自锚式悬索桥施工监控研究

2020-06-01薛晶

建材与装饰 2020年15期

薛晶

（河北工程大学河北邯郸 056038）

自锚式悬索桥的主缆直接锚固在锚锭横梁的两端上，利用板式橡胶支座支撑在桥台上，进而平衡主缆与主梁的水平力，主缆的拉力由主梁直接承受，无需庞大的锚旋，该方法解决了地基较差、锚碇修建困难的悬索桥，是桥梁设计方案的最佳选择，是普遍应用于城市地区的新桥型。

1 自锚式悬索桥特点

①从外形结构上看，占地面积较小。②从受力结构上分析，主缆的水平拉力取决于桥梁桥面的平衡度，悬索部分和钢桁梁形成一个相互关联的整体，在上部结构中无论是固定存在的荷载，还是位置、大小不确定的荷载，都需要通过缆索系统传递给索塔，然后由索塔传力于地基。③从施工步骤来看，自锚式悬索桥不同于其它悬索桥，先对钢桁梁进行施工，而后安装主缆，而其它悬索桥则是先安装主缆再进行梁体的施工。④从施工监测监控上分析，自锚式悬索桥精度高，所有的拼装、调整、安装施工都需要在严格的监控下进行，目的是为了提高桥梁整体质量。

2 桥梁施工监控

桥梁施工监控是在监控系统作用下，对施工整个过程进行全程监控，如：测量、计算、分析、调整等过程，借助传感器、测试仪获取塔、梁、拉索等部位性能的各种数据信息、力学参量、几何参量等，然后通过计算机程序对收集的数据信息进行分析处理，最后根据处理结果确定精准的施工参数，以便随时准确地对桥梁的内力和线形变化作出调整控制，进而达到设计预期值，确保桥梁的正常施工操作以及优美外观。自锚式悬索桥的主缆直接锚固在桥梁上，在板式橡胶支座的作用下锚固在桥台上，进而平衡主缆与主梁的水平力，如果主缆张拉力过大，都会造成主梁局部失稳，形成施工过程的不安全。

3 建立模型

在施工过程中，需要确定成桥状态，作为监控计算的初始状态，这是建立模型的主要步骤。

成桥状态的确定，需要以主缆一端作为原点，平行桥跨纵轴方向作为x轴，建立坐标，利用抛物线方程，并根据跨度L、垂度f、荷载ω值，参照设计规定的成桥线形来计算：

式中：α——主缆两端点所连直线与x轴的夹角；

H——主缆水平拉力，H=ωL2/8f。

计算假定，是对全桥竖向恒载、温度变化采用有限元分析方法，根据桥梁施工周期、构件自重、结构温度、施工载荷等一系列施工控制参数，建立起全桥计算模型，进行非线性的结构分析，输出的主缆内力即为二根主缆之和。

4 施工监控的主要内容

自锚式悬索桥的施工监控，其主要内容有以下五项：

4.1 主塔塔偏测量

在桥梁施工和投入使用后的不同状态下，主塔都承担着较大部分的载荷，特别是吊杆和主缆的作用较为突出，而在应力不均、气温差别、日光照射等因素的影响下，主塔都会产生不同程度的变形。为了不影响索力调整，就需要了解主塔在自然条件影响下的变化规律，以及在索力影响下发生位置偏离的幅度。

测量主塔塔偏的方法，通常是测距法，即使用全自动的安平水准仪、全站仪等测距仪，测量顺桥向、横桥向两个方向的变位值。测量时，通常在桥梁轴线上选取合适的测站点，比如塔桩侧壁、塔桩顶部，并可根据测试过程中的情况作相应的适量调整，最终可测得桥梁主塔在索力调整过程中的塔柱位置变化以及随气温变化所发生的桥向偏移曲线。

4.2 加劲钢桁梁线形测量

钢桁梁线形测量，主要包括有高程、位置、中线三个部分的测量。

在拼装钢桁梁时，由于各个构件之间客观上存在一些极小的误差，容易导致梁体发生偏离轴心、倾斜等情况。因此，为了确保梁预拱度满足设计规范，必须进行主梁位置测量和中线测量，以保证中跨跨中合拢。位置测量、中线测量，都是将全站仪设置在桥梁轴线上，或者是主纵梁轴线上，随后以轴线上任意一点为后视点，采取视准线方法，利用小钢尺测量每一片横梁的偏离值，利用小垂球测量钢斜桁梁的垂直度。而高程测量的方法，主要是使用水准仪，测量每一片钢桁梁的标高，并与设计规范中的数值进行对比，相应调整至允许的误差幅度之间。

中线测量、高程测量，这两种方法的测点，通常都布置在桥轴线的顶面上。位置测量的测点布置在横梁与主纵梁的交叉点上。这三个测量方法，可以同步推进。

加劲钢桁梁的线形测量，可以测得各个施工状态下主梁的高程、中线等实际数值，可以测得主梁线形在气温影响下的变化曲线。

4.3 索力测量

自锚式悬索桥的主梁、主缆丝形，施工过程中的安全程度，都与其拉索索力有直接关系。因此，施工同时必须进行索力测量，测量结果也应达到规定要求。

索力测量方法，主要是测量不同阶段下的索力值、以及随气温变化而产生的曲线，随后，根据结构施工情况，对吊索在不同情况下的索力进行相应的调整。

在进行测量索力时，通常需要使用灵敏度较高的传感器，采集拦索在环境影响下的振动信号，在经过滤波、频谱分析后，根据频谱图的变化规律来确定拉索的自振频率，最后结合索力关系确定索力值。在测量开始前，应提前进行标定工作，以排除拉索弯曲刚度的影响，在测量开始后的进程中，逐步加以修正。测量换算索力时，要符合基频要求，并使用前3阶的频率进行验证。

4.4 温度测量

温度因素，通常有昼夜、季节两个类型的温差。昼夜温差，是指日光每天对桥梁不同位置的照射，这会导致钢桁梁结构的伸缩变化；季节温差，是指昼夜温差日积月累，使钢桁梁结构产生有一定规律的伸缩变形。温度变化，对自锚式悬索桥梁结构的变形影响机理是较为复杂的，特别是日照温差的变化，这是最为主要的一大因素。在桥梁施工阶段，温度变化会不同程度地影响到主梁挠度、塔柱水平位移。

4.5 应力测量

应力测量，主要是监测桥梁不同结构部位在不同施工状态下的截面应力值，以及桥梁在投入使用后的载荷应力值，这个测量结果可以更为精准地了解塔柱截面的应力状况，并为判断施工过程中不同工况载荷下应力变化提供依据，确保施工安全。

应力测量，是一项基于现场的监控方法，可以采取手持应变计测量的方法，随时满足对施工监控的要求，是一项可以长期进行的工作。

在确定测量应力的截面时，可依据施工计算的控制数据进行确定，原则上考虑几个因素：一是桥体上部结构在施工过程中、成桥状态后的最大正、负弯矩截面，以及主塔和横梁的应力截面。这一测量方法，在施工过程中进行的成本较高，因此，为了最优成本地满足施工监控的要求，可选择5个左右的梁体应力监控截面和4个主塔测量截面，在钢桁梁结构中选择适于使用手持应变计的测量站点，以便读取到相应数值。