海上懸索橋大風(fēng)條件下主纜索股架設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

朱 鵬，李 冕，張軍政，王永威

(1.廣東省公路建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510623；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430014；3.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430014；4.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100011)

0 引言

在我國已建設(shè)的懸索橋中，主纜幾乎全部采用預(yù)制平行鋼絲索股逐根架設(shè)的方法進(jìn)行施工。在主纜架設(shè)的過程中，索股線形調(diào)整是關(guān)鍵工序，而基準(zhǔn)索股和普通索股的線形調(diào)整是主纜質(zhì)量控制的重點(diǎn)之一。基準(zhǔn)索股的線形調(diào)整一般采用幾何三角高程測量方法，通過選擇合適的測量儀器和方法連續(xù)觀測3 d以上，能夠達(dá)到規(guī)范精度的要求；索股線形調(diào)整一般采用的方法是以基準(zhǔn)索股為準(zhǔn)，按層與層之間的高差進(jìn)行架設(shè)。

復(fù)雜多變的海洋氣象條件往往會使得垂度法架設(shè)索股變得困難[1-2]。在這種情況下，索股會發(fā)生較大的橫向擺動，海洋環(huán)境下的測量精度也較內(nèi)陸環(huán)境下測量精度要低，極有可能達(dá)不到連續(xù)觀測3 d 以上的目的，勢必會造成基準(zhǔn)索股調(diào)索時(shí)間的延長；而對于一般索股的測量，C型尺轉(zhuǎn)運(yùn)麻煩，有風(fēng)狀態(tài)下索股擺動對測量人員產(chǎn)生較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，夜晚無風(fēng)條件窗口期極短，對主纜的架設(shè)精度和質(zhì)量造成較大的影響。

目前的研究主要集中在常規(guī)條件下的主纜索股架設(shè)方法研究，針對大風(fēng)條件下主纜索股架設(shè)的研究文獻(xiàn)很少，北口大橋提出了基于標(biāo)尺索股的一般索股架設(shè)方法，其原理為在索鞍外側(cè)設(shè)置標(biāo)尺臺和一根標(biāo)尺索，但該標(biāo)尺索的制造精度不高，需要在現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)索，索股調(diào)索完成后，將待調(diào)索股放入標(biāo)尺臺，根據(jù)垂度高差換算得到的索長差值進(jìn)行標(biāo)記，最后上提橫移在索鞍內(nèi)進(jìn)行對位即可。該方法能夠克服溫度的影響，實(shí)現(xiàn)全天候調(diào)索，但是在有風(fēng)條件的標(biāo)尺索的測量依舊困難，且待調(diào)索股和標(biāo)尺索之間垂度高差也需要采用人工卡尺的方法，易受到索股擺動的影響，存在人為誤差和施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

伶仃洋大橋?yàn)橹骺?1 666 m 海中三跨全漂浮體系鋼箱梁懸索橋，主纜跨徑組成為(80+ 500+1 666+500+80)m。主纜在成橋狀態(tài)下的中跨垂跨比為1∶9.65，兩根主纜中心距為 42.1 m[3-6]，伶仃洋大橋總體布置如圖1所示。

圖1 橋型布置(單位：m)Fig.1 Bridge layout(unit：m)

主纜采用預(yù)制平行鋼絲索股(PPWS)，由199根通長索股組成，每根索股由127根直徑為6 mm的2 060 MPa的鋅鋁合金鍍層高強(qiáng)鋼絲按豎向尖頂?shù)慕普呅闻帕薪M成，六邊形的左、右兩個(gè)頂點(diǎn)分別設(shè)置著色絲和基準(zhǔn)絲，如圖2所示。其中主纜索夾內(nèi)直徑為1 053 mm，索夾外直徑為1 066 mm。主纜在索夾內(nèi)的空隙率為18%，索夾外的空隙率為20%，通長索股單根總重約85 t。

圖2 主纜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of main cable structure

主纜單根索股長約3 004 m，重達(dá) 85 t，架索距離長，重量大；施工區(qū)域位于寬闊海域，大風(fēng)頻繁，大雨、雷暴天氣多，溫度場及風(fēng)場復(fù)雜多變[7-9]，增大主纜架設(shè)風(fēng)險(xiǎn)和難度，橋址處位于珠江口伶仃洋開闊水域，具有典型的臺風(fēng)型氣候特點(diǎn)，受臺風(fēng)極端天氣登陸和珠江口的狹道效應(yīng)影響，該地區(qū)的基本風(fēng)速較高，百年重現(xiàn)期10 m高度10 min平均年最大風(fēng)速高達(dá)43.0 m·s-1。惡劣的氣候條件導(dǎo)致索股高精度架設(shè)難度大大提高，調(diào)索難度較大[10-14]。

1 海中懸索橋主纜架設(shè)思路

為提高海上懸索橋大風(fēng)條件的主纜索股架設(shè)效率，從基準(zhǔn)索股架設(shè)和一般索股架設(shè)兩方面出發(fā)，提出了分跨錨固的基準(zhǔn)索股標(biāo)記法架設(shè)方法、抑振裝置及機(jī)器視覺動態(tài)測量3種方法，具體思路如圖3所示。通過高精度標(biāo)記索股直接對位安裝，避免了海洋大風(fēng)環(huán)境需要連續(xù)觀測的難題，將基準(zhǔn)索股架設(shè)轉(zhuǎn)換為一般索股架設(shè)，減小基準(zhǔn)索股架設(shè)難度；同時(shí)利用基于機(jī)器視覺法的索股動態(tài)測量技術(shù)，預(yù)測一般索股和基準(zhǔn)索股的靜態(tài)高差，減少人員工作強(qiáng)度和人為誤差；最后設(shè)置橫向抑位裝置，減小索股與貓道的橫向相對位移，提高人員施工安全，也有助于提高動態(tài)測量精度，保證索股架設(shè)精度和效率。

圖3 海中懸索橋主纜架設(shè)思路Fig.3 Idea of erecting main cable of offshore suspension bridge

2 分跨錨固的基準(zhǔn)索股標(biāo)記法架設(shè)

主纜基準(zhǔn)索股的架設(shè)線形是懸索橋上部結(jié)構(gòu)安裝施工過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，需高精度控制其線形。傳統(tǒng)的基準(zhǔn)索股架設(shè)一般采用幾何三角高程測量，但在海上大風(fēng)條件下，很難有滿足基準(zhǔn)索股線形調(diào)整的條件，為提高施工效率，利用標(biāo)記索股法架設(shè)基準(zhǔn)索股，基于多基準(zhǔn)絲高精度標(biāo)記索股制造后直接現(xiàn)場進(jìn)行對位安裝，再把基準(zhǔn)索股按一般索股方法進(jìn)行架設(shè)即可。為提高標(biāo)記索股制作精度，分析索股制作精度誤差，通過標(biāo)準(zhǔn)絲直徑誤差、彈性模量誤差、溫度離散誤差控制及增加基線臺座距離等措施，將標(biāo)準(zhǔn)絲精度提高到1/50 000以上[15]。現(xiàn)場施工時(shí)，在基準(zhǔn)索股架設(shè)前，提前安裝由19絲高精度標(biāo)準(zhǔn)絲組成的標(biāo)記索股，分邊跨和中跨3段，中跨標(biāo)記索股錨固于主索鞍上，邊跨標(biāo)記索股錨固于主索鞍、散索鞍上，錨固形式如圖4所示。

圖4 標(biāo)記索股錨固示意圖Fig.4 Schematic diagram of anchoring marked cable strands

標(biāo)記索股由19根標(biāo)準(zhǔn)鋼絲制作，標(biāo)準(zhǔn)鋼絲直徑采用同主纜鋼絲6 mm，為保證索股入鞍排列整形，在索鞍處增加2根直徑6 mm填充絲(圖中陰影部分)，斷面布置如圖5所示。

圖5 標(biāo)記索股斷面圖Fig.5 Sectional view of marked cable strands

入鞍前需將該部分索股六邊形斷面整形為下層11根上層10根的雙層鋼絲斷面。在整根索股提離索股托滾時(shí)，此時(shí)握索器與錨頭之間的索股呈無應(yīng)力狀態(tài)，在此狀態(tài)下可進(jìn)行有效整形，再放入鞍座內(nèi)設(shè)定位置。

伶仃洋大橋采用基于分跨錨固的全標(biāo)準(zhǔn)絲索股標(biāo)記法架設(shè)技術(shù)完成基準(zhǔn)索股安裝，整個(gè)架索過程耗時(shí)不到一天。為驗(yàn)證該技術(shù)的可行性，分析索股架設(shè)精度是否滿足規(guī)范要求。該橋基準(zhǔn)索股架設(shè)后，在東邊跨、中跨、西邊跨跨中位置設(shè)置高程測點(diǎn)，對各測點(diǎn)高程理論值與實(shí)測值進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表1，三跨的索股長度精度均達(dá)到了1/60 000以上，垂度誤差滿足規(guī)范要求的1/20 000，基本實(shí)現(xiàn)無需測量，直接對位安裝，極大縮短了寬闊海域大風(fēng)條件下基準(zhǔn)索股調(diào)索時(shí)間。

表1 伶仃洋大橋標(biāo)記索股現(xiàn)場架設(shè)精度分析Tab.1 Accuracy analysis of on-site erection of marked cable strands of Lingdingyang Bridge

3 可適應(yīng)豎向變形的主纜橫向抑振裝置

3.1 抑振裝置設(shè)計(jì)

特大跨度懸索橋，即使在無風(fēng)自振條件下，索股的振動幅值都可能很大，有風(fēng)或者環(huán)境振動情況下，索股振動更是加劇。采用傳統(tǒng)的調(diào)索方法，索股的絕對垂度和相對垂度根本無法測量，嚴(yán)重影響橋梁施工進(jìn)度和主纜的架設(shè)精度。因此，有必要對大跨度懸索橋主纜架設(shè)時(shí)的索股振動采取一定的控制措施。

主纜架設(shè)初期，主纜整體剛度較低，索股極易在微風(fēng)作用下出現(xiàn)橫向大幅擺動影響調(diào)索，在索股架設(shè)時(shí)通過抑位裝置將已經(jīng)架設(shè)索股和貓道產(chǎn)生聯(lián)系，利用貓道的整體剛度抑制索股的橫向位移，索股在溫度荷載及索股施工荷載作用下，會產(chǎn)生較大變形，因此設(shè)計(jì)帶滑槽豎向支撐桿件以釋放豎向變形。抑振裝置共布置3道，分別位于中跨跨中和其前后相鄰的兩個(gè)橫向通道處，具體結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

圖6 抑振裝置結(jié)構(gòu)(單位：cm)Fig.6 Structure of vibration suppression device(unit：cm)

待索股架設(shè)至一定根數(shù)時(shí)，拆除抑振裝置，利用V形保持器將已架設(shè)索股連接為整體，減少已架設(shè)索股在大風(fēng)天氣下的擺動幅度。中跨單側(cè)布置8道V形保持器，邊跨各1道，V形保持器結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。

3.2 抑振裝置效果研究

通過風(fēng)洞試驗(yàn)確定貓道的靜力三分力系數(shù)，利用貓道節(jié)段靜力三分力試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析軟件，對索股架設(shè)期進(jìn)行了非線性抗風(fēng)靜力穩(wěn)定性分析。

用索單元模擬貓道承重繩、門架承重繩及索股，用梁單元模擬大小橫梁、門架等。建立有限元模型如圖8所示，貓道局部模型如圖9所示。

圖9 模型局部Fig.9 Part of model

分別計(jì)算主纜架設(shè)率從3%到100%，貓道和主纜的靜風(fēng)響應(yīng)。表2和表3分別給出了考慮和不考慮橫向限位器時(shí)，主纜和貓道分別的靜風(fēng)位移。由表2可見，不設(shè)置限位器，主纜的位移僅是貓道的一半，因此很可能會發(fā)生主纜貼在貓道上的情況，影響主纜的正常架設(shè)。設(shè)置橫向限位器后，兩者位移一致，且有顯著減小，如圖10所示。在主纜架設(shè)初期，貓道可以顯著減少主纜的靜風(fēng)位移(貓道靜風(fēng)位移也顯著減小)，而在后期主纜靜風(fēng)位移幾乎不變，貓道依靠主纜使其橫向位移顯著減小。

表2 施工風(fēng)速15 m/s下考慮抑振器的主纜及貓道位移Tab.2 Displacements of main cable and catwalk considering vibration suppressor at construction wind speed of 15 m/s

表3 施工風(fēng)速15 m/s下不考慮抑振器的主纜及貓道位移Tab.3 Displacements of main cable and catwalk without considering vibration suppressor at construction wind speed of 15 m/s

圖10 施工風(fēng)速15 m/s下貓道和主纜的橫向靜風(fēng)位移Fig.10 Transverse static wind displacements of catwalk and main cable at construction wind speed of 15 m/s

4 基于機(jī)器視覺的一般索股動態(tài)測量技術(shù)

跨海大橋面臨大風(fēng)環(huán)境，測量條件不滿足施工要求導(dǎo)致施工窗口期短，且大型卡尺攜帶不便，測量不易，需兩人配合照明、扶穩(wěn)、觀測，在索股晃動條件下難以準(zhǔn)確讀取相對高差，人員站立于索股上或簡易扶梯上進(jìn)行高處測量，安全風(fēng)險(xiǎn)大。基于機(jī)器視覺的一般索股相對垂度測量方法，通過在一般索股與基準(zhǔn)索股的跨中安裝發(fā)光標(biāo)靶，將工業(yè)相機(jī)安裝于貓道門架中間正射標(biāo)靶采集圖像，基于深度學(xué)習(xí)算法學(xué)習(xí)標(biāo)靶特征，然后進(jìn)行標(biāo)靶識別與跟蹤，通過像素距離換算空間實(shí)際距離，計(jì)算得到一般索股與基準(zhǔn)索股的高差，結(jié)合索塔偏位、索股溫度數(shù)據(jù)，預(yù)測索股靜態(tài)高差，指導(dǎo)一般索股垂度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)一般索股線形的高精度、自動、遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)測量，并形成了軟硬件系統(tǒng)與設(shè)備[16-17]。

基于機(jī)器視覺的索股高差視覺測量系統(tǒng)主要包括：(1)光靶，用于增強(qiáng)跨中索股特征；(2)相機(jī)，實(shí)時(shí)采集光靶動態(tài)圖像；(3)姿態(tài)傳感器，采集相機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行高差修正；(4)無線網(wǎng)橋，用于圖像發(fā)送與指令傳輸；(5)工作站，實(shí)時(shí)計(jì)算索股高差和發(fā)布控制指令，系統(tǒng)整體工作流程如圖11所示。

圖11 索股高差視覺測量系統(tǒng)Fig.11 Visual measurement system of strand height difference

基于機(jī)器視覺的索股線形測量是將對索股高差HS的測量轉(zhuǎn)為固定于索股上光靶的高差HT，如圖12所示。為便于現(xiàn)場觀測，所有一般索股的調(diào)整均是基于基準(zhǔn)索股進(jìn)行調(diào)整。光靶安裝于跨中一般索股與基準(zhǔn)索股上方，通過強(qiáng)力磁吸將光靶固定在索股正上方，光靶垂直向上，前后不滑動，左右不轉(zhuǎn)動，則光靶相對間距即為索股間距。將工業(yè)相機(jī)安裝于貓道跨中前(后)一個(gè)門架橫梁中間，相機(jī)正射光靶，采集光靶動態(tài)變化圖像，通過實(shí)時(shí)計(jì)算光靶間距HT，得出一般索股距離基準(zhǔn)索股高差HS[18]。

圖12 測量原理示意圖Fig.12 Schematic diagram of measuring principle

由表4可知，基于機(jī)器視覺的一般索股相對垂度測量方法，主要是提高了索股晃動情況下的測量精度，可以將一般索股的高程測量誤差控制在5 mm以內(nèi)，同時(shí)減少現(xiàn)場操作人員以降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

表4 卡尺測量與視覺測量對比結(jié)果Tab.4 Comparison between caliper measurement and visual measurement

5 結(jié)論

本研究依托深中通道伶仃洋大橋主纜索股架設(shè)施工，對海上懸索橋大風(fēng)天氣下索股架設(shè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。現(xiàn)場架設(shè)了分跨錨固的高精度標(biāo)記索股，利用標(biāo)記索股對基準(zhǔn)索股完成架設(shè)，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，標(biāo)記索股的架設(shè)精度達(dá)到了1/60 000，基準(zhǔn)索股的高程架設(shè)精度滿足規(guī)范要求1/40 000；為抑制主纜索股在大風(fēng)環(huán)境下的位移，設(shè)計(jì)了抑振裝置+V形保持器，結(jié)合有限元分析和現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了抑振裝置對主纜索股位移有顯著減小作用，最大橫向位移減少量達(dá)到了4.3 m；基于機(jī)器視覺的一般索股相對垂度測量方法，提高了索股晃動情況下的測量精度，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)表明，機(jī)器視覺法測量精度在5 mm以內(nèi)。上述主纜索股架設(shè)技術(shù)減小了大風(fēng)環(huán)境對主纜索股架設(shè)和線形調(diào)整的影響，減少了現(xiàn)場操作人員以降低施工風(fēng)險(xiǎn)，縮短架設(shè)工期，節(jié)約了人力、設(shè)備投入，可為后續(xù)類似工程的設(shè)計(jì)施工提供借鑒。