自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換施工控制技術(shù)應(yīng)用
2018-03-05
1、概況
青島海灣大橋大沽河航道橋為主跨260m的四跨連續(xù)獨塔自錨式懸索橋，跨徑布置為80+190+260+80m，主塔為獨柱式混凝土塔，高148.7m，其箱梁為扁平流線型鋼箱梁，梁寬47.41m，總重2.1萬噸；2根主纜，單纜61根索股。該橋橋型布置圖見圖1-1所示。
圖1-1 大沽河航道橋橋型布置
主纜主跨矢跨比為1/12.53，邊跨矢跨比為1/18.04。主纜為兩根空間纜，橫橋向中心間距在塔頂為2.5m，在主跨側(cè)后錨面為6.5m，在邊跨側(cè)后錨面為7.8m。吊索設(shè)置于主跨及邊跨，吊索名義水平距離為12m，其余吊索名義水平間距為12m。
2、自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換施工特點
自錨式懸索橋由于主纜端部錨固力介入梁體的受力和變形，因而整個橋體結(jié)構(gòu)的靜力和動力特性較常規(guī)地錨式懸索橋更為復(fù)雜，加勁梁受強大軸向壓力成為壓彎構(gòu)件，加勁梁和主纜的施工順序與地錨式懸索橋完全相反為“先梁后纜”。
自錨式懸索橋由于主纜的空纜狀態(tài)與成橋狀態(tài)相差很大，二者的豎向坐標(biāo)及橫向坐標(biāo)有的甚至相差達4m之多，這就對體系轉(zhuǎn)換中的吊索張拉施工提供了很高的要求。由于吊索承載力、張拉設(shè)備的數(shù)量和能力、主梁和主塔的承載力等各種因素的限制，全橋的吊索大多需多次逐步分級張拉，才能達到設(shè)計值。
另外，在吊索張拉過程中，存在各種非線性影響，如主纜的大位移非線性、主纜與鞍座的滑移和頂推非線性，吊索間力的強相干性、吊索的參與與退出工作、混凝土的收縮徐變、加勁梁與制作的接觸非線性等，這些非線性相互耦合使得吊索張拉過程的計算相當(dāng)復(fù)雜，而且在分析方法上與常規(guī)地錨式懸索橋存在較大區(qū)別。
3、體系轉(zhuǎn)換中的幾個重點問題分析
體系轉(zhuǎn)換施工控制的目標(biāo)是將加勁梁荷載逐步的、安全的由臨時支撐轉(zhuǎn)移至塔、墩上，實現(xiàn)自平衡，且主纜線形、主梁線形、吊索力、主塔應(yīng)力等符合成橋狀態(tài)設(shè)計要求。
3.1 吊索張拉
根據(jù)吊索張拉模型計算結(jié)果可知，在每一個張拉階段中正在張拉的吊索對已張拉的吊索索力均存在影響，往往是正在張拉的吊索張拉力越大對其它吊索索力的影響越明顯，這種影響存在明顯的非線性特征。在張拉的某根吊索不僅僅對相鄰吊索內(nèi)力的影響較大，而且對全橋已張拉吊索的內(nèi)力均有不同程度的且不可忽略的影響，可謂“拉一索而動全索”。張拉一根或幾根吊索會使與其相鄰吊索的實際吊索力大幅減小，而其它已張拉吊索的實際吊索力則整體向預(yù)期目標(biāo)索力穩(wěn)步增加，最終使得各個吊索的成橋索力與目標(biāo)索力相一致。在吊索張拉過程中，主纜位移的變化表現(xiàn)出弱相干性。位于張拉點的主纜位移發(fā)生較大位移，其位移量可人為控制，而其他非張拉點的主纜基本不發(fā)生位移，因此，可以采用位移控制的方法來進行吊索張拉。在吊索張拉初期可以主纜的位移量作為控制量，因為在吊索張拉初期，部分吊索尚未錨固到加勁梁上，處于懸空狀態(tài)，還有部分吊索雖然已經(jīng)錨固在加勁梁上，但吊索處于松弛或彎曲狀態(tài)，這些吊索均可視之為未張拉吊索，與此同時，這個階段被張拉的吊索拉力也不是很大，這時若以張拉力作為控制目標(biāo)，由于索力測試設(shè)備精度以及環(huán)境干擾等原因?qū)a(chǎn)生較大誤差，而采用位移控制精度容易保證。
3.2 主纜位移
作為自錨式懸索橋主要受力構(gòu)件的主纜是一個柔性結(jié)構(gòu)，即主纜是幾何可變體，主纜不僅可以通過自身的彈性變形（主要指受拉力后伸長），而且還可以通過其幾何形狀的改變（主要指曲線形狀的改變）來影響體系的平衡，表現(xiàn)出大位移非線性的力學(xué)特征。通過吊索張拉的方法實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換的自錨式懸索橋主纜空纜狀態(tài)與成橋狀態(tài)存在較大差異，在施工過程中，通過對全橋吊索的不斷張拉，使得主纜的線形由空纜狀態(tài)逐漸逼近成橋狀態(tài)。
3.3 索塔位移與應(yīng)力
在空纜狀態(tài)時，索塔兩側(cè)主纜的水平分力相等，索塔受力安全。而在體系轉(zhuǎn)換過程中，兩側(cè)主纜的水平分力將發(fā)生改變，由于索塔抗力的存在，結(jié)構(gòu)達到新的平衡狀態(tài)，故體系轉(zhuǎn)換必會引起索塔位移和內(nèi)力狀況的變化，可能會造成局部拉應(yīng)力過大，從而影響索塔的穩(wěn)定性和安全。因此，在體系轉(zhuǎn)換過程中需通過監(jiān)控塔頂偏位及計算的方法保證索塔始終處于受壓狀態(tài)，適時對塔頂索鞍進行頂推，保證索塔受力安全。
3.4 加勁梁位移與應(yīng)力
吊索張拉的過程也是加勁梁自重由支架支承向主纜支承轉(zhuǎn)換的過程，這一過程的初期由于被張拉吊索的拉力往往較小，所以吊索的張拉不會對加勁梁的受力產(chǎn)生明顯的影響，而隨著吊索的不斷張拉，加勁梁的自重由單純支架支承變?yōu)橹Ъ芘c主纜共同支承，進而最后變?yōu)榧觿帕和耆撾x支架由主纜支承實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，這期間加勁梁的受力狀態(tài)會發(fā)生較大變化。
3.5 臨時支點反力
吊索張拉過程中加勁梁與支架二者之間的相互作用力的變化是非線性的。最初，加勁梁的自重完全由臨時支架(支撐)承擔(dān)，隨著吊索的不斷張拉，加勁梁與支架之間逐漸脫離而實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換。由于實際施工時不可能同時張拉全部吊索，為了盡量減少所需張拉設(shè)備和重復(fù)張拉的次數(shù)，各吊索拉力相差較大。支架只能承受壓力，不承受拉力，加勁梁和支架之間存在只壓不拉的接觸非線性關(guān)系。因此臨時支點的拆除時機至關(guān)重要，或早或遲均會對加勁梁及吊裝的應(yīng)力產(chǎn)生影響，實際施工前需通過計算確定臨時支點的拆除時機。
3.6 永久支點反力
永久支座同樣有一定的承載力要求，在吊索張拉過程中，吊索張拉和臨時支架的拆除都會引起永久支座反力的變化，因此吊索張拉方案必須保證永久支座的安全，且不能出現(xiàn)負反力。
由于青島側(cè)邊跨輔助墩和索塔三角撐處支座反力可能出現(xiàn)負值，施工中通過分批次施加配重的方式解決。配重施加原則為，其配重壓力不超過支座承載力且保證支座有一定的壓力儲備。
3.7 吊索與其錨固鋼導(dǎo)管接觸情況
由于吊索在梁上的錨固鋼導(dǎo)管傾斜角度與成橋時吊索傾斜角度一致，而在體系轉(zhuǎn)換施工中，吊索的傾斜角度將發(fā)生較大變化，如果吊索張拉方案未充分考慮施工過程，將會導(dǎo)致吊索的傾斜角度超出鋼導(dǎo)管允許的轉(zhuǎn)角范圍，吊索與鋼導(dǎo)管接觸而發(fā)生危險。因此張拉吊索時，吊索的傾斜角度必須在鋼導(dǎo)管允許的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)。
4、方案比選
為保證大沽河航道橋體系轉(zhuǎn)換施工的順利進行，在綜合考慮吊索索力、索塔應(yīng)力、加勁梁應(yīng)力、索鞍頂推、吊索傾斜度、臨時支座拆除時機、壓重施加時機、永久支座反力等各項參數(shù)的情況下，提出了三套比選方案。
方案一、采用8臺千斤頂，對2種不同編號的吊索同時張拉，在施工過程中吊索通過24次張拉全部到位，吊索的最大張拉力為1647.5KN，最大應(yīng)力為693MPa，安全系數(shù)2.41；索塔的縱向最大位移26.8cm，最大壓應(yīng)力12.6MPa，最小壓應(yīng)力0.1MPa，不出現(xiàn)拉應(yīng)力；加勁梁最大壓應(yīng)力94.9MPa，最大拉應(yīng)力89.9MPa；臨時支座支點及永久支座反力均不超過其承載力；索鞍通過兩次頂推復(fù)位，最后一次頂推在第9次吊索張拉之后，頂推前主索鞍的最大豎向分力為11274噸。
方案二、采用12臺千斤頂，對3種不同編號的吊索同時張拉，在施工過程中吊索通過15次張拉全部到位，吊索的最大張拉力為1534KN，最大應(yīng)力為646MPa，安全系數(shù)2.59；索塔的縱向最大位移21.9cm，最大壓應(yīng)力13.0MPa，最小壓應(yīng)力0.4MPa，不出現(xiàn)拉應(yīng)力；加勁梁最大壓應(yīng)力100.1MPa，最大拉應(yīng)力89.7MPa；臨時支座支點及永久支座反力均不超過其承載力；索鞍通過兩次頂推復(fù)位，最后一次頂推在第7次吊索張拉之后，頂推前主索鞍的最大豎向分力為13549噸。
方案三、采用4臺千斤頂，對1種同編號的吊索進行張拉，在施工過程中吊索通過55個步驟全部到位，吊索的最大張拉力為1765.5KN，最大應(yīng)力為743MPa，安全系數(shù)2.25；索塔的縱向最大位移13.3cm，最大壓應(yīng)力11.82MPa，最小壓應(yīng)力0.25MPa，不出現(xiàn)拉應(yīng)力；加勁梁最大壓應(yīng)力95.9MPa，最大拉應(yīng)力90.5MPa；臨時支座支點及永久支座反力均不超過其承載力；索鞍通過兩次頂推復(fù)位，最后一次頂推在第6次吊索張拉之后，頂推前主索鞍的最大豎向分力為3253噸。
通過上述數(shù)據(jù)對比，應(yīng)該說每種方案在理論上都是可行的，在充分考慮現(xiàn)場配備人員及設(shè)備的生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上，確定采用方案三為實施方案。準(zhǔn)備12臺千斤頂，張拉時通過4臺千斤頂同時對1種編號的吊索進行張拉，其余作為周轉(zhuǎn)及備用千斤頂。吊索通過55個步驟全部張拉到位，安全系數(shù)足夠，索塔和加勁梁應(yīng)力均滿足要求，索鞍頂推次數(shù)較少，且頂推力和索塔變位較其他方案明顯較小，吊索在鋼箱梁頂處水平偏移量滿足要求，臨時支點和永久支座受力均在安全范圍內(nèi)，壓重施加靈活、時間充足。
5、吊索張拉控制技術(shù)
對自錨式懸索橋這種高次超靜定結(jié)構(gòu)，吊索張拉的過程控制及最終的索力精度至關(guān)重要，為此，在施工中采用“先粗后精分步張拉到位法”，即：粗調(diào)時，縱向各千斤頂可以不同步，但應(yīng)按一定次序依次張拉，并保證張拉吊索的拉力不得大于本步驟目標(biāo)吊索力，吊索的實際伸出量不超過本步驟的計算伸出量，同一吊索編號的橫向各千斤頂張拉做到基本同步。精調(diào)時，由于存在索夾安裝誤差、測量誤差、索長制作誤差、溫度偏差、索塔偏位偏差、索力測量誤差等因素影響，控制時按“以螺母外吊索伸出量控制為主，兼顧吊索索力”的原則進行張拉，并保證吊索伸出量、吊索索力實際值與控制指令給出的目標(biāo)值的誤差在規(guī)定范圍內(nèi)。
5.1 張拉設(shè)備
單根吊索張拉施工中最大張拉力為1765.5KN，為克服千斤頂在高應(yīng)力持荷時的不穩(wěn)定現(xiàn)象，配置12臺300噸穿心千斤頂作為張拉設(shè)備；張拉桿根據(jù)受力及設(shè)備周轉(zhuǎn)需要設(shè)計為三種規(guī)格，大拉桿及中拉桿用于大噸位吊索的張拉與持荷，為減少現(xiàn)場工作強度設(shè)計較為輕便的精軋螺紋鋼小拉桿，用于小噸位吊索的張拉，由于在吊索張拉過程中部分已張拉而未到位的吊索會出現(xiàn)索力增加現(xiàn)象，因此為保證張拉安全，小拉桿不得用于持荷；本橋不同編號的吊索錨固傾角均不同，且在張拉過程中由于索夾會發(fā)生位移，吊索的傾角還會不斷發(fā)生變化，將撐腳設(shè)計為角度可調(diào)形式；另設(shè)計用于張拉桿轉(zhuǎn)換用的活頁板、螺母、變徑套等。
圖5-1 吊索張拉設(shè)備布置
5.2 張拉控制
吊索張拉是本橋施工最復(fù)雜的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為保證吊索施工的順利進行在吊索張拉前對Z1、Z2兩組索進行分級預(yù)張，通過實測數(shù)據(jù)復(fù)核監(jiān)控計算結(jié)果，以檢測結(jié)構(gòu)與計算模型的響應(yīng)程度；并在每一個正式張拉工序中，監(jiān)測加勁梁、主塔應(yīng)力、主纜索股、吊索拉力、主纜線形變化、塔頂位移等，保證結(jié)構(gòu)各部件應(yīng)力始終處于可控范圍內(nèi)。
5.3 張拉施工
由于張拉桿數(shù)量是嚴(yán)格按照張拉過程的最高峰用量及對應(yīng)張拉荷載組織加工的，因此在吊索張拉前需對每個張拉步驟的張拉桿進行配桿，并對張拉桿的周轉(zhuǎn)進行詳細的計劃；吊索張拉中多個步驟張拉行程較大，需經(jīng)過多次千斤頂行程轉(zhuǎn)換方能到位，在張拉過程中工設(shè)計有三個臨時錨固點，第一個位于吊索永久錨固位置在永久錨固螺母底緣設(shè)置活頁板及螺母，第二個位于撐腳內(nèi)，第三個位于千斤頂?shù)撞?，通過三個錨固點的不斷轉(zhuǎn)換實現(xiàn)張拉行程的轉(zhuǎn)換；如圖5-1所示吊索及吊索的錨固通道本身存在傾角，且整個張拉過程中傾角是不斷發(fā)生變化的，這就對撐腳的角度調(diào)節(jié)提出了很高的要求，否則將使剛性的張拉桿受彎或與吊索通道刮擦，帶來安全隱患，施工前應(yīng)根據(jù)吊索傾角變化情況計算出撐腳四腳高差，以保證張拉順利實施；吊索張拉的基本原則是“以位移量進行控制，同時兼顧索力”，兩者發(fā)生沖突時首先保證位移量，但實測索力不得大于設(shè)計索力的5%，因此在現(xiàn)場操作時應(yīng)首先保證吊索錨頭的錨固位置精確，通過兩側(cè)錨頭伸出螺母長度確定，其次索力控制是在千斤頂在油壓達到設(shè)計值后，不立即關(guān)閉油泵并控制油路流量，使各吊索同步持荷1至2分鐘，給結(jié)構(gòu)體系以響應(yīng)時間，錨頭及索力一般會均勻的到達設(shè)計位置，而后錨固完成一個步驟的吊索張拉工作。
6、結(jié)語
?。?）該種橋型上部結(jié)構(gòu)剛度較小，對體系轉(zhuǎn)換中的各種應(yīng)力均比較敏感，施工過程中的控制工作至關(guān)重要，在施工過程中應(yīng)不厭其煩的對每個張拉步驟前后的索塔、索夾、主梁等進行監(jiān)測，以保證結(jié)構(gòu)受力始終處在允許范圍內(nèi)。
?。?）體系轉(zhuǎn)換施工步驟多，期間索鞍頂推、吊索張拉、壓重塊安裝、臨時支座拆除等交叉進行，每個步驟的時機及參數(shù)都有嚴(yán)格要求，施工時應(yīng)嚴(yán)格按照監(jiān)控指令要求實施。
（3）體系轉(zhuǎn)換施工工序復(fù)雜，應(yīng)建立一套有效的組織保障體系，確保對施工各個環(huán)節(jié)的有效控制。
?。?）吊索張拉的操作空間狹小，完全需要人工操作，輕便、易操作的張拉設(shè)備對現(xiàn)場施工極其重要，應(yīng)根據(jù)設(shè)計荷載細化每個步驟的設(shè)備需求，以降低勞動強度并加快施工進度。
作者簡介：劉宏( 1962、10、30 )男,陜西西安人,工程師,主要從事橋梁工程施工工作。
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