大跨徑斜拉橋拉索施工控制研究

劉占兵，胡 凱，宗 偉

(1.湖北省建設投資集團有限公司/湖北省路橋集團有限公司,湖北 武漢 430000;2.湖北交通職業技術學院,湖北 武漢 430000)

1 引 言

武穴長江公路大橋主橋橋型方案為主跨808 m雙塔斜拉橋，雙塔雙索面半漂浮體系，鉆石型索塔，空間扇形斜拉索。橋跨(主橋、灘橋)組合為：(56+100+56)m連續箱梁+(6×30)m預應力混凝土連續T梁+(56+100+56)m連續箱梁+(80+290+808+75+75+75)mPK鋼箱混合梁斜拉橋+40 m簡支混凝土梁，橋梁全長2 051.5 m，其中主橋斜拉橋長1 403 m(不含橋臺)。

大跨徑斜拉橋的施工控制理論主要有無應力狀態法(提出了結構的基本原理)、幾何控制法(強調了索長、線形等幾何要素的控制)和自適應控制法(收集索、梁、塔等構件在制造、安裝等過程的實際數據用于模型修正，從而有針對性、有準備地進行過程控制)等。

斜拉索無應力長度是控制主梁整體線形的主要參數之一，可通過無應力索長的調整實現主梁整體線形、索力、塔偏等其他結構參數的控制，由于每一根索的無應力長度都是獨立變量，不會相互干擾，且長度的測量精度高，因此將無應力索長作為大跨徑斜拉橋的基本控制變量具有理論和實踐的一致性。

針對武穴長江公路大橋的結構體系特點，采用彈性懸鏈線理論精確解實用迭代方法計算無應力索長，提出大跨徑斜拉橋拉索施工控制方法，該計算方法在大跨徑斜拉橋施工控制效果良好。

2 斜拉索控制參數計算總體流程

由于斜拉索施工階段多，受力狀態復雜，影響因素多，要實現設計成橋狀態，必須選擇合適的斜拉索控制計算總體流程，針對不同施工階段進行計算，確定斜拉索施工控制參數。

具體步驟為：(1)根據設計圖紙得到成橋狀態無應力索長L0；(2)根據施工方案，建立各施工階段模型，得到主跨合龍前最大懸臂狀態無應力索長L1；(3)將L0,L1代入各施工階段進行計算，通過迭代得到滿足設計成橋狀態施工控制參數。

在橋梁施工過程中收集實際參數，對模型進行修正，并重新計算施工控制參數。

3 斜拉索施工控制

對武穴長江公路大橋無應力索長進行研究，采用彈性懸鏈線理論精確解實用迭代計算方法計算無應力索長。

3.1 應力索長的彈性懸鏈線理論精確解實用迭代計算方法

建立如圖1(a)拉索上模型，梁端錨點為I端，坐標(0，0)和塔端錨點l端坐標(l,I)。拉索索力為T，其水平分力為H，其豎向分力為V,N為索力T在拉索弦線上的分力，E為拉索彈性模量，A為拉索截面面積，q為拉索單位長度質量。

假設變形前單位長度重量為q0，變形后單位長度重量q，s為成橋狀態的拉索索長；s0為拉索無應力索長。由于拉索變形前后的總重不變，可以得到

q0ds0=qds

(1)

根據胡克定律

ds0[1/(1+T/EA)]ds

(2)

則

q/q0=ds0/dx=1/(1+T/EA)

(3)

圖1 斜拉索計算模型示意圖

定義參數u=u(x)，其雙曲正弦值等于拉索任一點的斜率，且dy/dx=sinh(u)=tan(α)，α為拉索任一點的傾角。

根據微段的靜力平衡條件有

∑x=0d(Tdx/ds)=0

(4)

∑y=0d(Tdy/ds)-qds=0

(5)

由式(4)可以看出，微段索力水平分力H相等。

(6)

由式(6)積分可得

(7)

(8)

(9)

(10)

由ds/dx=cosh(u)=T/H，得到變形后索長s

(11)

式(11)為彈性懸鏈線理論拉索變形后的索長公式。

根據式(11)可知，求得u(l)就可求得拉索索長。

對式(2)積分可以得到

(12)

將x=0處邊界條件u(x)=u(0)，=0代入式(12)

(13)

得：

則無應力索長s0為

(14)

因此，計算得到u(0)和u(l)u就可以精確求得無應力索長s0。

引入x=l處邊界條件：u(x)=u(l)，x=1，y=h，代

入式(8)和式(10)可得

(15)

(16)

假定u(0)和u(l)u為未知待求參數，式(15)和式(16)為非線性方程組，需要通過迭代求解。

3.2 武穴長江公路大橋斜拉索的制造索長

制造索長考慮了索塔錨固點定位及定位時溫度修正、新增錨墊板、健康監測錨索計、上塔柱預抬、南邊跨預偏等因素，修正索長，給出錨墊板間無應力索長。均在設計基準溫度為15 ℃條件下給出。

為充分考慮施工誤差的影響，武穴橋制造索長分五批給出，限于篇幅，部分索長見表1、表2。

表1 北塔斜拉索部分制造索長

表2 南塔斜拉索部分制造索長

3.3 成品索彈模測試

斜拉索制造單位進行了成品索彈模測試，見表3。測試結果表明成品索彈模符合規范要求，且數值較為集中。結合其他斜拉橋彈模測試結果，本橋采用斜拉索彈模為197 GPa。

表3 成品索彈模測試結果

3.4 斜拉索張拉控制

斜拉索張拉控制理論分析中，北塔斜拉索、南塔中跨斜拉索、南塔邊跨1#～10#索索長均采用一次張拉至設計索長，11#～26#索考慮合龍后二次調索，以避免南塔在施工過程中塔偏過大、塔梁限位支反力過大的不利影響。斜拉索初張拉采用張拉力控制，其余張拉均采用拔出量控制。

施工期中，南、北兩側主梁均架設至17#節段時，長江水位超過警戒水位，主梁架設施工被迫停止。利用停工期進行施工期調索，消除目前為止的線形誤差、索力誤差等結構誤差，從而以較好的結構狀態進入后續施工，節省合龍后調索工作量。考慮到北塔豎向鋼絞線索臨時限位的作用，北塔調整17#～5#斜拉索；南塔斜拉索全部調整。

以北塔為例，調索后測量結果表明：南北三個懸臂線形平順，懸臂前端高程偏高約5～7 cm，斜拉索索力整體偏差較小，結構應力水平正常，為后續施工控制提供了較好的結構狀態條件。

成橋索力測試，北塔斜拉索及南中跨斜拉索的索力偏差最大7.8%；全部滿足施工監控方案中的監控目標要求；南邊跨斜拉索索力偏差超過5%僅3根，最大為5.7%，其余均滿足施工監控方案中的監控目標要求。上下游索力差均小于3%。總體而言，斜拉索索力控制是成功的。

4 結 語

大跨徑斜拉橋施工控制計算應面向施工，兼顧結構設計特點、具體施工方法、測試測量方法及誤差控制手段等方面，在確保過程安全可控的前提下及允許誤差范圍內達到設計成橋狀態，核心是幾何控制。無應力索長是獨立變量，采用以錨杯可調量為約束的索長調整量聯系各施工階段，便于指導以錨杯拔出量控制的實際斜拉索張拉施工。將調索分為成橋狀態、最大懸臂狀態、全部施工階段3個步驟，依次逐步確定斜拉橋各狀態參數，概念清晰；方便與設計、施工等各方就計算結果進行對接，也反映了隨著現場施工推進而不斷深入的特點。具體調索計算過程采取先調整塔偏位移、再調整主跨線形、最后調整索力均勻性與橋塔剪力的思路符合大跨徑斜拉橋結構特點；采用本文方法武穴長江公路大橋施工過程結果與實測值一致，調索完畢后索力、主梁線形、橋塔偏位誤差均在允許誤差范圍內。