朝天門(mén)大橋鋼絞線索結(jié)構(gòu)的施工控制與監(jiān)測(cè)

曾永華 劉 浩 劉海智

重慶朝天門(mén)大橋作為世界最大跨度的公軌兩用鋼桁架拱橋,大量構(gòu)件的最不利受力狀態(tài)發(fā)生在施工過(guò)程中。為保證大橋的安全順利建成,使用了斜拉扣掛系統(tǒng)和臨時(shí)系桿。

1 工程概況

重慶朝天門(mén)大橋?yàn)槿邕B續(xù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)跨徑為190 m+552 m+190 m,具體構(gòu)造和施工方案參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。

在朝天門(mén)大橋施工前期,采用通用軟件Midas-Civil2006○R進(jìn)行了空間結(jié)構(gòu)分析(計(jì)算模型見(jiàn)圖1)。為保證大橋施工安全,在中跨大懸臂安裝過(guò)程中,設(shè)置了兩大鋼絞線索結(jié)構(gòu):

1)斜拉扣掛系統(tǒng)。2)臨時(shí)系桿。

朝天門(mén)大橋建設(shè)中的斜拉扣掛系統(tǒng)和臨時(shí)系桿相對(duì)永久結(jié)構(gòu)而言,材料選擇及加工制造的安全度較低,為關(guān)鍵臨時(shí)結(jié)構(gòu)。文章就上述兩大臨時(shí)結(jié)構(gòu)用到的索結(jié)構(gòu)的施工與控制的成功經(jīng)驗(yàn)做一介紹。

2 斜拉扣掛系統(tǒng)架設(shè)中索力控制及測(cè)試

2.1 斜拉扣掛系統(tǒng)設(shè)置

朝天門(mén)大橋的斜拉扣掛系統(tǒng)和上海盧浦大橋扣塔結(jié)構(gòu)[2]全然不同,塔底設(shè)置鉸機(jī)構(gòu),塔架主要承受軸力。斜拉扣掛系統(tǒng)由塔架、鋼鉸軸、鋼錨箱、風(fēng)纜及斜拉索組成。斜拉索:邊跨內(nèi)、外拉索每桁均采用 4×37φ 15.24鋼絞線;主跨內(nèi)、外拉索每桁均采用2×61φ 15.24鋼絞線,邊、中跨內(nèi)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(jié)點(diǎn)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(hù)套防腐,采用單根掛索,單根張拉的工藝施工,對(duì)稱張拉。斜拉扣掛系統(tǒng)中,采用無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度和基準(zhǔn)索的方法來(lái)控制鋼絞線索的張拉,一次張拉到位,在后續(xù)施工中,不再對(duì)拉索索力進(jìn)行調(diào)整。

采用圖1中的模型和試算確定拉索初張力。以施工過(guò)程中的最不利桿件的應(yīng)力為控制目標(biāo),以扣索索力為變量進(jìn)行調(diào)值計(jì)算,得到一組較優(yōu)的索力值,同時(shí)算得設(shè)計(jì)溫度下扣索索長(zhǎng)的無(wú)應(yīng)力計(jì)算長(zhǎng)度,見(jiàn)表1。

表1 江北側(cè)扣索無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度 m

施工時(shí),布設(shè)錨索計(jì)并采用索力動(dòng)測(cè)儀監(jiān)測(cè)索力變化。同束索內(nèi)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(jiān)測(cè)及結(jié)果

索力測(cè)試采用動(dòng)測(cè)儀CDJM268和錨索計(jì)兩種方式互相校核計(jì)算。采用索力動(dòng)測(cè)儀測(cè)讀單索振動(dòng)頻率,然后根據(jù)下述公式換算到拉索張力,公式推導(dǎo)及參數(shù)含義見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。圖2為102索索力動(dòng)測(cè)法采樣數(shù)據(jù)和頻譜圖。

表2 江北扣塔1號(hào)扣索張拉完成后索力對(duì)照表

當(dāng)索長(zhǎng)較大,拉索面積較小時(shí),可以不考慮抗彎剛度的影響。具體應(yīng)用動(dòng)測(cè)法時(shí),應(yīng)考慮長(zhǎng)度、垂度、溫度、阻尼器、鋼絞線彈性模量、線密度以及測(cè)試頻率的影響,對(duì)計(jì)算長(zhǎng)度予以修正才能應(yīng)用于計(jì)算[4-6]。錨索計(jì)噸位為200 kN,可直接測(cè)讀索力。

邊中跨C1扣索張拉完畢后,采用錨索計(jì)和動(dòng)測(cè)法測(cè)試索力,其對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可以看出,采用兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果,相對(duì)差值最大為7%,最小為0.8%,能夠滿足索力測(cè)試誤差10%的要求。

江北側(cè)邊中跨C2基準(zhǔn)索在張拉過(guò)程中,基準(zhǔn)索理論值和實(shí)測(cè)值的索力變化情況見(jiàn)圖3。從圖3可以看出,作為控制用的基準(zhǔn)索的理論值和實(shí)測(cè)值吻合得非常好,為朝天門(mén)大橋斜拉扣塔系統(tǒng)施工提供了良好的指導(dǎo)作用。

3 臨時(shí)系桿架設(shè)中索力控制及測(cè)試

3.1 臨時(shí)系桿設(shè)置

臨時(shí)系桿系統(tǒng)由E17節(jié)點(diǎn)鋼錨箱、錨頭、系桿索三部分組成。系桿索采用φ 15.24高強(qiáng)低松弛鋼絞線束,極限抗拉強(qiáng)度1 860 MPa,每桁設(shè) 360根鋼絞線,分 8組錨固,每組45根,設(shè)計(jì)控制拉力為45 000 kN/桁,安全系數(shù)大于2.0。

3.2 臨時(shí)系桿施工及控制

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

每個(gè)錨固點(diǎn)上層錨箱的第一根鋼絞線作為基準(zhǔn)索,上下游各設(shè)4根基準(zhǔn)索,安裝傳感器,按基準(zhǔn)索計(jì)算張拉力值同步對(duì)稱張拉到位,確保上下游兩桁索力一致,作為臨時(shí)系桿張拉控制基準(zhǔn),掛索過(guò)程中基準(zhǔn)索的索力和索長(zhǎng)不做調(diào)整。

單根鋼絞線張拉控制按照鋼絞線索力控制,同束索內(nèi)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(jīng)過(guò)分析和計(jì)算,基準(zhǔn)索的初始張拉力取為129.7 kN,臨時(shí)系桿每桁張力25 125 kN。采用錨索計(jì)監(jiān)測(cè)到的基準(zhǔn)索在張拉過(guò)程中的索力見(jiàn)圖4,由圖4可知,臨時(shí)系桿基準(zhǔn)索理論張力和實(shí)測(cè)張力吻合較好。

單根鋼絞線張拉錨固力以基準(zhǔn)索實(shí)測(cè)索力為依據(jù),用理論計(jì)算值校核。

臨時(shí)系桿施工過(guò)程中對(duì)鋼絞線索力增長(zhǎng)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(diǎn)位移、主結(jié)構(gòu)內(nèi)力及扣索索力均進(jìn)行了監(jiān)測(cè)監(jiān)控,監(jiān)控方法與扣索一致,實(shí)測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)變化均符合要求。

4 結(jié)語(yǔ)

朝天門(mén)大橋臨時(shí)結(jié)構(gòu)用到了鋼絞線索結(jié)構(gòu)及群錨體系,斜拉扣掛系統(tǒng)中單桁最多4組148根鋼絞線,單桁索力13 822 kN;臨時(shí)系桿單桁最大8組360根鋼絞線,單桁索力25 125 kN。其規(guī)模在已建拱橋中為國(guó)內(nèi)少見(jiàn),施工難度大。

在朝天門(mén)大橋臨時(shí)索結(jié)構(gòu)施工中,采用無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)法控制,采用動(dòng)測(cè)法和錨索計(jì)法監(jiān)測(cè)索力的變化。索力一次張拉到位,張拉完畢后理論索力與實(shí)測(cè)索力吻合較好。朝天門(mén)大橋臨時(shí)索結(jié)構(gòu)的成功張拉和監(jiān)測(cè)為大橋的順利建成提供了保障,為將來(lái)鋼絞線拉索的施工及控制積累了經(jīng)驗(yàn)。文章對(duì)大跨度鋼絞線索結(jié)構(gòu)的施工和控制具有借鑒意義。

注:在文章的完成過(guò)程中,筆者引用了中交二航局朝天門(mén)大橋建設(shè)者的資料,特此表示感謝!同時(shí)得到張國(guó)志、荀東亮等領(lǐng)導(dǎo)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(xué),2008:12-20.

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

[3] 秦順全.斜拉橋安裝無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法[J].橋梁建設(shè),2003(2):31-34.

[4] 王朝華,李國(guó)蔚,何祖發(fā),等.斜拉橋索力測(cè)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(cè)試的溫度修正[J].山西建筑,2007,33(3):275-277.

[6] 蔡 敏.環(huán)境因素對(duì)斜拉橋斜索自振頻率的影響[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1999(10):36-39.