大跨径悬索桥主缆施工监控

向 勇 孙海波

（北京市建设工程质量第三检测所有限责任公司，北京 100037）

0 引言

悬索桥作为城市交通过江载体，具有跨越能力强、结构受力明确等特点。悬索桥在施工控制理论作为一门技术科学，虽然起步较晚，但是目前所用理论已较为成熟。实际施工监控手段也经历了发展和更新的过程，悬索桥的施工监控主要在于主缆的控制，其中包括主缆下料长度、主缆线形、空缆线形以及基准索股线形等。

悬索桥最终成桥状态是否符合设计状态要求，与桥梁施工过程控制方法十分紧密。在施工过程中，根据桥梁各阶段施工顺序和结构状态，采集桥梁变形、应力、温度等参数，并根据理论计算进行调整，从而分析后续施工过程中结构状态，及时修正和调整相关参数，保证成桥线形符合设计要求，施工监控是重要环节。大跨径悬索桥的主缆架设是悬索桥上部结构施工的关键，而主缆的施工监控更是重中之重。

1 工程概况

重庆某桥为主跨600 m 地锚式双塔双索面悬索桥，双向六车道，主梁为钢箱梁，梁高为3m，主缆矢跨比为1 ∶9.09，吊索间距为12m，主缆横向间距为26.7m。主缆采用高强度镀锌钢丝，公称直径为5.20mm、抗拉强度为1670MPa。南北桥塔采用门式框架结构，塔柱为钢筋砼空心结构，塔基采用承台加桩基础。

2 主缆下料长度计算

主缆作为特大跨悬索桥一个非常重要的承重构件，成缆线形的影响因素较多，如索鞍坐标、下料长度计算方法等都十分重要。通过悬索桥建造经验可知，主缆的线形更接近多段悬链线，与抛物线相比更加精确。主缆的下料长度根据设计文件成缆线形计算确定，索鞍坐标、索夹坐标、鞍座预偏量等根据主梁索股架设线形确定。除了计算方法外，在施工控制计算分析时还应考虑温度效应、混凝土收缩徐变、基础沉降等因素的影响。

在该桥施工过程中，采用倒拆计算与正装迭代计算两种方法。计算采用桥梁专业有限元软件MIDAS Civil，在空间非线性及主缆架设等过程仿真分析时，将桥梁结构离散为空间梁元和索单元结构进行计算，均能充分考虑材料收缩徐变、体系温度效应等方面影响。有限元计算模型如图1 所示。

图1 悬索桥有限元计算模型

同时结合非线性有限元软件ANSYS、BNLAS，三种软件主缆基准索股的无应力索长计算结果见表1。

表1 三种软件计算值与设计索长对比

通过采用多种计算软件复核计算，各软件之间计算值偏差很小，最大偏差3.66cm，偏差率0.0036%；并与设计值进行对比，三种软件计算值最大偏差2.18cm，偏差率0.0022%，计算结果对比几乎一致，验证了计算模型的准确性。因此，主缆基准索股无应力索长计算时建议至少采用两种计算软件进行平行计算，可互相校核，避免人为错误。

3 主缆监控量测

3.1 索股监控量测

基准索股线形测点布设于主缆中跨跨中、两侧边跨跨中处及两塔塔顶，测点采用反射棱镜。

架设基准索股过程中，可采用单向三角高程测量进行索股线形测量，测量时间一般应在夜间或清晨气温稳定时进行，其目的是为了降低温度、风等环境的影响。三角高程测量的原理是站点向观测点的高度角和距离计算测站和观测点之间的高差，如图2 所示。

图2 架设基准索股线形测量示意图

本桥跨越长江，江面宽度约800m，长距离测量会受到大气折光和观测仰角的影响，导致原来单向三角高程测量的精度降低，在1500m 测量范围内一般只能达到5cm～10cm。跨江特大跨悬索桥主缆线形测量时，可采用三角高程中间法，达到减少测量过程中大气折光和观测仰角影响的目的，提高主缆线形测量精度，测量精度可达到2.0cm。

因此，在特大跨悬索桥主缆线形测量时，建议采用三角高程中间法，基本可以满足大跨悬索桥基准索股线形测量的精度要求。

基准索股是否需要修正和调整，是根据基准索股线形测量结果与施工监控单位的监控理论计算线形数据进行比较，当两者偏差超过规范和设计要求，则需要通过反复调整索股线形达到最终控制线形的目的。

基准索股在调整过程中，需要考虑设计空缆线形、主塔偏位和鞍座预偏量等因素在温度作用下的变化，要根据调整时实时监测温度进行理论线形和预偏量的修正计算，使实测线形和理论线形偏差符合规范和设计的要求，达到最终调整目的。

索股线形调整到位后，应进行稳定性监测，一般要求3 天～7 天。基准索股调整测量方法与索股架设测量、稳定性监测方法一致，均采用三角高程中间法进行测量。索股调整通过索鞍位移进行调整，调整一次，测量一次索股线形，直至索股线形调整到位。本桥基准索股调整到位后，与理论值进行对比，见表2。

表2 基准索股理论值与实测值对比

调整完毕后的主缆基准索股实测标高与理论标高绝对差值为-11mm～8mm，上下游索股相对高差为-2mm～4mm，满足工程质量验收规范“中跨跨中小于/20000=30mm、边跨跨中小于/10000=60mm，上下游基准索股相对高差±10mm”的要求，验证了该控制方法在实际工程施工过程中运用的准确性。

一般索股线形的测量可采用相对法，测量仪器宜用精度不低于±2 mm～±3 mm 的大型游标卡尺。具体测量方法为基准索股作为参照物不变，通过基准索股与一般索股的高差来调整一般索股线形。调整过程中应尽量保持索股温度一致，如不一致时须考虑温差的修正。一般索股架设是采用参考法，所以索股线形只是相对高差进行控制，无须单独测试一般索股线形。

另外，在架设一般索股过程中，需要定期对基准索股线形进行监测，测量方法和架设时一样，其目的是便于分析基准索股线形是否有发生变化，本桥在架设一般索股过程中基准索股线形未发生变化。

上、下游索股相对线形可采用液体静力水准仪进行测量，测量精度为±3 mm。具体测量方法在主跨、边跨跨中位置进行相对线形测量，量取橡胶管两端的水柱面与索股测点之间的高差，以确定上游和下游索股的相对线形。同时与三角高程测量结果进行对比，两者测量结果基本相符，且误差均在1 cm 以内，说明该监测方法能满足索股架设过程中控制要求，详细结果见表3。

表3 上下游索股相对偏差

根据实测索塔间距、鞍座坐标、索股温度，通过理论计算各跨基准索股的理论控制线形和跨中点标高。

索股矢度调整仍宜选择在夜间温度稳定时进行。本桥矢高调整后，主缆索股实测标高与理论标高绝对差值为-11 mm～8 mm，矢高误差小于规范±/10000=60 mm 的要求（为中跨的主缆跨度）。

调整之前，应测量大气温度和索股温度。调整时的温度控制条件分为长度和断面两个方向。

温度变化：Δ长度方向≤2°C；Δ断面方向≤1°C。主缆架设后，主缆对桥塔的约束作用增强，须观测日照对桥塔顶水平位移的影响情况。1）桥塔塔顶的坐标监测，在塔顶两侧分别布置一个监测点，频率为一次/半个月；2）桥塔基础和锚碇的沉降监测，频率为一次/3 个月。

3.2 主缆锚跨张力监控

主缆锚跨张力和鞍座位置对主缆线形起决定性作用，锚跨张力的准确与否决定主缆成缆线形是否满足要求。因此，在主缆施工过程中，需要对主缆的初张力进行测量，测量方法为在锚碇处选取部分索股，在索股张拉端安装压力传感器，测量索股锚跨张力。

本桥主缆索股共计65 束，选取1 号、33 号、65 号索股进行锚跨张力测量，每根主缆两端各布置一个测点，共计12 个测点，测点布置如图3 所示。在施工过程中，应在各重点施工节点进行张力监控测量，如空缆状态、钢箱梁吊装以及桥面铺装等。

图3 主缆横断面测点布置示意图

压力传感器须根据本桥实际尺寸及索股初张力设计值进行选取，安装前须标定，安装采用焊接，长期漂移很小， 5 年不超过0.5%F.S.。主缆锚跨张力结果见表4。

表4 主缆锚跨张力实测值与设计值对比

主缆锚跨张力偏差范围为-2.8 kN～5.6 kN，偏差率为-1.5%～3.3%，可见，锚跨张力实测值与理论值吻合较好，索力误差小于规范中±10%的要求。

3.3 温度场测量

大跨悬索桥作为结构非线性的代表，施工过程中缆索、混凝土等材料在温度作用下变形十分敏感，因此，在悬索桥施工监控过程中，主缆温度场测量也是主缆施工监控的重点工作。

主缆共设置5 个温度测点，分布于四周和中间，将温度传感器提前预埋。测点布置如图4 所示。基准索股与一般索股温度测量，测量断面设置在边跨以及中跨跨中处，同时应对大气温度进行测量和记录。

图4 主缆温度测试点布置示意

主缆温度场测量采用智能温度传感器，精度要求±0.5℃，线性误差要求±0.5℃。具体测量方法为传感器提前预埋进主缆，并用外接读数仪进行测量。

3.4 主缆线形监控

在主缆架缆过程中，应定期对基准索股线形、索塔倾斜进行监测，确保主缆成型后的线形与设计相符，主缆架设完成后对空缆线形、索塔倾斜及跨径进行实测，获得空缆状态下的各结构位置关系，成缆后空缆实测标高与理论标高绝对差值为-32 mm～34 mm，误差小于规范±/10000=60 mm 的要求，为后续桥梁施工提供可靠的数据。

4 结语

通过对大跨径悬索桥主缆施工监控技术分析，总结出以下3 个要点：1）悬索桥主缆无应力索长计算时，主缆的真实线形采用分段悬链线比抛物线计算更精确，同时建议采用多种分析软件进行监控复核计算，保证计算的准确性。2）大跨径悬索桥基准索股线形测量，可采用三角高程中间法和液体静力水准测量，提高线形测量精度。3）悬索桥主缆施工监控，还需对主缆索力、温度等参数进行监测，并根据相应参数进行修正，才能保证主缆成缆后空缆线形符合设计要求。