中央索面混凝土梁斜拉橋空間索導管定位、安裝控制要點

吳鵬亮

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

在300m～1000m 這一跨徑范圍內，作為現在的流行橋型，斜拉橋比懸索橋更具優勢，其斜拉索定位、安裝也有較高要求。斜拉橋是受力復雜、各構件間相互影響大且內力和線形可人為控制的高次超靜定結構，其龐大質量產生的力通過斜拉索及其索導管傳到塔上。為了防止拉索與索導管管口發生摩擦而造成拉索損壞，保證對稱主塔兩側的斜拉索位于同一設計平面內，避免錨固點偏心而發生附加彎矩超過設計允許值，斜拉橋的結構體系在工序流程管控、技術質量管理過程中的施工、測量和監控等方面均有較高要求，其中施工控制的關鍵在于把控好斜拉橋索導管施工精度。該文以清水江特大橋鋼絞線斜拉空間索導管安裝施工為例來總結定位和安裝控制要點。

1 工程概況

清水江特大橋為沿河至榕江高速公路劍河～榕江段控制性工程，全橋跨徑布置為（2×30）m 先簡支后橋面連續預應力混凝土T 梁+（120+300+120）m 預應力混凝土斜拉橋，主橋為跨徑300m 的“塔、梁、墩固結”的雙塔中央雙索面混凝土斜拉橋，3#、4#索塔總高度分別為149m、182m。索塔兩側各布置23 對斜拉索，中跨及邊跨斜拉索梁上標準間距為6m，邊跨尾索區斜拉索標準間距為4m，采用空間扇形布置，清水江特大橋主梁標準斷面如圖1 所示。

圖1 清水江特大橋主梁標準斷面示意圖

1.1 斜拉索結構

清水江特大橋的斜拉索主要由梁端、塔端的錨固段、過渡段以及中間的自由段組成。錨固段主要包括索導管、斜拉索錨固螺母、錨固板、夾具及保護設施；過渡段主要包括墊板、減振裝置；自由段包括環氧單絲涂覆鋼絞線、索箍及HDPE 保護管。

斜拉索是斜拉橋的生命線，索導管則是決定斜拉索使用壽命、成橋可靠性的關鍵部件。索導管的定位、安裝在該過程中具有精度要求高、高空施作難度大、作業環境復雜以及不可控影響因素多等特點。

1.2 主梁

1.2.1 橫向預應力布置

橫向預應力僅在橫隔板處設置，型號為15-19，但水平方向上存在很大的側向力，沒有足夠的預應力。因此，應將梗肋布置在橫向隔離件的懸臂處。另外，在豎向預應力的作用下，水平梁的縱向承載能力只有一個很低的百分比，而在永久加載條件下，雖然可以達到設計指標，但是剩余的空間很少，使日后產生裂縫的風險加劇。因此，為避免后期開裂，應對懸臂梁的梁進行加固。

1.2.2 輔助墩墩頂壓重

在結構的基礎上，副墩頂部常因常加載而承受較大的拉應力，因此在結構上常采取副墩頭集中承壓的方法，使其具有一定的承壓能力。但由于橋墩壓力較大，因此施工難度大，影響檢修通道。為了解決這一問題，對副墩頂部采取均勻分布的方法，在副墩頂部130m 處，梁頂和壓重層同時進行。采用壓實材料進行橋梁結構的設計可大大減少工程的難度，同時也能保證橋梁內部的維修暢通。

2 索導管長度計算

空間索道的坐標計算通常有2 種方法：一是利用設計圖紙上提供的角度、高程、索導管及錨墊板的尺寸進行計算，加上監控單位提供的預抬、預偏值，通過Excel 軟件計算出索導管錨固點及出口點的三維坐標；二是利用設計圖紙上提供的角度、高程和監控單位給出的預抬、預偏值，通過CAD軟件畫出索導管，量取錨固點和出口點的坐標[1]。

2.1 主塔斜拉索錨固區空間角度、高程表

該項目以Excel 軟件計算索導管三維坐標為例闡述計算過程，根據設計提供的主塔斜拉索錨固區空間角度、高程表，求解每根索導管的長度。根據圖紙提供的主塔斜拉索錨固區空間角度和坐標表見表1。

表1 斜拉索區空間角度、高程表

2.2 索導管計算公式

根據三維計算公式計算空間索管長度，如公式（1）、公式（2）所示。

式中：D-索導管外直徑；L1-錨固點M到出口點W的距離；X-xy平面出口點W到索管底的距離；L2-xy平面錨固點M到出口點W的距離；L-索管的長度。

2.3 索導管計算長度

現以Z17 號索導管為例計算管長度，如公式（3）、公式（4）所示。

3 索導管安裝定位施工要點

3.1 索導管在后場的加工與安裝控制

3.1.1 索導管的加工

根據纜線的設計圖紙D2（纜線的最大側和最短側），在纜線管道上確定L1、L2線（纜線的最長側和最短側），用石墨標記L1、L線，需要D點的間距，然后根據圖紙上的實際錨點與鋼纜的中軸線坐標、切削角確定L1、L2線上的E、F點坐標。再根據線導管L1、L2線和勁性骨架上、下2 個面，即橋坐標系向后部坐標體系的轉變后從上到下的交叉點A、B、C、D點的坐標，并根據纜線的后場設定控制點（如圖2所示）。

圖2 索導管的加工示意圖

在索導管下完料后標記編號，并根據圖示與下料的錨墊進行焊接。在鋼管制作完畢后，對鋼索及鋼索長度、A、B、C、D、E、F點之間的L1、L2線及EF的斜率進行測試。

3.1.2 索導管在勁性骨架上的安裝控制

索導管安裝圖如圖3 所示。

首先，在鋼索導管入口即抄平纜線后面的平臺和鐵絲網的入口，鐵軌上的隔離層必須保持豎直。

其次，在對所述平臺進行加工前，對所述加強框架的上下端控制面NN'IT'、MM'HH'平面進行測定，以其作為基準面。4 個加勁梁在4 根直立的頂端焊接一個帶螺紋的槽，而在下一頭只焊接用于緊固的鋼板。在筋條上邊和下邊的控制面NN'IT和MMHH'平面上，用一根鋼尺來測量中間的N和M（控制基準），N和M是支撐條的y、z坐標和方向的控制線，NM與垂直方向平行。N、M節點和工作臺的豎直投影應該是相符合的（在主手臂的中軸線上）。N、M點的豎向投影N'M'連線為電纜的引出點（索導管的引出點均位于塔的側面中心線上），因此能夠用鋼尺沿N"M"連線進行測量。NM曲線為指強骨上表面（前后場設定基線1）的中軸線，NM在筋骨下的豎向投影N'M'，即下表面的中央（前后場組裝基線2）。在N、M點平臺投影N"、M"點的延長線上，在G點上加一個“N”點。

再次，根據上述相關參數，求得索導管A、B、C、D、E、F點對應坐標，E、F點為索導管出塔的控制點，A、B、C、D是索導管與勁性骨頭相交的內控制點。把E、F、B點投影到金屬片上的投影E、F、B'，將球的倒置投影到剛性物體的頂端，進而決定B點。鋼索吊起后，必須保證鋼索E、F、B點同時與平臺和筋板上的E、F、B點強制重合。在2段控制線上，以一塊作為基準，用鋼尺測量H、H'、I的控制線，并做相應的標識。H、H'、Ⅰ、I'點是x坐標點，HH'和II'點連點既是肌腱的橫向中心軸線，又是勁性骨骼的控制基線3 和控制基線4。

最后，將索導管與勁性骨架連接好后，利用全站儀實測錨固點O1，測量A點和C點，確定纜繩中軸O1O2的方位，并與其進行對比。

3.2 索導管定位

3.2.1 定位精度分析

采用萊卡全站器進行測控，雙測回線分別進行橫向、數字角度和間距的測量。通過全站測量的精度可以求出三維坐標的中間偏差，如公式（5）～公式（7）所示。

式中：md為距離的偏差，取md=±-2mm；mx為垂直和橫向角度的角度偏差，用“±2.5”表示；D為測得的斜矩，取D=750m；z是垂直角度，最大值l5；a是橫向角度，取最不利為0；mk是空氣折射率的最大值，取mk=±0.05；i和v是儀表高度和棱鏡高度，取mi=0，ma=±lmm；S為測量水平矩，取S=310m。

帶入可解得mx=my=2.44mm<5mm，mz=2.38mm<5mm。

如果取棱鏡對中桿對中精度為mg=±2mm， 則3.99 mm，滿足設計要求[2]。

3.2.2 定位點坐標確定

通過給出的A、C點的坐標、斜拉索的位置和相應的大小，可以方便地求出索導管在任意位置的三維空間位置。根據該文的定位思想，先要得到A'和O的坐標，然后通過全站儀器的測量和放樣，才能準確地確定單個鋼纜的空間位置。這一推理過程如下。

AO段長是指預埋件的深度和錨墊的厚度總和。從空間坐標的角度可以容易地得到O'點的坐標，如公式（6）所示。

式中：（XA，YA，ZA）是點A的立體空間坐標；（Xo，Yo，Zo）是點O的立體坐標。

由于A'點的坐標不在索導管的中軸線，所以不能通過線性方程來導出，但是可以選擇O點為介質，先求出O點的三維坐標，然后通過A'O的線性方程求出A'點的坐標。參考點O的坐標如公式（7）所示。

上述計算式均為索導管的空間三維坐標。

3.3 結果測定

通過表中數據（見表2）可看出各控制點坐標誤差均為毫米級、最大誤差僅1.1mm，誤差較小，均在可控制范圍內。因此，公式推導得出的三維坐標完全可以滿足施工要求，該方法比CAD 繪圖更方便快捷，易于在現場使用。

表2 理論值與精確值對比誤差

4 結語

根據清水江大橋斜拉橋施工經驗，在實際實施過程中不能直接按照圖紙提供的索導管長度下料加工，需要結合現場情況坐標計算放樣、復核計算索導管長度。計算坐標使用三維坐標放樣的方法，然后通過復核計算索導管的長度，在現場進行索導管的精確定位及三維空間調控。索導管三維空間調控需要按照先粗、后精、再檢核的多重控制的原則進行一系列的施工和數據解算。

斜拉橋斜索空間導向管準確、方便、快速定位是施工現場的技術難點之一，在今后實施過程中仍需要積累更多經驗，總結優化數據管理、解算復合及現場施作流程，減輕測量人員、施工人員的工作量，提高現場施工效率，形成更完善的斜拉橋塔柱與索導管測量、施工方法。最終通過在施工中的運用，有效保證了索導管定位安裝的準確性，實現了大橋的正確合龍，確保了大橋壽命與質量。