中央索面混凝土梁斜拉橋空間索導(dǎo)管定位、安裝控制要點(diǎn)

吳鵬亮

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

在300m～1000m 這一跨徑范圍內(nèi)，作為現(xiàn)在的流行橋型，斜拉橋比懸索橋更具優(yōu)勢(shì)，其斜拉索定位、安裝也有較高要求。斜拉橋是受力復(fù)雜、各構(gòu)件間相互影響大且內(nèi)力和線形可人為控制的高次超靜定結(jié)構(gòu)，其龐大質(zhì)量產(chǎn)生的力通過斜拉索及其索導(dǎo)管傳到塔上。為了防止拉索與索導(dǎo)管管口發(fā)生摩擦而造成拉索損壞，保證對(duì)稱主塔兩側(cè)的斜拉索位于同一設(shè)計(jì)平面內(nèi)，避免錨固點(diǎn)偏心而發(fā)生附加彎矩超過設(shè)計(jì)允許值，斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系在工序流程管控、技術(shù)質(zhì)量管理過程中的施工、測(cè)量和監(jiān)控等方面均有較高要求，其中施工控制的關(guān)鍵在于把控好斜拉橋索導(dǎo)管施工精度。該文以清水江特大橋鋼絞線斜拉空間索導(dǎo)管安裝施工為例來總結(jié)定位和安裝控制要點(diǎn)。

1 工程概況

清水江特大橋?yàn)檠睾又灵沤咚俟穭印沤慰刂菩怨こ?，全橋跨徑布置為?×30）m 先簡(jiǎn)支后橋面連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁+（120+300+120）m 預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主橋?yàn)榭鐝?00m 的“塔、梁、墩固結(jié)”的雙塔中央雙索面混凝土斜拉橋，3#、4#索塔總高度分別為149m、182m。索塔兩側(cè)各布置23 對(duì)斜拉索，中跨及邊跨斜拉索梁上標(biāo)準(zhǔn)間距為6m，邊跨尾索區(qū)斜拉索標(biāo)準(zhǔn)間距為4m，采用空間扇形布置，清水江特大橋主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1 所示。

圖1 清水江特大橋主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面示意圖

1.1 斜拉索結(jié)構(gòu)

清水江特大橋的斜拉索主要由梁端、塔端的錨固段、過渡段以及中間的自由段組成。錨固段主要包括索導(dǎo)管、斜拉索錨固螺母、錨固板、夾具及保護(hù)設(shè)施；過渡段主要包括墊板、減振裝置；自由段包括環(huán)氧單絲涂覆鋼絞線、索箍及HDPE 保護(hù)管。

斜拉索是斜拉橋的生命線，索導(dǎo)管則是決定斜拉索使用壽命、成橋可靠性的關(guān)鍵部件。索導(dǎo)管的定位、安裝在該過程中具有精度要求高、高空施作難度大、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜以及不可控影響因素多等特點(diǎn)。

1.2 主梁

1.2.1 橫向預(yù)應(yīng)力布置

橫向預(yù)應(yīng)力僅在橫隔板處設(shè)置，型號(hào)為15-19，但水平方向上存在很大的側(cè)向力，沒有足夠的預(yù)應(yīng)力。因此，應(yīng)將梗肋布置在橫向隔離件的懸臂處。另外，在豎向預(yù)應(yīng)力的作用下，水平梁的縱向承載能力只有一個(gè)很低的百分比，而在永久加載條件下，雖然可以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，但是剩余的空間很少，使日后產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)加劇。因此，為避免后期開裂，應(yīng)對(duì)懸臂梁的梁進(jìn)行加固。

1.2.2 輔助墩墩頂壓重

在結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，副墩頂部常因常加載而承受較大的拉應(yīng)力，因此在結(jié)構(gòu)上常采取副墩頭集中承壓的方法，使其具有一定的承壓能力。但由于橋墩壓力較大，因此施工難度大，影響檢修通道。為了解決這一問題，對(duì)副墩頂部采取均勻分布的方法，在副墩頂部130m 處，梁頂和壓重層同時(shí)進(jìn)行。采用壓實(shí)材料進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可大大減少工程的難度，同時(shí)也能保證橋梁內(nèi)部的維修暢通。

2 索導(dǎo)管長(zhǎng)度計(jì)算

空間索道的坐標(biāo)計(jì)算通常有2 種方法：一是利用設(shè)計(jì)圖紙上提供的角度、高程、索導(dǎo)管及錨墊板的尺寸進(jìn)行計(jì)算，加上監(jiān)控單位提供的預(yù)抬、預(yù)偏值，通過Excel 軟件計(jì)算出索導(dǎo)管錨固點(diǎn)及出口點(diǎn)的三維坐標(biāo)；二是利用設(shè)計(jì)圖紙上提供的角度、高程和監(jiān)控單位給出的預(yù)抬、預(yù)偏值，通過CAD軟件畫出索導(dǎo)管，量取錨固點(diǎn)和出口點(diǎn)的坐標(biāo)[1]。

2.1 主塔斜拉索錨固區(qū)空間角度、高程表

該項(xiàng)目以Excel 軟件計(jì)算索導(dǎo)管三維坐標(biāo)為例闡述計(jì)算過程，根據(jù)設(shè)計(jì)提供的主塔斜拉索錨固區(qū)空間角度、高程表，求解每根索導(dǎo)管的長(zhǎng)度。根據(jù)圖紙?zhí)峁┑闹魉崩麇^固區(qū)空間角度和坐標(biāo)表見表1。

表1 斜拉索區(qū)空間角度、高程表

2.2 索導(dǎo)管計(jì)算公式

根據(jù)三維計(jì)算公式計(jì)算空間索管長(zhǎng)度，如公式（1）、公式（2）所示。

式中：D-索導(dǎo)管外直徑；L1-錨固點(diǎn)M到出口點(diǎn)W的距離；X-xy平面出口點(diǎn)W到索管底的距離；L2-xy平面錨固點(diǎn)M到出口點(diǎn)W的距離；L-索管的長(zhǎng)度。

2.3 索導(dǎo)管計(jì)算長(zhǎng)度

現(xiàn)以Z17 號(hào)索導(dǎo)管為例計(jì)算管長(zhǎng)度，如公式（3）、公式（4）所示。

3 索導(dǎo)管安裝定位施工要點(diǎn)

3.1 索導(dǎo)管在后場(chǎng)的加工與安裝控制

3.1.1 索導(dǎo)管的加工

根據(jù)纜線的設(shè)計(jì)圖紙D2（纜線的最大側(cè)和最短側(cè)），在纜線管道上確定L1、L2線（纜線的最長(zhǎng)側(cè)和最短側(cè)），用石墨標(biāo)記L1、L線，需要D點(diǎn)的間距，然后根據(jù)圖紙上的實(shí)際錨點(diǎn)與鋼纜的中軸線坐標(biāo)、切削角確定L1、L2線上的E、F點(diǎn)坐標(biāo)。再根據(jù)線導(dǎo)管L1、L2線和勁性骨架上、下2 個(gè)面，即橋坐標(biāo)系向后部坐標(biāo)體系的轉(zhuǎn)變后從上到下的交叉點(diǎn)A、B、C、D點(diǎn)的坐標(biāo)，并根據(jù)纜線的后場(chǎng)設(shè)定控制點(diǎn)（如圖2所示）。

圖2 索導(dǎo)管的加工示意圖

在索導(dǎo)管下完料后標(biāo)記編號(hào)，并根據(jù)圖示與下料的錨墊進(jìn)行焊接。在鋼管制作完畢后，對(duì)鋼索及鋼索長(zhǎng)度、A、B、C、D、E、F點(diǎn)之間的L1、L2線及EF的斜率進(jìn)行測(cè)試。

3.1.2 索導(dǎo)管在勁性骨架上的安裝控制

索導(dǎo)管安裝圖如圖3 所示。

首先，在鋼索導(dǎo)管入口即抄平纜線后面的平臺(tái)和鐵絲網(wǎng)的入口，鐵軌上的隔離層必須保持豎直。

其次，在對(duì)所述平臺(tái)進(jìn)行加工前，對(duì)所述加強(qiáng)框架的上下端控制面NN'IT'、MM'HH'平面進(jìn)行測(cè)定，以其作為基準(zhǔn)面。4 個(gè)加勁梁在4 根直立的頂端焊接一個(gè)帶螺紋的槽，而在下一頭只焊接用于緊固的鋼板。在筋條上邊和下邊的控制面NN'IT和MMHH'平面上，用一根鋼尺來測(cè)量中間的N和M（控制基準(zhǔn)），N和M是支撐條的y、z坐標(biāo)和方向的控制線，NM與垂直方向平行。N、M節(jié)點(diǎn)和工作臺(tái)的豎直投影應(yīng)該是相符合的（在主手臂的中軸線上）。N、M點(diǎn)的豎向投影N'M'連線為電纜的引出點(diǎn)（索導(dǎo)管的引出點(diǎn)均位于塔的側(cè)面中心線上），因此能夠用鋼尺沿N"M"連線進(jìn)行測(cè)量。NM曲線為指強(qiáng)骨上表面（前后場(chǎng)設(shè)定基線1）的中軸線，NM在筋骨下的豎向投影N'M'，即下表面的中央（前后場(chǎng)組裝基線2）。在N、M點(diǎn)平臺(tái)投影N"、M"點(diǎn)的延長(zhǎng)線上，在G點(diǎn)上加一個(gè)“N”點(diǎn)。

再次，根據(jù)上述相關(guān)參數(shù)，求得索導(dǎo)管A、B、C、D、E、F點(diǎn)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，E、F點(diǎn)為索導(dǎo)管出塔的控制點(diǎn)，A、B、C、D是索導(dǎo)管與勁性骨頭相交的內(nèi)控制點(diǎn)。把E、F、B點(diǎn)投影到金屬片上的投影E、F、B'，將球的倒置投影到剛性物體的頂端，進(jìn)而決定B點(diǎn)。鋼索吊起后，必須保證鋼索E、F、B點(diǎn)同時(shí)與平臺(tái)和筋板上的E、F、B點(diǎn)強(qiáng)制重合。在2段控制線上，以一塊作為基準(zhǔn)，用鋼尺測(cè)量H、H'、I的控制線，并做相應(yīng)的標(biāo)識(shí)。H、H'、Ⅰ、I'點(diǎn)是x坐標(biāo)點(diǎn)，HH'和II'點(diǎn)連點(diǎn)既是肌腱的橫向中心軸線，又是勁性骨骼的控制基線3 和控制基線4。

最后，將索導(dǎo)管與勁性骨架連接好后，利用全站儀實(shí)測(cè)錨固點(diǎn)O1，測(cè)量A點(diǎn)和C點(diǎn)，確定纜繩中軸O1O2的方位，并與其進(jìn)行對(duì)比。

3.2 索導(dǎo)管定位

3.2.1 定位精度分析

采用萊卡全站器進(jìn)行測(cè)控，雙測(cè)回線分別進(jìn)行橫向、數(shù)字角度和間距的測(cè)量。通過全站測(cè)量的精度可以求出三維坐標(biāo)的中間偏差，如公式（5）～公式（7）所示。

式中：md為距離的偏差，取md=±-2mm；mx為垂直和橫向角度的角度偏差，用“±2.5”表示；D為測(cè)得的斜矩，取D=750m；z是垂直角度，最大值l5；a是橫向角度，取最不利為0；mk是空氣折射率的最大值，取mk=±0.05；i和v是儀表高度和棱鏡高度，取mi=0，ma=±lmm；S為測(cè)量水平矩，取S=310m。

帶入可解得mx=my=2.44mm<5mm，mz=2.38mm<5mm。

如果取棱鏡對(duì)中桿對(duì)中精度為mg=±2mm， 則3.99 mm，滿足設(shè)計(jì)要求[2]。

3.2.2 定位點(diǎn)坐標(biāo)確定

通過給出的A、C點(diǎn)的坐標(biāo)、斜拉索的位置和相應(yīng)的大小，可以方便地求出索導(dǎo)管在任意位置的三維空間位置。根據(jù)該文的定位思想，先要得到A'和O的坐標(biāo)，然后通過全站儀器的測(cè)量和放樣，才能準(zhǔn)確地確定單個(gè)鋼纜的空間位置。這一推理過程如下。

AO段長(zhǎng)是指預(yù)埋件的深度和錨墊的厚度總和。從空間坐標(biāo)的角度可以容易地得到O'點(diǎn)的坐標(biāo)，如公式（6）所示。

式中：（XA，YA，ZA）是點(diǎn)A的立體空間坐標(biāo)；（Xo，Yo，Zo）是點(diǎn)O的立體坐標(biāo)。

由于A'點(diǎn)的坐標(biāo)不在索導(dǎo)管的中軸線，所以不能通過線性方程來導(dǎo)出，但是可以選擇O點(diǎn)為介質(zhì)，先求出O點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后通過A'O的線性方程求出A'點(diǎn)的坐標(biāo)。參考點(diǎn)O的坐標(biāo)如公式（7）所示。

上述計(jì)算式均為索導(dǎo)管的空間三維坐標(biāo)。

3.3 結(jié)果測(cè)定

通過表中數(shù)據(jù)（見表2）可看出各控制點(diǎn)坐標(biāo)誤差均為毫米級(jí)、最大誤差僅1.1mm，誤差較小，均在可控制范圍內(nèi)。因此，公式推導(dǎo)得出的三維坐標(biāo)完全可以滿足施工要求，該方法比CAD 繪圖更方便快捷，易于在現(xiàn)場(chǎng)使用。

表2 理論值與精確值對(duì)比誤差

4 結(jié)語

根據(jù)清水江大橋斜拉橋施工經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際實(shí)施過程中不能直接按照?qǐng)D紙?zhí)峁┑乃鲗?dǎo)管長(zhǎng)度下料加工，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況坐標(biāo)計(jì)算放樣、復(fù)核計(jì)算索導(dǎo)管長(zhǎng)度。計(jì)算坐標(biāo)使用三維坐標(biāo)放樣的方法，然后通過復(fù)核計(jì)算索導(dǎo)管的長(zhǎng)度，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行索導(dǎo)管的精確定位及三維空間調(diào)控。索導(dǎo)管三維空間調(diào)控需要按照先粗、后精、再檢核的多重控制的原則進(jìn)行一系列的施工和數(shù)據(jù)解算。

斜拉橋斜索空間導(dǎo)向管準(zhǔn)確、方便、快速定位是施工現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)難點(diǎn)之一，在今后實(shí)施過程中仍需要積累更多經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)優(yōu)化數(shù)據(jù)管理、解算復(fù)合及現(xiàn)場(chǎng)施作流程，減輕測(cè)量人員、施工人員的工作量，提高現(xiàn)場(chǎng)施工效率，形成更完善的斜拉橋塔柱與索導(dǎo)管測(cè)量、施工方法。最終通過在施工中的運(yùn)用，有效保證了索導(dǎo)管定位安裝的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了大橋的正確合龍，確保了大橋壽命與質(zhì)量。