泰州长江大桥上部结构施工控制关键技术研究

2013-07-10常大宝国大庆

交通科技 2013年3期

常大宝国大庆

（1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司武汉 430050；2.中铁十九局集团辽阳 111000）

1 工程概况

泰州长江大桥是目前国内外首座km 级三塔悬索桥，主桥桥型方案为主跨2×1080 m，悬索桥桥跨布置为390m＋1080 m＋1080 m＋390 m（见图1），主桥净宽33m，2根主缆横向间距为34.8m，吊索顺桥向标准间距为16m，加劲梁为扁平钢箱梁结构，梁高3.5 m。为提高主缆与中主索鞍座间抗滑移安全系数、改善中塔受力、减小加劲梁纵向活载位移，中塔处共设置了4 对8根弹性索（每个加劲梁风嘴内的上下2 根为1对），弹性索一端固定在加劲梁，另一端固定在中塔［1］。

图1 泰州长江公路大桥主桥半立面图（单位：m）

2 上部结构施工控制的关键

2.1 索鞍预偏

悬索桥主缆架设后及成桥状态下，在恒载作用下，主塔应处在零偏位平衡位置，即中跨、边跨主缆张力在水平方向分量相等［2］。随着索夹的安装、吊杆和加劲梁的吊装，中跨主缆所承受的荷载集度增加，使得中跨主缆张力增加，从而使塔柱向中跨水平偏位、塔身各截面弯矩增加。为保证主塔应力不超限，必须采用适当的纠偏方式使塔顶复位［3］。泰州长江大桥采用了悬索桥常用的索塔纠偏方式，即在基准索股架设前，将边塔主索鞍向岸侧设置一定预偏量，并将散索鞍向锚后预偏一定角度，在加劲梁吊装过程中，及时地顶推主索鞍，使索塔恢复竖直状态。索鞍预偏量的计算准确性非常重要，它直接关系到成桥状态下主塔的受力安全及主缆的线形。在边塔设计时应有充分考虑，若根据桥梁二期恒载完成后的线形计算的索鞍顶推量不能完全使索鞍复位时，应采取调整索股锚跨张力或者采用索鞍不平衡顶推等措施予以调整，这时就要求边塔能够承受索鞍不在中心位置引起的偏心压力和由此产生的弯矩。

2.2 索股架设

大跨径悬索桥的主缆一旦形成，施工过程中不可能靠施工阶段的跟踪调整来实现设计的主缆线形，即无法对主缆线形进行调整。因此在架设每根主缆索股时，其垂度的调整精度至关重要，将直接影响主缆的结构线形。

悬索桥设计时，总是先确定成桥时主缆各控制点（包括锚点、索鞍IP点等）的位置和中跨矢跨比等，因此，主缆线形计算只能从成桥状态出发，而主缆的无应力长度是联系其成桥状态与各施工状态的重要参数，在各施工阶段主缆节段的无应力长度都应保持不变［4］，在施工控制中，大跨悬索桥很难通过测量主缆索股的设计无应力长度来控制施工。

泰州长江大桥是通过将主缆索股中点固定在中塔主索鞍IP点处，控制设计空缆状态下主缆索股跨中的标高再依次将主缆在边塔主索鞍IP点及散索鞍IP 点处固定，最后将索股在锚碇处锚固，并张拉至设计锚跨张力。施工过程中，应特别注意主缆索股跨中标高测量时要充分考虑中塔偏位及扭转对索股的影响。中塔和边塔的平衡力系不同，中塔的平衡依靠2主跨受力对称来防止偏位，以及通过上下游受力均衡来防止塔身扭转。所以，主缆架设时应做到上下游对称施工，南北主跨施工荷载（猫道影响）对称，使中塔受力平衡，保持直立状态。

2.3 索夹定位

悬索桥的桥梁荷载是通过吊索、索夹传递到主缆的，索夹的位置就是主缆的受力点，所以索夹的施工放样在悬索桥施工中是相当重要的一环。索夹的位置准确与否，将关系到结构受力状态，索夹位置不准确将直接导致吊索两端（索夹端、梁吊耳端）不在一竖直面内，导致悬索桥线形不满足要求。因此在施工过程中必须精确测量放样索夹位置，以确保索夹最大限度地接近设计位置。

索夹的放样要以正确的计算位置为基础，正确的计算位置要以实际施工情况测出的主缆线形、主散索鞍间的实际里程及跨径为初始数据。

泰州长江大桥在索夹放样之前进行了换算计算，为测量放样准备数据，其主要包括3 部分内容：①吊索中心线与主缆的中心线交点在空缆状态下的坐标计算；②吊索中心线与主缆的天顶线交点的坐标计算；③该天顶线交点到索夹两端的距离。

对于吊索中心线与主缆的中心线交点在空缆状态下的坐标，需根据实测的主缆空缆线形计算得出。天顶线交点到索夹两端的距离，不同位置的索夹其数值不同，且同型号的索夹其数值也有差别，见图2。

图2 索夹位置参数

图中：L1＝A－R×tanα L2＝B＋R×tanα式中：A，B 为2吊索中心线与主缆轴线交点到索夹两端的距离（同一索夹A，B 为常数）；α 为空缆状态下索夹位置的水平倾角；R 为空缆截面半径；L1，L2为2吊索中心线与主缆天顶线交点到索夹两端的距离。

索夹放样时，首先放出天顶线，而天顶线随温度的变化而变化，故索夹放样应选择夜间气温相对稳定的时段进行。通过对主缆的温度进行昼夜观测，找出温度变化相对稳定的时段，放样时间就选择在这一时段。另外，索夹中心里程是根据特定的结构状态计算出来的，在实际操作时，结构的实际状态与计算采用的状态存在一定误差，因此在放样时，必须进行修正。

首先对放样的跨径进行测量得到一个数值L测，再利用计算所采用的跨径L计就得到一个近似修正系数n：

其中：S计为计算的里程值；S修为修正后的里程值。

2.4 钢箱梁吊装

三塔悬索桥与两塔悬索桥在钢箱梁吊装工艺方面并无差别，主要差别在于：

（1）三塔悬索桥的中塔，其平衡主要是受两主跨荷载的对称来保持的，并不像边塔在边跨侧有强大的后盾——锚碇，所以在钢箱梁吊装中，使中塔受力平衡、变形不超限是控制的关键。

（2）三塔两跨悬索桥较两塔悬索桥多了一个主跨，合龙段也相应增加，如何合理制定合龙段吊装方案是施工控制的关键。

泰州长江大桥为三塔两跨悬索桥结构，相对中塔南北完全对称（除中塔特殊梁段外）。在钢箱梁吊装过程中为保证桥塔稳定性及其应力不超限，必须采用适当的纠偏方式使塔顶复位，本桥南、北索塔的纠偏方式是在基准索股架设前，将边主索鞍向岸侧设置一定预偏量，并将散索鞍向锚后预偏一定角度，在钢箱梁吊装过程中，及时地顶推边主索鞍，使索塔恢复竖直状态。由于主缆在中塔主索鞍内不能自由移动，且中塔主索鞍已固定，为使钢箱梁的吊装给中塔带来的影响最小，本桥采用南北两主跨钢箱梁同步对称吊装施工，最大限度地减少中塔的偏载。

泰州长江大桥共有4 个合龙段，分别位于3号吊索对应的S4，N4钢箱梁和61号吊索对应的S62，N62钢箱梁（钢箱梁梁段布置见图3），均采用牵引预偏措施施工。顺利完成钢箱梁合龙吊装的关键是有足够的吊装合龙空间，本桥采用牵引预偏措施增加钢箱梁合龙的吊装空间，影响合龙空间的主要因素有：温度、牵引力。经采用有限元软件建立模型分析各种条件下牵引力及温度对合龙空间的影响，对多方案进行比选，最终采用先合龙边塔附近的S62号钢箱梁及N62号钢箱梁再合龙中塔附近的S4号钢箱梁及N4号钢箱梁的方案，S62号钢箱梁及N62号钢箱梁的合龙容易完成，该方案的控制性工程为最后合龙的S4号钢箱梁或N4号钢箱梁段。建立有限元模型分析计算，假定合龙空间需要0.25m，分别考虑升温20 ℃和降温10℃，即10～40℃这一区间范围内，不同温度下所需的牵引力情况，考虑摩擦、误差及未计荷载的影响，实际需牵引力或者顶推力可能要比计算值增大20%左右。经计算，当温度为25 ℃，并考虑20%增量时所需的牵引力约为3 000kN。

图3 泰州长江大桥钢箱梁梁段布置图（单位：m）

2.5 二期恒载

三塔两跨悬索桥钢箱梁吊装、焊接完成后应进行精确测量，由测得的实际桥面线形计算出二期恒载（桥面铺装、附属构造物等）施加后的桥面线形，见图4，并考虑边主索鞍顶推复位对后实际成桥线形与设计成桥线形的误差是否在允许范围内，如果不能满足要求，可考虑微调铺装层的配料或结构层厚度等措施，使铺装层的重量有变化，从而调整成桥线形与设计相符，二期恒载在大跨度悬索桥中对成桥线形的影响是很显著的。

图4 泰州长江大桥钢箱梁焊接完成后桥面线形图（单位：m）

2.6 中塔纵向弹性索张拉

梁塔之间设置纵向弹性索是为了避免梁体随桥塔过度纵飘的另一措施，即设置由钢绞线组成的弹性拉索，一端固定在桥塔上，另一端固定在加劲梁上，这种联结构造多用于大跨度斜拉桥中。泰州大桥在中塔处共设置了4对8根弹性索（每个加劲梁风嘴内的上下2根为1对），是世界悬索桥领域的首次尝试。针对泰州长江大桥，设计者分别研究了梁塔之间纵向不约束、弹性索约束、刚性挡块约束3种情况，结果表明：加劲梁与中塔间设纵向约束，可以显著提高中塔鞍座抗滑系数，减小加劲梁活载竖向挠度和纵向位移，改善中塔受力；与刚性约束相比，弹性约束对结构的有利效应相当，并且在构造上相对简单，所以最终设置纵向弹性索。进一步的研究表明：纵向弹性索的刚度变化对整体结构的静力性能影响不大，可由抗震要求确定其长度和面积；纵向弹性索的受拉加载区较长（距边塔852m 范围内加载，其他区域卸载），且影响数值较卸载的大很多，但仍有完全卸载的可能。

中塔纵向弹性索在施工中张拉应在钢箱梁纵向中心线与中塔纵向中心线自然重合时，根据实际施工情况可以选择在钢箱梁焊接完成、桥面铺装完成、桥面附属设施全部完成3个时间段张拉。如果在钢箱梁焊接完成后没有张拉，亦应该将弹性索安装就位，在钢箱梁纵向位移过大时可以起到部分约束的作用，防止在桥面铺装施工过程中2主跨荷载不对称造成钢箱梁纵向位移过大而引起破坏。在中塔纵向弹性索张拉前与张拉后，重型施工车辆行走时可以很明显地感受到桥梁的稳定性有很大改善，根据成桥后的桥梁动静载检测表明，泰州长江大桥的整体稳定性满足要求。