混凝土自锚式悬索桥施工控制分析

邢　文　王继成

摘要:近年来,混凝土自锚式悬索桥作为一种特殊的桥型,以其优美的结构造型、较强的地形地质适应性、良好的经济性等优点,越来越受到工程界的青睐,成为城市市区中小跨径桥梁极具竞争力的桥型。为了确保施工过程中内力和变形始终处于结构容许的安全范围之内,确保成桥状态的内力与线形符合设计要求,施工控制尤为重要。以南京市宁杭高速公路跨线桥梁—学八路景观桥为工程背景,对混凝土自锚式悬索桥施工控制过程进行分析。

关键词:自锚式悬索桥;混凝土加劲梁;施工控制

1、概述

传统的悬索桥一般跨度较大,但是当跨度逐渐减小时,主缆锚固工程造价占全桥总造价的比例将不断加大,造成经济上的不合理,而如果将主缆直接锚固在加劲梁两端,这样就取消了庞大而昂贵的主缆锚固工程。

混凝土自锚式悬索桥是指加劲梁由钢筋混凝土材料制作的自锚式悬索桥[1]。由于主缆锚固在加劲梁两端,由主缆产生的水平力相当于给长期受压的混凝土加劲梁施加了“免费”的纵向预应力,使得加劲梁不需配置或配置少量预应力筋便可达到全预应力梁的效果,可以节省大量预应力器材与机具,因而采用混凝土加劲梁制作的自锚式悬索桥不仅受力合理,同时由于其错落有致的造型以及良好的适应性和经济性而受到越来越广泛的应用[2]。

2、 施工控制概述

施工控制是一个“施工—量测—识别—预测—修正—预告—施工”循环递进的过程(如图1所示),即通过事先在主塔、加劲梁和吊索等主要部件埋设数种性能各异的传感器,通过相关的测试仪器采集大量的数据;利用计算机对数据进行分析处理,确定每一个施工阶段的施工参数。通过二者的有机结合,调整控制桥梁的内力和线形,实现桥跨结构的内力和线形均达到设计预期值,确保桥梁施工安全和正常运营。简言之,施工控制就是一个信息采集、分析与反馈的过程。

3、施工控制分析与实施

悬索桥在施工过程中一旦主缆安装就位,主缆内力、挠度完全取决于结构体系、结构自重、施工荷载和温度变化,因此主缆无应力下料长度、主缆在自重作用下的初始安装位置(索鞍初始预偏量、主缆初始垂度和线形)成为悬索桥施工控制的关键。而混凝土自锚式悬索桥由于在主缆端部锚固力介入了梁体的受力和变形因而整个桥体结构的静力和动力特性较之一般常规悬索桥有所不同而且更为复杂[1]。在整个施工过程中,结构的几何形态、边界条件、材料特性随时间而变化,载荷作用的数值与位置也随时间发生变化,使得结构效应(位移、内力、应力、反力等)在施工过程中具有时空演变特征。尤其值得注意的是,该种桥型在施工过程中结构体系变化较多,加劲梁的内力状态要发生多次改变,与此同时,由于主缆的柔性大,其空缆线形与成桥线形存在较大差异,张拉吊索施工时结构的变形较大,这些都需要通过严格准确的施工控制,才能保证结构施工过程的安全,才能保证建成后结构的内力与线形与设计状态相符。因此,自锚式悬索桥的施工控制难度比一般常规悬索桥大,同时也比斜拉桥的施工控制复杂。

自锚式悬索桥施工控制的主要内容包括主缆线形控制、主塔偏位控制、桥面线形控制、索力监测、应力监测、温度监测等。

3.1主缆线形控制

主缆线形直接影响整个结构的受力。主缆锚固在位于桥梁两端的端横梁上,主缆水平力与加劲梁水平力平衡,竖向力由端横梁自重以及其下的拉压支座平衡。如主缆张力过大则容易引起加劲梁内力超限,造成加劲梁局部发生扭转、畸变,甚至全桥垮塌;主缆鞍座偏心过大,塔顶产生很大的水平不平衡力,势必造成主塔根部混凝土弯曲拉应力超限,进而导致局部开裂,不仅给施工过程带来很大的安全隐患,而且严重影响结构的耐久性。因此,自锚式悬索桥主缆线形控制是施工控制过程中的关键一步。

根据悬索桥理论,自锚式悬索桥结构成桥时主缆线形应为近似的抛物线。主缆是柔性结构,其几何形状随着所受荷载的不同而变化,位移与外荷载的变化呈非线性,且变形较大。结构成桥时主缆线形和设计线形越吻合,吊杆受力越均匀,加劲梁受力就越合理。施工控制过程中通过对每一阶段计算线形与实测线形的比较,分析差异,寻找原因,及时调整相关方案,确保成桥时主缆线形符合设计状态。

具体监测利用桥址附近的施工平面和高程控制网,采用全站仪和安装在各控制点的照准目标进行多测回观测,以极坐标和三角高程测量获取控制测点的三维大地坐标,并通过坐标变换求出控制点的施工设计位置坐标。

3.2主塔偏位控制

主塔偏位控制主要指主塔垂直度控制。由于主塔在施工过程和成桥后均承受经由吊杆和主缆传来的荷载,在不平衡荷载和大气温差作用下均会使主塔产生不同程度的变形,为了不影响索力调整,须掌握主塔在自然条件下的变形规律以及在索力影响下偏离位置的程度。

具体监测主要采用测距法,使用水准仪和全站仪等仪器设备,对顺桥向和横桥向两个方向变位值进行测量。测站点一般布置在桥梁轴线上适当位置,观测点的布置可随测试阶段作相应的适时调整,一般设置在主塔侧壁或顶端部位。主塔塔偏测量可以提供其在索力调整过程中的变位以及在日照下随温度变化发生纵横桥向偏移的曲线。

3.3桥面线形控制

作为柔性结构,自锚式悬索桥由于几何非线性、材料非线性和施工过程中调整索力所引起的误差等原因,桥面线性的变化变得尤为突出,故要尽量减少实际结构桥面线性与设计结构桥面线性的偏差,并将其降低到容许的范围内。

桥面线形控制包括高程控制、位置控制和中线控制。高程控制采用水准测量法,测出加劲梁的实际标高,与设计值比较并调整至误差范围内为止。位置控制和中线控制是将全站仪安置在桥梁轴线和主纵梁轴线上,以桥轴线上某一点为后视点,采用视准线法直接利用小钢尺测量每一片横梁的偏离值以及用小垂球测量加劲梁的垂直度。

3.4吊索索力监测

在吊索安装与张拉施工过程中,索夹安装位置的准确与否、吊索的张拉顺序与张拉力大小控制直接关系到加劲梁线形、主缆线形、吊索的使用寿命乃至施工安全。吊索张拉施工是一个复杂的非线性过程,同时存在主缆大位移、主缆与鞍座的切点变化、吊索力的强相干性、吊索的退出与参与工作、加劲梁和索塔的梁柱效应、混凝土收缩徐变、加劲梁与支架接触非线性等。因此,在施工中必须确保索力测试结果正确可靠,可见吊索安装与张拉也就成为自锚式悬索桥施工控制的重点与难点。索力测量主要是提供各测试阶段的索力值以及关键索力随温度变化的曲线。然后根据上部结构施工工况对吊索在不同工况下的索力进行调整。

索力监测一般采用附着在拉索下的高灵敏度传感器拾取拉索在环境振动激励下的振动信号,经过滤波、放大和频谱分析,根据频谱图来确定拉索的自振频率,然后根据自振频率与索力的关系确定索力。考虑到拉索弯曲刚度的影响,应进行测量前的标定工作,并在测量中加以修正。

3.5应力监测

对主缆线性、加劲梁线形的控制实际上归根结底就是为了保证结构截面应力的合理。应力控制主要是监测各个施工阶段尤其是吊索张拉过程中对加劲梁上下缘、主塔根部的控制截面应力值以及成桥状态下各监测截面的恒载应力值,能够更准确地了解各个控制截面的应力状况,并对施工过程中各阶段的施工荷载变化情况进行判断,确保结构施工安全。目前应力监测主要采用电阻应变仪法、钢弦式传感器法等。

3.6温度监测

温度的影响总体上可分为两种,一是昼夜温差,二是季节温差。温度变化,特别是日照温差的变化,对于混凝土自锚式悬索桥结构内力和变形影响是复杂的。在施工阶段,日照温差对加劲梁挠度和塔柱水平位移的影响尤为显著。温度测量可以提供索、塔、梁各测度断面温度短期变化曲线和季节性温差曲线。温度测量一般选用性能优良的热敏电阻。将热敏电阻埋入索塔,用数字式万用表进行测量,根据电阻与温度的标定曲线,由测定的电阻值推算温度值。

4、结束语

随着我国经济的高速发展,交通建设方兴未艾,混凝土自锚式悬索桥必将在城市和旅游区的桥梁建设中大放异彩。由于混凝土自锚式悬索桥在桥梁施工中在近几年才得以采用,无成熟经验可循,本文针对其施工控制的分析为今后此类桥梁的建造提供借鉴。

参考文献:

[1]张哲.混凝土自锚式悬索桥[M].北京:人民交通出版社,2005

[2]张元凯,肖汝诚,金成棣.自锚式悬索桥的设计[J].桥梁建设,2002(5)

[3]徐岳,张劲泉,鲜正洪.悬索桥施工控制方法研究.西安公路交通大学学报,1997