中央索面混凝土梁斜拉桥空间索导管定位、安装控制要点

吴鹏亮

（中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

在300m～1000m 这一跨径范围内，作为现在的流行桥型，斜拉桥比悬索桥更具优势，其斜拉索定位、安装也有较高要求。斜拉桥是受力复杂、各构件间相互影响大且内力和线形可人为控制的高次超静定结构，其庞大质量产生的力通过斜拉索及其索导管传到塔上。为了防止拉索与索导管管口发生摩擦而造成拉索损坏，保证对称主塔两侧的斜拉索位于同一设计平面内，避免锚固点偏心而发生附加弯矩超过设计允许值，斜拉桥的结构体系在工序流程管控、技术质量管理过程中的施工、测量和监控等方面均有较高要求，其中施工控制的关键在于把控好斜拉桥索导管施工精度。该文以清水江特大桥钢绞线斜拉空间索导管安装施工为例来总结定位和安装控制要点。

1 工程概况

清水江特大桥为沿河至榕江高速公路剑河～榕江段控制性工程，全桥跨径布置为（2×30）m 先简支后桥面连续预应力混凝土T 梁+（120+300+120）m 预应力混凝土斜拉桥，主桥为跨径300m 的“塔、梁、墩固结”的双塔中央双索面混凝土斜拉桥，3#、4#索塔总高度分别为149m、182m。索塔两侧各布置23 对斜拉索，中跨及边跨斜拉索梁上标准间距为6m，边跨尾索区斜拉索标准间距为4m，采用空间扇形布置，清水江特大桥主梁标准断面如图1 所示。

图1 清水江特大桥主梁标准断面示意图

1.1 斜拉索结构

清水江特大桥的斜拉索主要由梁端、塔端的锚固段、过渡段以及中间的自由段组成。锚固段主要包括索导管、斜拉索锚固螺母、锚固板、夹具及保护设施；过渡段主要包括垫板、减振装置；自由段包括环氧单丝涂覆钢绞线、索箍及HDPE 保护管。

斜拉索是斜拉桥的生命线，索导管则是决定斜拉索使用寿命、成桥可靠性的关键部件。索导管的定位、安装在该过程中具有精度要求高、高空施作难度大、作业环境复杂以及不可控影响因素多等特点。

1.2 主梁

1.2.1 横向预应力布置

横向预应力仅在横隔板处设置，型号为15-19，但水平方向上存在很大的侧向力，没有足够的预应力。因此，应将梗肋布置在横向隔离件的悬臂处。另外，在竖向预应力的作用下，水平梁的纵向承载能力只有一个很低的百分比，而在永久加载条件下，虽然可以达到设计指标，但是剩余的空间很少，使日后产生裂缝的风险加剧。因此，为避免后期开裂，应对悬臂梁的梁进行加固。

1.2.2 辅助墩墩顶压重

在结构的基础上，副墩顶部常因常加载而承受较大的拉应力，因此在结构上常采取副墩头集中承压的方法，使其具有一定的承压能力。但由于桥墩压力较大，因此施工难度大，影响检修通道。为了解决这一问题，对副墩顶部采取均匀分布的方法，在副墩顶部130m 处，梁顶和压重层同时进行。采用压实材料进行桥梁结构的设计可大大减少工程的难度，同时也能保证桥梁内部的维修畅通。

2 索导管长度计算

空间索道的坐标计算通常有2 种方法：一是利用设计图纸上提供的角度、高程、索导管及锚垫板的尺寸进行计算，加上监控单位提供的预抬、预偏值，通过Excel 软件计算出索导管锚固点及出口点的三维坐标；二是利用设计图纸上提供的角度、高程和监控单位给出的预抬、预偏值，通过CAD软件画出索导管，量取锚固点和出口点的坐标[1]。

2.1 主塔斜拉索锚固区空间角度、高程表

该项目以Excel 软件计算索导管三维坐标为例阐述计算过程，根据设计提供的主塔斜拉索锚固区空间角度、高程表，求解每根索导管的长度。根据图纸提供的主塔斜拉索锚固区空间角度和坐标表见表1。

表1 斜拉索区空间角度、高程表

2.2 索导管计算公式

根据三维计算公式计算空间索管长度，如公式（1）、公式（2）所示。

式中：D-索导管外直径；L1-锚固点M到出口点W的距离；X-xy平面出口点W到索管底的距离；L2-xy平面锚固点M到出口点W的距离；L-索管的长度。

2.3 索导管计算长度

现以Z17 号索导管为例计算管长度，如公式（3）、公式（4）所示。

3 索导管安装定位施工要点

3.1 索导管在后场的加工与安装控制

3.1.1 索导管的加工

根据缆线的设计图纸D2（缆线的最大侧和最短侧），在缆线管道上确定L1、L2线（缆线的最长侧和最短侧），用石墨标记L1、L线，需要D点的间距，然后根据图纸上的实际锚点与钢缆的中轴线坐标、切削角确定L1、L2线上的E、F点坐标。再根据线导管L1、L2线和劲性骨架上、下2 个面，即桥坐标系向后部坐标体系的转变后从上到下的交叉点A、B、C、D点的坐标，并根据缆线的后场设定控制点（如图2所示）。

图2 索导管的加工示意图

在索导管下完料后标记编号，并根据图示与下料的锚垫进行焊接。在钢管制作完毕后，对钢索及钢索长度、A、B、C、D、E、F点之间的L1、L2线及EF的斜率进行测试。

3.1.2 索导管在劲性骨架上的安装控制

索导管安装图如图3 所示。

首先，在钢索导管入口即抄平缆线后面的平台和铁丝网的入口，铁轨上的隔离层必须保持竖直。

其次，在对所述平台进行加工前，对所述加强框架的上下端控制面NN'IT'、MM'HH'平面进行测定，以其作为基准面。4 个加劲梁在4 根直立的顶端焊接一个带螺纹的槽，而在下一头只焊接用于紧固的钢板。在筋条上边和下边的控制面NN'IT和MMHH'平面上，用一根钢尺来测量中间的N和M（控制基准），N和M是支撑条的y、z坐标和方向的控制线，NM与垂直方向平行。N、M节点和工作台的竖直投影应该是相符合的（在主手臂的中轴线上）。N、M点的竖向投影N'M'连线为电缆的引出点（索导管的引出点均位于塔的侧面中心线上），因此能够用钢尺沿N"M"连线进行测量。NM曲线为指强骨上表面（前后场设定基线1）的中轴线，NM在筋骨下的竖向投影N'M'，即下表面的中央（前后场组装基线2）。在N、M点平台投影N"、M"点的延长线上，在G点上加一个“N”点。

再次，根据上述相关参数，求得索导管A、B、C、D、E、F点对应坐标，E、F点为索导管出塔的控制点，A、B、C、D是索导管与劲性骨头相交的内控制点。把E、F、B点投影到金属片上的投影E、F、B'，将球的倒置投影到刚性物体的顶端，进而决定B点。钢索吊起后，必须保证钢索E、F、B点同时与平台和筋板上的E、F、B点强制重合。在2段控制线上，以一块作为基准，用钢尺测量H、H'、I的控制线，并做相应的标识。H、H'、Ⅰ、I'点是x坐标点，HH'和II'点连点既是肌腱的横向中心轴线，又是劲性骨骼的控制基线3 和控制基线4。

最后，将索导管与劲性骨架连接好后，利用全站仪实测锚固点O1，测量A点和C点，确定缆绳中轴O1O2的方位，并与其进行对比。

3.2 索导管定位

3.2.1 定位精度分析

采用莱卡全站器进行测控，双测回线分别进行横向、数字角度和间距的测量。通过全站测量的精度可以求出三维坐标的中间偏差，如公式（5）～公式（7）所示。

式中：md为距离的偏差，取md=±-2mm；mx为垂直和横向角度的角度偏差，用“±2.5”表示；D为测得的斜矩，取D=750m；z是垂直角度，最大值l5；a是横向角度，取最不利为0；mk是空气折射率的最大值，取mk=±0.05；i和v是仪表高度和棱镜高度，取mi=0，ma=±lmm；S为测量水平矩，取S=310m。

带入可解得mx=my=2.44mm<5mm，mz=2.38mm<5mm。

如果取棱镜对中杆对中精度为mg=±2mm， 则3.99 mm，满足设计要求[2]。

3.2.2 定位点坐标确定

通过给出的A、C点的坐标、斜拉索的位置和相应的大小，可以方便地求出索导管在任意位置的三维空间位置。根据该文的定位思想，先要得到A'和O的坐标，然后通过全站仪器的测量和放样，才能准确地确定单个钢缆的空间位置。这一推理过程如下。

AO段长是指预埋件的深度和锚垫的厚度总和。从空间坐标的角度可以容易地得到O'点的坐标，如公式（6）所示。

式中：（XA，YA，ZA）是点A的立体空间坐标；（Xo，Yo，Zo）是点O的立体坐标。

由于A'点的坐标不在索导管的中轴线，所以不能通过线性方程来导出，但是可以选择O点为介质，先求出O点的三维坐标，然后通过A'O的线性方程求出A'点的坐标。参考点O的坐标如公式（7）所示。

上述计算式均为索导管的空间三维坐标。

3.3 结果测定

通过表中数据（见表2）可看出各控制点坐标误差均为毫米级、最大误差仅1.1mm，误差较小，均在可控制范围内。因此，公式推导得出的三维坐标完全可以满足施工要求，该方法比CAD 绘图更方便快捷，易于在现场使用。

表2 理论值与精确值对比误差

4 结语

根据清水江大桥斜拉桥施工经验，在实际实施过程中不能直接按照图纸提供的索导管长度下料加工，需要结合现场情况坐标计算放样、复核计算索导管长度。计算坐标使用三维坐标放样的方法，然后通过复核计算索导管的长度，在现场进行索导管的精确定位及三维空间调控。索导管三维空间调控需要按照先粗、后精、再检核的多重控制的原则进行一系列的施工和数据解算。

斜拉桥斜索空间导向管准确、方便、快速定位是施工现场的技术难点之一，在今后实施过程中仍需要积累更多经验，总结优化数据管理、解算复合及现场施作流程，减轻测量人员、施工人员的工作量，提高现场施工效率，形成更完善的斜拉桥塔柱与索导管测量、施工方法。最终通过在施工中的运用，有效保证了索导管定位安装的准确性，实现了大桥的正确合龙，确保了大桥寿命与质量。