朝天門大橋鋼絞線索結構的施工控制與監測

曾永華 劉 浩 劉海智

重慶朝天門大橋作為世界最大跨度的公軌兩用鋼桁架拱橋,大量構件的最不利受力狀態發生在施工過程中。為保證大橋的安全順利建成,使用了斜拉扣掛系統和臨時系桿。

1 工程概況

重慶朝天門大橋為三跨連續中承式鋼桁系桿拱橋,是目前世界上最大跨度的公路—輕軌兩用雙層拱橋。主橋上部結構設計跨徑為190 m+552 m+190 m,具體構造和施工方案參見文獻[1]。

在朝天門大橋施工前期,采用通用軟件Midas-Civil2006○R進行了空間結構分析(計算模型見圖1)。為保證大橋施工安全,在中跨大懸臂安裝過程中,設置了兩大鋼絞線索結構:

1)斜拉扣掛系統。2)臨時系桿。

朝天門大橋建設中的斜拉扣掛系統和臨時系桿相對永久結構而言,材料選擇及加工制造的安全度較低,為關鍵臨時結構。文章就上述兩大臨時結構用到的索結構的施工與控制的成功經驗做一介紹。

2 斜拉扣掛系統架設中索力控制及測試

2.1 斜拉扣掛系統設置

朝天門大橋的斜拉扣掛系統和上海盧浦大橋扣塔結構[2]全然不同,塔底設置鉸機構,塔架主要承受軸力。斜拉扣掛系統由塔架、鋼鉸軸、鋼錨箱、風纜及斜拉索組成。斜拉索:邊跨內、外拉索每桁均采用 4×37φ 15.24鋼絞線;主跨內、外拉索每桁均采用2×61φ 15.24鋼絞線,邊、中跨內外拉索上端都錨固于塔架頂部鋼錨箱上,下端分別錨固于上弦桿A2,A3,A25,A31節點上,拉索與主桁之間用鋼錨箱連接,上端為錨固端,下端為張拉端。

2.2 鋼絞線索施工及控制

鋼絞線索錨固用OVM250型群錨體系,單根鋼絞線均外包PE護套防腐,采用單根掛索,單根張拉的工藝施工,對稱張拉。斜拉扣掛系統中,采用無應力長度和基準索的方法來控制鋼絞線索的張拉,一次張拉到位,在后續施工中,不再對拉索索力進行調整。

采用圖1中的模型和試算確定拉索初張力。以施工過程中的最不利桿件的應力為控制目標,以扣索索力為變量進行調值計算,得到一組較優的索力值,同時算得設計溫度下扣索索長的無應力計算長度,見表1。

表1 江北側扣索無應力長度 m

施工時,布設錨索計并采用索力動測儀監測索力變化。同束索內每根鋼絞線索力均勻性不大于±2.5%,每束索之間索力均勻性不大于±1.5%的要求。

2.3 拉索索力監測及結果

索力測試采用動測儀CDJM268和錨索計兩種方式互相校核計算。采用索力動測儀測讀單索振動頻率,然后根據下述公式換算到拉索張力,公式推導及參數含義見文獻[3]。圖2為102索索力動測法采樣數據和頻譜圖。

表2 江北扣塔1號扣索張拉完成后索力對照表

當索長較大,拉索面積較小時,可以不考慮抗彎剛度的影響。具體應用動測法時,應考慮長度、垂度、溫度、阻尼器、鋼絞線彈性模量、線密度以及測試頻率的影響,對計算長度予以修正才能應用于計算[4-6]。錨索計噸位為200 kN,可直接測讀索力。

邊中跨C1扣索張拉完畢后,采用錨索計和動測法測試索力,其對比結果見表2。從表2中可以看出,采用兩種監測結果,相對差值最大為7%,最小為0.8%,能夠滿足索力測試誤差10%的要求。

江北側邊中跨C2基準索在張拉過程中,基準索理論值和實測值的索力變化情況見圖3。從圖3可以看出,作為控制用的基準索的理論值和實測值吻合得非常好,為朝天門大橋斜拉扣塔系統施工提供了良好的指導作用。

3 臨時系桿架設中索力控制及測試

3.1 臨時系桿設置

臨時系桿系統由E17節點鋼錨箱、錨頭、系桿索三部分組成。系桿索采用φ 15.24高強低松弛鋼絞線束,極限抗拉強度1 860 MPa,每桁設 360根鋼絞線,分 8組錨固,每組45根,設計控制拉力為45 000 kN/桁,安全系數大于2.0。

3.2 臨時系桿施工及控制

臨時系桿采取與扣索相似的分組同步對稱單端張拉的施工工藝,南岸側為錨固端,北岸側為張拉端,從上層錨頭頂部的第一排鋼絞線開始,由上到下進行張拉。

每個錨固點上層錨箱的第一根鋼絞線作為基準索,上下游各設4根基準索,安裝傳感器,按基準索計算張拉力值同步對稱張拉到位,確保上下游兩桁索力一致,作為臨時系桿張拉控制基準,掛索過程中基準索的索力和索長不做調整。

單根鋼絞線張拉控制按照鋼絞線索力控制,同束索內每根鋼絞線索力均勻性按不大于±2.5%控制,每束索之間索力均勻性按不大于±1.5%控制。經過分析和計算,基準索的初始張拉力取為129.7 kN,臨時系桿每桁張力25 125 kN。采用錨索計監測到的基準索在張拉過程中的索力見圖4,由圖4可知,臨時系桿基準索理論張力和實測張力吻合較好。

單根鋼絞線張拉錨固力以基準索實測索力為依據,用理論計算值校核。

臨時系桿施工過程中對鋼絞線索力增長情況、單根索力均勻性、整束索索力變化、上下游兩桁索力均勻性、支點位移、主結構內力及扣索索力均進行了監測監控,監控方法與扣索一致,實測各項指標變化均符合要求。

4 結語

朝天門大橋臨時結構用到了鋼絞線索結構及群錨體系,斜拉扣掛系統中單桁最多4組148根鋼絞線,單桁索力13 822 kN;臨時系桿單桁最大8組360根鋼絞線,單桁索力25 125 kN。其規模在已建拱橋中為國內少見,施工難度大。

在朝天門大橋臨時索結構施工中,采用無應力索長法控制,采用動測法和錨索計法監測索力的變化。索力一次張拉到位,張拉完畢后理論索力與實測索力吻合較好。朝天門大橋臨時索結構的成功張拉和監測為大橋的順利建成提供了保障,為將來鋼絞線拉索的施工及控制積累了經驗。文章對大跨度鋼絞線索結構的施工和控制具有借鑒意義。

注:在文章的完成過程中,筆者引用了中交二航局朝天門大橋建設者的資料,特此表示感謝!同時得到張國志、荀東亮等領導和同志的幫助和支持,特此表示感謝!

[1] 顏 毅.大跨度鋼桁架拱橋受力特性分析[D].重慶:重慶交通大學,2008:12-20.

[2] 岳貴平.上海盧浦大橋施工臨時索塔設計[J].城市道橋與防洪,2002(2):13-16.

[3] 秦順全.斜拉橋安裝無應力狀態控制法[J].橋梁建設,2003(2):31-34.

[4] 王朝華,李國蔚,何祖發,等.斜拉橋索力測量的影響因素分析[J].世界橋梁,2004(3):64-66.

[5] 陳智峰.斜拉橋索力測試的溫度修正[J].山西建筑,2007,33(3):275-277.

[6] 蔡 敏.環境因素對斜拉橋斜索自振頻率的影響[J].合肥工業大學學報(自然科學版),1999(10):36-39.