中小跨徑懸索橋的施工與控制
2018-01-22
大跨徑懸索橋在施工過(guò)程中，根據(jù)加勁梁吊裝的節(jié)段數(shù)不斷增加，需要適時(shí)地頂推主索鞍以保證索塔受力處在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。但對(duì)于中小跨徑懸索橋結(jié)構(gòu)體系、特別是一些景觀懸索橋橋而言，由于索塔和主索鞍的尺寸較小，無(wú)法實(shí)施主索鞍頂推，而必須選擇其它可靠的施工方案中是一個(gè)值得考慮的問(wèn)題。本文以一座中小跨徑懸索橋?yàn)槔?，介紹其在景觀橋中的施工應(yīng)用情況。
1 工程概述
湖南省醴陵市淥江河人行橋是一座主跨跨徑為80m的地錨式懸索橋，全橋總長(zhǎng)136.2m(包括兩端錨碇)，加勁梁跨徑組成為16.55+80.00+16.55m＝113.10m；梁體寬度：8.00m（包括風(fēng)嘴構(gòu)件寬度），橋面寬度: 7.00m；橋面人行道凈寬5.68m。路面（橋面）中線縱坡4.0％；豎曲線半徑1002.4m；橋梁兩端設(shè)置樓梯踏步，并設(shè)置無(wú)障礙通道。立面圖布置如圖1所示。設(shè)計(jì)荷載：人群荷載3.5kN/m2。
圖1 大橋總體布置（單位：cm）
2 設(shè)計(jì)情況
2.1 上部結(jié)構(gòu)
主纜采用塑料護(hù)套半平形鋼絲索PES7-139成品索，主纜矢跨比為1：7.27，懸索矢高11.00m。吊桿采用PES5-13成品索，吊桿縱橋向間距為3.75m，橫橋向間距為6.40m。采用正交異性鋼箱梁作為加勁梁，單箱單室截面，寬8.00m、梁高1.30m；分段在工廠預(yù)制（焊接），標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)3.75m。頂板厚10mm，底板厚8mm，設(shè)兩道豎直腹板，厚度為10mm?？v向每隔1.875m設(shè)置一道橫隔板，板厚8mm, 并設(shè)置過(guò)人孔。
2.2 下部構(gòu)造
橋塔采用雙柱式，每柱縱、橫橋向尺寸為1.40m和0.90m塔高16.298m?？紤]塔頂設(shè)置鞍座的需要，塔頂2.68m范圍縱橋向加寬為1.60m。兩塔之間設(shè)置橫梁，其頂面距離塔頂1.0m。橋墩采用實(shí)體板式墩身，縱、橫橋向尺寸為1.40m和8.859m。1#橋墩和2＃橋墩的墩高分別為13.802m和16.802m。
2.4 東錨碇、西錨碇結(jié)構(gòu)
重力式錨碇采用沉井，埋深為18.78～19.35m。
3 大橋施工及控制
3.1 施工程序
對(duì)于地錨式懸索橋，常規(guī)的施工程序是：樁基、索塔施工→掛主纜→安裝索夾、掛吊桿→分段吊裝鋼箱梁→根據(jù)索塔受力適時(shí)頂推主索鞍→鋼箱梁焊接合攏→施工橋面系→運(yùn)營(yíng)。但本橋?qū)儆诰坝^懸索橋，跨徑不大，其施工方法顯然不能和常規(guī)懸索橋一致，其原因是本橋索塔尺寸較小、沒有設(shè)置主索鞍。因此，區(qū)別于常規(guī)地錨式懸索橋，本橋在完成索塔施工后，掛纜、并同時(shí)將其與索塔固定，之后吊裝加勁梁，此時(shí)索塔將隨著梁段的不斷吊裝，索塔將朝主跨偏移，為了保證主塔在施工中的受力，根據(jù)主塔的受力情況，適時(shí)地在錨碇內(nèi)對(duì)主纜進(jìn)行張拉，這樣保證索塔受力保證要求。具體施工過(guò)程如下：
（1）在完成索塔施工、掛纜（并在索塔位置對(duì)其進(jìn)行固定）、安裝索夾及吊桿之后，對(duì)兩側(cè)邊跨主纜進(jìn)行張拉，每根主纜張拉力為103kN，使索塔產(chǎn)生預(yù)偏位；
（2）然后依次吊裝跨中5段加勁梁（對(duì)應(yīng)D01～S03吊桿）；
（3）再次對(duì)對(duì)邊跨主纜進(jìn)行張拉，每根主纜張拉力為430kN；
（4）然后吊裝D04～D06吊桿所對(duì)應(yīng)的梁段；
（5）對(duì)邊跨主纜進(jìn)行第三次張拉，每根主纜張拉力為840kN；
（6）吊裝跨中2段鋼梁（對(duì)應(yīng)D07～D10吊桿）以及索塔位置的鋼梁
（7）完成邊跨鋼箱梁的吊裝（在支架上）
（8）對(duì)邊跨主纜進(jìn)行最后一次張拉，每根主纜張拉力為1200kN；
（9）橋面系施工、鋼箱梁焊接，投入運(yùn)營(yíng)。
3.2 施工控制的必要性
淥江河人行橋?qū)儆趹宜鳂蚪Y(jié)構(gòu)，施工過(guò)程比較復(fù)雜，進(jìn)行施工控制是非常有必要的，其原因主要有兩個(gè)：其一，幾何非線性特性非常明顯。從掛空纜到全橋竣工完成，主纜下沉量將達(dá)到40cm左右，施工控制中必須對(duì)空纜架設(shè)和吊裝加勁梁的過(guò)程中對(duì)主纜線形和索塔進(jìn)行詳細(xì)控制，這一點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)受力和線形影響顯著；其二，索塔的受力非常復(fù)雜。由于本橋主跨較小，因此，主索鞍采用的是非常規(guī)作法：空纜就位后，固定主索鞍，之后再將邊跨主纜再次進(jìn)行張拉，使索塔朝邊跨側(cè)傾斜。以后隨著加勁梁的逐段吊裝就位，索塔將朝主跨側(cè)復(fù)位。這樣大大減少了施工的難度，但同時(shí)也對(duì)施工控制增添了很大的難度。如何準(zhǔn)確的控制索塔傾斜量的大小，保證索塔在傾斜過(guò)程中和成橋狀態(tài)的受力安全性，均存在很大的技術(shù)難度，必須予以詳細(xì)考慮。
另外，施工過(guò)程對(duì)成橋狀態(tài)的受力和線形影響巨大。為確保橋梁結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力和變形始終處在安全范圍內(nèi)、成橋后主梁的線形符合設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)恒載受力狀態(tài)接近設(shè)計(jì)期望值，使得對(duì)主橋的施工過(guò)程實(shí)施嚴(yán)格的施工控制成為必要。同時(shí)，為保證大橋建成后結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期健康監(jiān)控的順利進(jìn)行，也有必要在施工階段為此建立與結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)相應(yīng)的初始條件、技術(shù)資料。
3.3施工階段主纜線形
懸索橋施工狀態(tài)是指從掛主纜開始到成橋各階段懸索橋的幾何線形和受力狀態(tài)。確定施工階段主纜線形理想控制目標(biāo)主要解決三方面問(wèn)題：（1）主纜各索段無(wú)應(yīng)索長(zhǎng)；（2）掛索初始狀態(tài)；（3）吊梁階段結(jié)構(gòu)狀態(tài)。
圖2主纜簡(jiǎn)化力學(xué)模型
（1）主纜各索段無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)
無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)的計(jì)算必須從成橋狀態(tài)理想控制目標(biāo)的有應(yīng)力索長(zhǎng)反算而得，也即分段懸鏈線。圖2為其計(jì)算模式。對(duì)固定于A（0，0），B（1，h）兩點(diǎn)的自由索，易得其方程為：
（1）
這是一個(gè)經(jīng)典計(jì)算公式，由該公式計(jì)算主纜的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度，對(duì)于三跨懸索橋，主纜與各吊桿的理論交點(diǎn)均已知，可分段將各吊索間的索段作為懸鏈線，計(jì)算出各段的有應(yīng)力索長(zhǎng)和無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)，累加得到該索段的總索長(zhǎng)和無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)。
根據(jù)橋面標(biāo)高、鞍座壓力等參數(shù)，就可以確定塔高、吊索無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)等重要構(gòu)件尺寸，從而完全得到了掛索初態(tài)所必需的基本參數(shù)。
（2）空索理想控制目標(biāo)
對(duì)于本橋而言，這里主要定義邊跨和主跨的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度在掛纜時(shí)的定位問(wèn)題，指以滿足成橋狀態(tài)理想控制目標(biāo)的各跨主纜無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)空掛于索鞍上，使左、右邊空索水平拉力相等時(shí)對(duì)應(yīng)的主纜形狀與受力狀態(tài)。
（3）加勁梁安裝階段理想控制目標(biāo)
加勁梁的安裝步驟是由施工設(shè)計(jì)確定的。要確定梁體上各塊件在每次施工中的確切位置是十分困難的，為此，可以從成橋狀態(tài)理想控制目標(biāo)開始，逆施工過(guò)程進(jìn)行非線性倒退分析，計(jì)算每一施工階段剩余結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。根據(jù)上述討論可知，只要結(jié)構(gòu)材料參數(shù)、幾何參數(shù)是合理的、施工過(guò)程中不出現(xiàn)人為誤差，從空索理想控制目標(biāo)開始吊梁，則全橋加勁梁安裝完畢，各塊件將相互獨(dú)立，然后作用二期恒載，就可以達(dá)到成橋狀態(tài)的理想控制目標(biāo)。
3.4 主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度
對(duì)于懸索橋結(jié)構(gòu)而言，其成橋狀態(tài)的獲得與主纜的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度關(guān)系很大。一旦主纜的設(shè)計(jì)線形和加勁梁的重量確定，那么中跨和邊跨主纜的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度是唯一的，這個(gè)長(zhǎng)度大小對(duì)成橋后的線形影響很大；因?yàn)橹骼|在索塔頂是固定的，則主纜的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度同時(shí)也是影響到索塔受力的一個(gè)主要影響因素。考慮到本橋的特殊結(jié)構(gòu)布置，在計(jì)算主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度時(shí)，分別采用拋物線法、懸鏈線法和有限元法對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果列于下表中。
表1 主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度計(jì)算對(duì)比結(jié)果
表中結(jié)果表明：有限元結(jié)果正好處在拋物線法和懸鏈線法之間、更靠近懸鏈線結(jié)果?？紤]到有限元分析完全模擬了施工過(guò)程，具有更好的可靠性，因此，最終采用了有限元結(jié)果作為最終的結(jié)果。按照主纜制作溫度20度進(jìn)行考慮，在扣除了每側(cè)塔頂索鞍處的修正長(zhǎng)度0.218m，最終采用有限元計(jì)算值150.094m。在此基礎(chǔ)上，同時(shí)完成吊桿的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度計(jì)算和索夾的定位計(jì)算。并按照以上施工過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的施工控制。
3.5 主要監(jiān)測(cè)參數(shù)
（1）主纜線形、索力控制；（2）吊桿位置、索力控制；（3）橋塔位移及應(yīng)力控制。
3.6 施工控制結(jié)果
大橋施工完成后，中跨跨中主纜的實(shí)際標(biāo)高與理論標(biāo)高只相差不到2cm，線型完成滿足要求，施工過(guò)程中，索塔出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力僅為1.0MPa，也完全滿足要求，沒有出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。大橋竣工之后的實(shí)景如圖3所示，該橋的建成為當(dāng)?shù)卦鎏砹艘坏懒聋惖娘L(fēng)景。
圖3 大橋竣工照片（實(shí)景）
4 結(jié)論
本文以一座中小跨徑懸索橋?yàn)槔榻B了一種新的施工方法，即通過(guò)張拉邊跨主纜來(lái)調(diào)整索塔內(nèi)力。顯然，這種方法在中小跨徑景觀懸索橋中特別使用，可以大力推廣。
參考文獻(xiàn)：
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