河闪渡乌江大桥主缆架设施工监控研究*

2021-07-19魏明明陈伟钊潘权

公路与汽运 2021年3期

魏明明，陈伟钊，潘权

(长沙理工大学，湖南长沙 410114)

主缆系统施工质量直接影响整个桥跨结构的成桥状态。其中基准索股的精准计算及准确架设最为关键，常根据给定的成桥状态，利用有限元软件进行倒拆，计算空缆状态下主缆的中心线形和无应力索长，再根据基准索股与主缆中心的位置关系，计算得到各跨控制点基准索股的理论高程与桩号。由于主缆钢丝存在热膨胀效应，特别是主缆钢丝长度受温度变化影响较大，基准索股架设调整时的温度场又很难与设计温度一致，施工时桥塔结构受猫道等施工临时荷载和温度影响产生塔偏，会造成跨度与设计状态不一致。因此，主缆施工必须结合工程实际进行调整。该文结合河闪渡乌江大桥主缆施工，根据实测温度和跨度调整基准索股的现场数据，并与有限元数据进行对比，验证该方法的可行性。

1 工程简介

河闪渡乌江大桥为单跨地锚式钢桁悬索桥(见图1)，主缆跨度为249 m+680 m+238 m，全长1 167 m，主桁高6.8 m，设计基准温度为15 ℃。成桥状态下中跨及北边跨(湄潭侧)单根主缆由61根索股组成，南边跨(石阡侧)靠近主索鞍处主缆倾斜角度为30.452°，倾角较大，增加4根背索。因地形原因，南侧、北侧索塔塔柱长度不一致，南侧索塔塔桩长度为96、86.3 m，北侧索塔塔柱长度为143、153 m。

图1 乌江大桥示意图(单位：m)

2 主缆索股施工控制

2.1 计算方法

不同工况下悬索桥索股在索鞍固定点之间的无应力长度保持不变，等于设计温度和跨度条件下无应力长度。根据该思路建立计算公式，编制简易计算程序，现场施工时根据实测温度和跨度实时调整基准索股的坐标数据。

计算时，利用悬索桥索股计算程序，采用悬链线解析法对温度和跨度变化进行计算，得到控制点纵向桩号和高程数据。在计算跨度变化影响系数时，保持温度为15 ℃不变，各跨跨度在一定范围内变化；在计算温度变化影响系数时，保持空缆下各跨跨度不变，结合主缆索股架设施工现场实测温度场，温度变化范围取7～16 ℃。按照该思路分别进行计算，对计算结果进行曲线绘制并拟合，得到跨度与温度变化曲线在上述区间内基本为线性变化。

2.1.1 基准索股架设时的计算公式

该桥各跨跨中索股中心实际架设的纵坐标和高程计入跨度、温度的影响，实际数据通过建立包含跨度和温度变化系数的线性方程进行计算：

X=X0-α1(t-15)+σ1DL

(1)

Z=Z0-α2(t-15)+σ2DL

(2)

式中：X0、Z0分别为标准跨度与温度的纵坐标与高程值；αi为温度变化影响系数；σi为跨度变化影响系数；DL为包含索鞍预偏和桥塔偏位的跨度变化量。

2.1.2 调索公式

该桥单根索股横截面积为0.002 697 m2，线荷载为0.207 6 kN/m,弹性模量为208.4 GPa。北边跨索鞍预偏1.480 m，右边跨索鞍预偏1.561 m，索弦长及垂度见表1。

表1 基准索股各跨弦长和垂度

利用基于悬链线的简化调索公式可得到各跨待调索长与垂度变化的关系式，测出垂度差后，索长需调整量为：

(3)

计算得北边跨、中跨、南边跨索长调整比例分别为Δs=Δf/7.214 4、Δs=Δf/2.285 2、Δs=Δf/8.097 5。经计算分析，在索股理论标高±0.5 m范围内，上述索股调整比例具有较高精度，可用于现场索股的快速调整。

由于该桥两岸索塔塔身长度及边跨索股倾斜角度相差较大，在温度及外荷载影响下中跨跨中控制点桩号会发生变动。在中跨跨中控制点桩号-0.5～0.5 m范围内，桩号变化对高程的影响非常小，可忽略不计，而实际温度及跨度变化对跨中控制点桩号变化的影响只有±5 cm，只需在跨中控制点±5 cm范围内准确确定高程即可。

2.2 主缆现场架设影响系数分析

2.2.1 跨度变化影响分析

图2、图3分别为跨度变化时湄潭侧(北)边跨跨中基准索股中心的纵向坐标、中跨跨中基准索股中心的高程。经计算，各项调整量为：湄潭边跨跨中纵坐标1.976 5 mm/mm，湄潭边跨跨中高程3.863 7 mm/mm，中跨跨中高程2.208 6 mm/mm，即湄潭侧边跨索股调整1 mm，对湄潭边跨跨中纵坐标的影响为1.976 5 mm，对湄潭边跨跨中高程的影响为3.863 7 mm，对中跨跨中高程的影响为2.208 6 mm(见表2)。石阡侧(南)跨度变化的调整类似。

图2 跨度变化时湄潭边跨跨中基准索股中心的纵向坐标

图3 跨度变化时跨中基准索股中心的标高

表2 跨度变化的影响分析 mm

2.2.2 温度变化影响分析

图4、图5为温度变化时湄潭侧跨中基准索股中心的纵向坐标、中跨跨中基准索股中心的高程。温度每升高1 ℃，对湄潭边跨跨中纵坐标的影响为12.19 mm，对湄潭侧边跨跨中高程的影响为28.24 mm，对中跨跨中高程的影响为19.4 mm(见表3)。石阡侧(南)温度变化的调整类似。

图4 温度变化时湄潭跨中基准索股中心的纵向坐标

图5 温度变化时跨中基准索股中心的标高

表3 温度变化的影响分析 mm

将上文计算的影响系数带入式(1)、式(2)，得到该桥基准索股架设时的计算公式(见表4)。

表4 基准索股跨度和温度修正计算公式

2.3 常规索股架设控制

常规索股采用相对高差架设法架设。为方便测量，相对高差的参照索股不一定是基准索股，可选择已架设好的其他索股作为参照。参考索股的选择应方便测量，同时不应被上层丝股压住，且不受V形保持器等装置或临时措施干扰。一般索股相对于参考索股的控制高差如下：

(4)

(5)

式中:ΔSi,0为实测参考索股中心与基准索股中心的高差。

架设索股的高差调整量(见图6)计算公式为:

图6 一般索股的调整定位

(6)

为控制常规索股架设精度，常规索股相对高差的测试断面偏离理论跨中位置一般不超过0.5 m，相对于基准索股的相对高差的误差控制在+5 mm以内；待调索股所在跨顺向温差应小于2 ℃，与参考索股之间的平均温差应小于1 ℃，待调索股所在层与其下层索股之间的平均温差应小于0.5 ℃。常规索股与基准索股及下层索的相对高差控制见表5。

表5 常规索股与基准索股及下层索的相对高差

由于索股线形受温度影响较大，常规索股连续监测及线形调整一般在夜间温度稳定的时间进行。索股调整顺序为先中跨、再边跨、最后锚跨，中跨及边跨索股线形调整就位后，将索股在索鞍内固定，最后调整锚跨张拉力至目标值。

2.4 索股线形和温度场监测

索股线形监测应在夜间气温稳定、风力较小、大气条件允许的情况下进行，并对监测时的大气折光系数进行修正，单次监测应在短时间内对塔顶偏位、IP点高程、索股测点的桩号和高程进行监测。乌江大桥索股线形监测采用2台全站仪按三角高程测量法进行(见图7)，测量基准点A1、A2分别布置于南北塔侧，反光棱镜置于待测点Bi上，测点高程通过计算得到。

图7 索股监测示意图

索股温度场数据采用温度自动采集模块收集，精度为0.1 ℃。该桥横跨乌江南北两岸，各测点海拔高度差异较大，温度有较明显的差异，在每跨同时布置多个测点(见图7)，每个测点布置多个温度传感器，各测点同时采集，取平均温度作为温度场温度。由于索股直径较小，待夜间气温稳定数小时后其内部温度基本等于大气温度时，在各测点采集索股表面温度即可。