊跨1#～10#索索長均采用一次張拉至設(shè)計(jì)索長，11#～26#索考慮合龍后二次調(diào)索，以避免南塔在施工過程中塔偏過大、塔梁限位支反力過大的不利影響。斜拉索初張拉采用張拉力控制，其余張拉均采用拔出量控制。

施工期中，南、北兩側(cè)主梁均架設(shè)至17#節(jié)段時(shí)，長江水位超過警戒水位，主梁架設(shè)施工被迫停止。利用停工期進(jìn)行施工期調(diào)索，消除目前為止的線形誤差、索力誤差等結(jié)構(gòu)誤差，從而以較好的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)入后續(xù)施工，節(jié)省合龍后調(diào)索工作量。考慮到北塔豎向鋼絞線索臨時(shí)限位的作用，北塔調(diào)整17#～5#斜拉索；南塔斜拉索全部調(diào)整。

以北塔為例，調(diào)索后測(cè)量結(jié)果表明：南北三個(gè)懸臂線形平順，懸臂前端高程偏高約5～7 cm，斜拉索索力整體偏差較小，結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平正常，為后續(xù)施工控制提供了較好的結(jié)構(gòu)狀態(tài)條件。

成橋索力測(cè)試，北塔斜拉索及南中跨斜拉索的索力偏差最大7.8%；全部滿足施工監(jiān)控方案中的監(jiān)控目標(biāo)要求；南邊跨斜拉索索力偏差超過5%僅3根，最大為5.7%，其余均滿足施工監(jiān)控方案中的監(jiān)控目標(biāo)要求。上下游索力差均小于3%?？傮w而言，斜拉索索力控制是成功的。

4 結(jié) 語

大跨徑斜拉橋施工控制計(jì)算應(yīng)面向施工，兼顧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、具體施工方法、測(cè)試測(cè)量方法及誤差控制手段等方面，在確保過程安全可控的前提下及允許誤差范圍內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)，核心是幾何控制。無應(yīng)力索長是獨(dú)立變量，采用以錨杯可調(diào)量為約束的索長調(diào)整量聯(lián)系各施工階段，便于指導(dǎo)以錨杯拔出量控制的實(shí)際斜拉索張拉施工。將調(diào)索分為成橋狀態(tài)、最大懸臂狀態(tài)、全部施工階段3個(gè)步驟，依次逐步確定斜拉橋各狀態(tài)參數(shù)，概念清晰；方便與設(shè)計(jì)、施工等各方就計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)接，也反映了隨著現(xiàn)場(chǎng)施工推進(jìn)而不斷深入的特點(diǎn)。具體調(diào)索計(jì)算過程采取先調(diào)整塔偏位移、再調(diào)整主跨線形、最后調(diào)整索力均勻性與橋塔剪力的思路符合大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；采用本文方法武穴長江公路大橋施工過程結(jié)果與實(shí)測(cè)值一致，調(diào)索完畢后索力、主梁線形、橋塔偏位誤差均在允許誤差范圍內(nèi)。