河閃渡烏江大橋主纜架設施工監控研究*

魏明明， 陳偉釗， 潘權

(長沙理工大學， 湖南 長沙 410114)

主纜系統施工質量直接影響整個橋跨結構的成橋狀態。其中基準索股的精準計算及準確架設最為關鍵，常根據給定的成橋狀態，利用有限元軟件進行倒拆，計算空纜狀態下主纜的中心線形和無應力索長，再根據基準索股與主纜中心的位置關系，計算得到各跨控制點基準索股的理論高程與樁號。由于主纜鋼絲存在熱膨脹效應，特別是主纜鋼絲長度受溫度變化影響較大，基準索股架設調整時的溫度場又很難與設計溫度一致，施工時橋塔結構受貓道等施工臨時荷載和溫度影響產生塔偏，會造成跨度與設計狀態不一致。因此，主纜施工必須結合工程實際進行調整。該文結合河閃渡烏江大橋主纜施工，根據實測溫度和跨度調整基準索股的現場數據，并與有限元數據進行對比，驗證該方法的可行性。

1 工程簡介

河閃渡烏江大橋為單跨地錨式鋼桁懸索橋(見圖1)，主纜跨度為249 m+680 m+238 m，全長1 167 m，主桁高6.8 m，設計基準溫度為15 ℃。成橋狀態下中跨及北邊跨(湄潭側)單根主纜由61根索股組成，南邊跨(石阡側)靠近主索鞍處主纜傾斜角度為30.452°，傾角較大，增加4根背索。因地形原因，南側、北側索塔塔柱長度不一致，南側索塔塔樁長度為96、86.3 m，北側索塔塔柱長度為143、153 m。

圖1 烏江大橋示意圖(單位：m)

2 主纜索股施工控制

2.1 計算方法

不同工況下懸索橋索股在索鞍固定點之間的無應力長度保持不變，等于設計溫度和跨度條件下無應力長度。根據該思路建立計算公式，編制簡易計算程序，現場施工時根據實測溫度和跨度實時調整基準索股的坐標數據。

計算時，利用懸索橋索股計算程序，采用懸鏈線解析法對溫度和跨度變化進行計算，得到控制點縱向樁號和高程數據。在計算跨度變化影響系數時，保持溫度為15 ℃不變，各跨跨度在一定范圍內變化；在計算溫度變化影響系數時，保持空纜下各跨跨度不變，結合主纜索股架設施工現場實測溫度場，溫度變化范圍取7～16 ℃。按照該思路分別進行計算，對計算結果進行曲線繪制并擬合，得到跨度與溫度變化曲線在上述區間內基本為線性變化。

2.1.1 基準索股架設時的計算公式

該橋各跨跨中索股中心實際架設的縱坐標和高程計入跨度、溫度的影響，實際數據通過建立包含跨度和溫度變化系數的線性方程進行計算：

X=X0-α1(t-15)+σ1DL

(1)

Z=Z0-α2(t-15)+σ2DL

(2)

式中：X0、Z0分別為標準跨度與溫度的縱坐標與高程值；αi為溫度變化影響系數；σi為跨度變化影響系數；DL為包含索鞍預偏和橋塔偏位的跨度變化量。

2.1.2 調索公式

該橋單根索股橫截面積為0.002 697 m2，線荷載為0.207 6 kN/m,彈性模量為208.4 GPa。北邊跨索鞍預偏1.480 m，右邊跨索鞍預偏1.561 m，索弦長及垂度見表1。

表1 基準索股各跨弦長和垂度

利用基于懸鏈線的簡化調索公式可得到各跨待調索長與垂度變化的關系式，測出垂度差后，索長需調整量為：

(3)

計算得北邊跨、中跨、南邊跨索長調整比例分別為Δs=Δf/7.214 4、Δs=Δf/2.285 2、Δs=Δf/8.097 5。經計算分析，在索股理論標高±0.5 m范圍內，上述索股調整比例具有較高精度，可用于現場索股的快速調整。

由于該橋兩岸索塔塔身長度及邊跨索股傾斜角度相差較大，在溫度及外荷載影響下中跨跨中控制點樁號會發生變動。在中跨跨中控制點樁號-0.5～0.5 m范圍內，樁號變化對高程的影響非常小，可忽略不計，而實際溫度及跨度變化對跨中控制點樁號變化的影響只有±5 cm，只需在跨中控制點±5 cm范圍內準確確定高程即可。

2.2 主纜現場架設影響系數分析

2.2.1 跨度變化影響分析

圖2、圖3分別為跨度變化時湄潭側(北)邊跨跨中基準索股中心的縱向坐標、中跨跨中基準索股中心的高程。經計算，各項調整量為：湄潭邊跨跨中縱坐標1.976 5 mm/mm，湄潭邊跨跨中高程3.863 7 mm/mm，中跨跨中高程2.208 6 mm/mm，即湄潭側邊跨索股調整1 mm，對湄潭邊跨跨中縱坐標的影響為1.976 5 mm，對湄潭邊跨跨中高程的影響為3.863 7 mm，對中跨跨中高程的影響為2.208 6 mm(見表2)。石阡側(南)跨度變化的調整類似。

圖2 跨度變化時湄潭邊跨跨中基準索股中心的縱向坐標

圖3 跨度變化時跨中基準索股中心的標高

表2 跨度變化的影響分析 mm

2.2.2 溫度變化影響分析

圖4、圖5為溫度變化時湄潭側跨中基準索股中心的縱向坐標、中跨跨中基準索股中心的高程。溫度每升高1 ℃，對湄潭邊跨跨中縱坐標的影響為12.19 mm，對湄潭側邊跨跨中高程的影響為28.24 mm，對中跨跨中高程的影響為19.4 mm(見表3)。石阡側(南)溫度變化的調整類似。

圖4 溫度變化時湄潭跨中基準索股中心的縱向坐標

圖5 溫度變化時跨中基準索股中心的標高

表3 溫度變化的影響分析 mm

將上文計算的影響系數帶入式(1)、式(2)，得到該橋基準索股架設時的計算公式(見表4)。

表4 基準索股跨度和溫度修正計算公式

2.3 常規索股架設控制

常規索股采用相對高差架設法架設。為方便測量，相對高差的參照索股不一定是基準索股，可選擇已架設好的其他索股作為參照。參考索股的選擇應方便測量，同時不應被上層絲股壓住，且不受V形保持器等裝置或臨時措施干擾。一般索股相對于參考索股的控制高差如下：

(4)

(5)

式中:ΔSi,0為實測參考索股中心與基準索股中心的高差。

架設索股的高差調整量(見圖6)計算公式為:

圖6 一般索股的調整定位

(6)

為控制常規索股架設精度，常規索股相對高差的測試斷面偏離理論跨中位置一般不超過0.5 m，相對于基準索股的相對高差的誤差控制在+5 mm以內；待調索股所在跨順向溫差應小于2 ℃，與參考索股之間的平均溫差應小于1 ℃，待調索股所在層與其下層索股之間的平均溫差應小于0.5 ℃。常規索股與基準索股及下層索的相對高差控制見表5。

表5 常規索股與基準索股及下層索的相對高差

由于索股線形受溫度影響較大，常規索股連續監測及線形調整一般在夜間溫度穩定的時間進行。索股調整順序為先中跨、再邊跨、最后錨跨，中跨及邊跨索股線形調整就位后，將索股在索鞍內固定，最后調整錨跨張拉力至目標值。

2.4 索股線形和溫度場監測

索股線形監測應在夜間氣溫穩定、風力較小、大氣條件允許的情況下進行，并對監測時的大氣折光系數進行修正，單次監測應在短時間內對塔頂偏位、IP點高程、索股測點的樁號和高程進行監測。烏江大橋索股線形監測采用2臺全站儀按三角高程測量法進行(見圖7)，測量基準點A1、A2分別布置于南北塔側，反光棱鏡置于待測點Bi上，測點高程通過計算得到。

圖7 索股監測示意圖

索股溫度場數據采用溫度自動采集模塊收集，精度為0.1 ℃。該橋橫跨烏江南北兩岸，各測點海拔高度差異較大，溫度有較明顯的差異，在每跨同時布置多個測點(見圖7)，每個測點布置多個溫度傳感器，各測點同時采集，取平均溫度作為溫度場溫度。由于索股直徑較小，待夜間氣溫穩定數小時后其內部溫度基本等于大氣溫度時，在各測點采集索股表面溫度即可。

3 索股架設監控結果

3.1 基準索股監控結果

基準索股架設完成后，于3月11—13日對架設效果進行連續觀測，其中11日的觀測結果見表6。

由表6可知：中跨左右幅標高偏差為6 mm，與理論預測值的最大偏差為14 mm，滿足規范和設計要求。12、13日的監測結果也表明索股線形穩定，偏差滿足規范和設計要求。

表6 基準索股的監測結果

3.2 常規索股監控結果

常規索股架設完成后于5月4—6日夜間對主纜各跨線形進行連續復測，其中5月5日的復測結果見表7。

由表7可知：中跨最大偏差為8 mm，1/4跨最大偏差為14 mm，各跨偏差均在規范允許范圍內，滿足施工精度要求，監控取得了良好效果。

表7 主纜線形監測結果

4 結語

根據懸鏈線方程推導出烏江大橋索股在跨度和溫度變化時的修正公式，經MIDAS/Civil有限元軟件復核，該公式準確可靠，可指導現場調索，并可節省現場調索時間。基準索股和一般索股線形實測結果表明該文提出的調索方法具有一定的精度和可靠性，可供中小跨度地錨式懸索橋主纜施工參考。