预应力混凝土索导管安装施工技术研究

2021-11-15胡继生赵小浪过勇朱育才李沛洪

特种结构 2021年5期

胡继生赵小浪过勇朱育才李沛洪

广州市第二市政工程有限公司 510060

引言

斜拉桥从力学结构上属于高次超静定结构，力学关系比较复杂，桥梁施工过程中得到较理想的成桥状态，存在较大的困难。为了建造高质量的斜拉桥，作为核心构件的桥梁斜拉索张拉施工过程必须得到高度重视，斜拉索施工主要控制目标之一的索力值必须得到准确测量，以确保工程施工能安全顺利地进行，建成的斜拉桥处于理想的受力状态［1-4］。斜拉桥常用半平行钢丝拉索和平行钢绞线拉索，因此对斜拉索施工方法和索力控制方法进行深入研究具有重要的理论意义和工程实际意义。众多学者对斜拉索也进行了研究，例如姚永峰等［5］对斜拉索张拉技术进行研究，董云鹏、田永强等［6-13］对大跨度斜拉索安装技术进行研究等，这些研究成果对斜拉索施工具有推动意义。

1 工程概况

鸭嘴岩大桥为独塔双索面斜拉桥，跨度为319m（200m＋74m＋45m），桥面宽36m，主塔高100m。采用钢-混凝土组合桥塔，纵、横桥向塔轴线均呈曲线。主梁以上塔柱为钢结构，主塔从承台顶到塔顶的高度为100m。钢塔底节段通过剪力钉、PBL传剪器及预应力束以承压方式与混凝土塔柱结合。主梁采用混合式钢箱梁，主跨200m，其中钢箱梁长191m，边跨混凝土梁伸入主跨9m，为预应力混凝土箱梁；边跨主梁119m长度范围内为预应力混凝土箱梁，大桥全貌如图1所示。

图1 大桥全貌Fig.1 Full view of the bridge

鸭嘴岩大桥纵向拉索立面采用不对称扇形双索面布置（每个锚点布置四根索）。斜拉索采用环氧涂层平行钢丝束拉索体系，标准强度为1770MPa，弹性模量为（1.95～2.1）×105MPa。钢丝护套为双层热挤PE形成，内层为黑色，外层为彩色。全桥共15个索号60根索，全桥共采用13种规格斜拉索，分别是PES7-55、PES7-61、PES7-85、PES7-109、PES7-121、PES7-127、PES7-139、PES7-151、PES7-163、PES7-187、PES7-211、PES7-241、PES7-253。索导管位于主桥边跨如图2和图3所示。最长斜拉索为M15＃斜拉索长度199m，最重的为M13＃重9t，成桥索力最大为S1＃斜拉索张拉力581t。斜拉索采用塑包平行钢丝束，钢丝采用φ7高强热镀锌钢丝，护套采用双层，内层为黑色高密度聚乙烯，外层为彩色高密度聚乙烯。

图2 索导管平面布置Fig.2 Layout drawing of cable

图3 索导管Fig.3 Drawing of cable

2 预应力混凝土箱梁索导管施工

鸭嘴岩大桥施工的基本流程为先施工主桥桩基础承台及墩柱施工，并根据施工复杂程度，先将3＃主塔基础及承台先施工完成，然后再进行钢主塔施工，并且完成主桥边跨的浇筑，待0号钢箱梁（钢混结合段）完成施工，进行钢箱梁吊装以及斜拉索施工。在主桥边跨施工过程中，30根斜拉桥索导管能否成功定位，代表后期斜拉索能否安装成功，也是后期桥梁能否成功的关键。针对该问题，在进行索导管定位时，采用经验公式修正桥梁变形，同时借助定位支架微调索导管的位置，确保了索导管的精确定位。

2.1 索导管位置修正

斜拉索梁端索导管定位的主要目标是保证锚固中心三维坐标（x，y，z）及斜拉索下倾角β定位准确。由于受到现场条件以及索导管自身结构的制约，直接测量锚固中心点过程复杂且耗费时间，经研究通过坐标换算可以将索导管上口中心线点（K点）作为测量点。K点定位参数转化：

式中：L为水平距（m）；R为桥梁竖曲线半径（m）；β为斜拉索下倾角（°）。拉索在塔端和梁端的倾角修正公式如下：塔端拉索斜率公式为：

梁端拉索斜率公式为：

式中：h为高度差（m）；L为水平距（m）；TH为水平分力（kN）；TB为塔端张拉力（kN）；q为斜拉索自重集度（kg/m）。

假定塔端拉索斜率初始值为kB＝h/L，即斜拉初始线型为直线状态，此时理论倾角βB（0）＝arctan（kB（0）），重复以上步骤，逐次迭代，直至得到收敛稳定的kB（n）。实际计算时，仅需一次迭代即可求得收敛稳定的kB（n）。由此可由梁端拉索斜率公式求得梁端拉索斜率kA，及梁端下倾角修正βA＝arctan（kA）。

因混凝土桥梁在浇筑过程中会发生自然沉降，因而在进行索导管定位复核计算时，应该考虑该部分数值，见表1。但钢箱梁索导管定位则不用考虑，只需将索导管焊接到规定的位置，因为钢箱梁为柔性材料，只要后期将钢箱梁整体线形调整到设计位置，索导管位置就可定在设计位置。

表1 各索导管自然沉降修正值Tab.1 Correction value of natural settlement for each cable

根据设计图纸中斜拉索参数表，列出边跨斜拉索梁端水平距、斜拉索下倾角、锚固点坐标等数据见表2。

表2 斜拉索锚固参数Tab.2 Anchorage parameters of cable

以S5索导管为例，经现场测量，S5索导管上口中心线点高程Z为228.704m。现进行S5索导管位置修正，根据表2数据和式（4）得出，Z取226.007m，L取4.060m，β取42.27°。同时由于边跨为直线下坡段则1/2·R·cosβ不需考虑，得出Z（K）＝z＋（Lsin β＋1/2·R·cosβ）＝226.007＋4.060·sin42.27°＝228.737m。因此Z（K）与测量的Z值两者相差0.033m，与表1的自然沉降值吻合。

2.2 索导管的定位测量

边跨梁上为斜拉索锚固区，梁上斜拉索锚固区采用预应力混凝土结构，索导管定位如图4所示。索导管的定位精度要求很高，为避免索与管口发生碰撞，施工时严格控制其安装精度。

图4 索导管定位Fig.4 Cable position

索导管的定位采用三维坐标一体化的方法，使用全站仪在梁上建立三维坐标系，通过平移再建立平行于坐标轴的竖直面，利用空间点和面的关系，调整索导管的管口三维坐标到设计值。梁上三维坐标基本控制点分为平面控制点和高程临时控制点两个部分。

（1）平面控制点的确定方法。先在梁上任一点放置全站仪，直接测出置测点到各桥梁控制点距离，经气象改正和投影改正，用距离后方交会平差计算出置测点平面坐标，再根据测点坐标后视点，用极坐标法放出梁上基本控制点。

（2）高程临时控制点确立方法。三角高程法：在梁上设置全站仪，直接测出高程临时控制点的高程。

（3）竖直基本面的确立。把梁上的基本控制点平移，作为索导管及劲性骨架的定位控制点，先放置劲性骨架，使劲性骨架大致对中且基本铅直，固定好并加焊牢固。在劲性骨架特定位置上加焊角铁，便于系好弦线标定竖直基本面。借助弯管目镜，把铅垂面投到加焊的角铁上（顶面、底面各做两个点）。同时用水准仪把临时水准点上的高程点引到角铁上做出水平标志点建立起空间控制线。进行索导管调整时，就以这些空间控制线为基准进行管口位置调整。

2.3 索导管安装

（1）根据测量定位点先将索导管调至大概位置后，用仪器进行精调，索导管利用劲性骨架进行固定。

（2）索导管外侧设置直径20mm的圆钢螺旋筋，螺旋筋自索导管两端向内侧缠绕14圈间距为60cm，若两端的螺旋筋出现重合段，将重合部分截去，使螺旋筋沿导管通长布置，如图5所示。

图5 索导管螺旋筋安装Fig.5 Installation of spiral reinforcement of cable

（3）索导管的安装定位是梁上斜拉索施工的关键工作。为了控制索导管的位置，施工时依靠索导管的定位构架进行调整，构架上备有微调设施，可精确地调整位置，同时如果钢筋及波纹管影响索导管安装，可移动钢筋及波纹管，确保索导管位置准确。测量手段和天气情况是影响索导管安装定位质量和时间的主要因素，在进行索导管安装时，将编绘测量网络图利用先进的仪器，采用科学的测量方法，选择好适当的安装调整时间，索导管经反复测量调整合乎设计精度后，立即焊接固定。

（4）索导管安装。在施工场地拼装索导管定位架（劲性骨架），在验收合格的索导管定位架上测量放线，经过经验公式的计算确定索导管精确位置（相对标高、中心线）并依此焊接可调装置，并临时固定。将已定位的索导管与定位架单元起吊至塔顶预留骨架对位、调整至位置、标高满足要求后焊连（平面位置偏差不大于5mm，垂直度偏差不大于1/100），测量检查索导管顶口及底口位置，根据测量结果利用可调螺栓微调索导管至满足坐标要求（进出口中心坐标误差≤3mm），经检查合格后索导管与定位架牢固焊接，以防混凝土浇筑时导管上浮。定位架单元吊装前需先进行已安装定位架的顶面高程及位置的测量，偏差较大时需进行调整，其后再进行定位架单元的安装。锚固区预应力筋与定位架斜杆不能避开时，待索导管精确定位并焊接牢固后，可先在不冲突的位置焊接斜杆，再将位置冲突的斜杆切除。索导管安装效果如图6所示。