節(jié)段預(yù)制混凝土斜拉橋索導(dǎo)管角度定位方法

林李龍

（中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 廣州廣東 511470）

1 引言

節(jié)段預(yù)制橋梁具有施工速度快、質(zhì)量易控制、環(huán)境干擾小等優(yōu)點，在橋梁工程建設(shè)中得到越來越多的推廣應(yīng)用［1］。在預(yù)制時將箱梁分成若干節(jié)段，依次在預(yù)制平臺上澆筑。已預(yù)制好的梁段前移，作為下一梁段的匹配梁，待澆梁段預(yù)制完成后，匹配梁移至存梁區(qū)存放。待存放一定時間后將梁段運至橋梁現(xiàn)場進(jìn)行節(jié)段拼裝，直至全橋合龍。

節(jié)段預(yù)制施工方法在早期主要應(yīng)用于混凝土梁式橋，逐步推廣到混凝土斜拉橋上。與梁式橋相比，斜拉橋上斜拉索成為了重要受力構(gòu)件，在梁段預(yù)制時需將斜拉索索導(dǎo)管預(yù)埋到梁段內(nèi)。索導(dǎo)管安裝角度準(zhǔn)確定位，成為斜拉橋施工控制中的重要問題［2－4］?，F(xiàn)有索導(dǎo)管安裝定位方法主要是針對懸臂澆筑的混凝土斜拉橋［5－7］，不能將其直接應(yīng)用于節(jié)段預(yù)制斜拉橋上。這是由于節(jié)段預(yù)制斜拉橋一般需建立預(yù)制場地的局部坐標(biāo)系，在該局部坐標(biāo)系下進(jìn)行梁段定位和預(yù)制。由于局部坐標(biāo)系與橋梁現(xiàn)場整體坐標(biāo)系不同，如何準(zhǔn)確計算索導(dǎo)管在預(yù)制局部坐標(biāo)系下的角度，是需要解決的重點問題。

本文首先分析節(jié)段預(yù)制時影響索導(dǎo)管角度的因素，再推導(dǎo)各因素對應(yīng)的角度修正公式，提出索導(dǎo)管安裝角度的計算方法，并結(jié)合工程實例，對索導(dǎo)管安裝角度修正結(jié)果進(jìn)行探討。

2 斜拉索導(dǎo)管角度修正分析

施工過程中，隨著混凝土澆筑，斜拉索張拉及臨時荷載變化，主梁位置會發(fā)生變化，索導(dǎo)管的位置和角度也會發(fā)生變化。因此，在索導(dǎo)管安裝時，不能直接使用成橋狀態(tài)下索導(dǎo)管的傾角來定位，需根據(jù)預(yù)拱度及施工產(chǎn)生的角度變化，對索導(dǎo)管角度進(jìn)行修正，才能確保達(dá)到設(shè)計成橋目標(biāo)。影響索導(dǎo)管角度的因素主要有主梁施工預(yù)拱度、索塔偏位、斜拉索垂度效應(yīng)和梁軸向角度。

為了實現(xiàn)成橋線形，在梁段預(yù)制過程中需設(shè)置施工預(yù)拱度，這會要求索導(dǎo)管角度也相應(yīng)改變。施工預(yù)拱度主要考慮結(jié)構(gòu)自重、橋面鋪裝、預(yù)應(yīng)力荷載、吊機荷載、拉索張拉和徐變等引起的變形。預(yù)拱度的設(shè)置會引起梁段轉(zhuǎn)角變化，如圖1所示。由于索導(dǎo)管與梁段固結(jié)成整體，主梁轉(zhuǎn)角變化量可認(rèn)為與梁段轉(zhuǎn)角變化量相同，從而確定預(yù)拱度引起的索導(dǎo)管角度變化αpr：

圖1 索導(dǎo)管立面

式中：le為梁段的長度；vn和vn－1分別為根據(jù)切線位移法得到的第n點和第n－1點豎向預(yù)拱度值。在計算預(yù)拱度時需考慮結(jié)構(gòu)自重、橋面鋪裝重量、預(yù)應(yīng)力張拉、斜拉索張拉、橋面吊機重量及收縮徐變等引起的變形和車輛活載引起的變形。為了準(zhǔn)確計算這些變形，建立橋梁有限元模型，對每個施工階段進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。根據(jù)模擬分析結(jié)果，提取結(jié)構(gòu)變形值。

在索力作用下，索塔發(fā)生變形，塔上拉索錨固點將發(fā)生豎向和縱向位移。為此梁上索導(dǎo)管角度也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，才能保證索塔和主梁的錨固點對中。由于索塔豎向位移值遠(yuǎn)小于索長lc，當(dāng)塔上拉索錨固點發(fā)生豎向位移vt時，梁上索導(dǎo)管角度近似修正量αtv為：

當(dāng)塔上錨固點發(fā)生縱向位移ut時，梁上索導(dǎo)管角度近似修正量αtu為：

式中：位移vt和ut均為按照橋梁有限元計算分析結(jié)果提取出的拉索錨固點位移值。

斜拉索由于自身重力作用，會產(chǎn)生一定下垂，其垂度大小也與索力有關(guān)。在索導(dǎo)管安裝時，需考慮垂度效應(yīng)引起的導(dǎo)管傾角變化αs，如圖2所示。當(dāng)索長小于300 m時，可假定拉索形狀為拋物線形狀［8－9］，計算傾角變化 αs：

圖2 斜拉索受力

式中：γ為拉索容重；σ為拉索張拉應(yīng)力。

當(dāng)拉索長度較長時，在自重和張拉力作用下，拉索形狀更接近于懸鏈線，應(yīng)采用更為精確的懸鏈線理論求解 αs。其懸鏈線方程可表示為［10－12］：

式中：H為拉索拉力的水平分力；k1為參數(shù)，其表達(dá)式為：

Tennant河地區(qū)主要為管狀(筒狀)。礦床總體在深部的蝕變作用為鈉質(zhì)蝕變組合，在中淺部為鉀質(zhì)蝕變組合，而在淺部則為絹云母化和硅化；以磁鐵礦為主的礦化以鈉質(zhì)蝕變?yōu)橹?，以赤鐵礦為主的礦化以鉀質(zhì)蝕變?yōu)橹?。該區(qū)有經(jīng)濟(jì)價值的金-銅-鉍礦化大多數(shù)與單個富磁鐵礦或其相當(dāng)?shù)难趸V相伴，呈現(xiàn)高的航磁異常，礦體地表露頭以褐鐵礦為主，深部以磁鐵礦為主，高品位的金通常位于鐵礦體底部，呈細(xì)脈-浸染狀產(chǎn)出。鐵礦的形狀從近于圓形到筒狀，長軸通常沿著EW向的裂隙，產(chǎn)出于元古代變質(zhì)細(xì)粒沉積層系中，部分含有浸染磁鐵礦。

式中：h為拉索高度；l為拉索水平長度。

由式（5）可知：在拉索張拉力T確定的情況下，拉索懸鏈線索形和水平分力相互耦合；懸鏈線上每個點的斜率由水平分力所決定，而水平分力與張拉力又存在 H ＝Tcos（θ0－ αs）的關(guān)系，其中 θ0為索導(dǎo)管在成橋狀態(tài)下的理論初始傾角。因此可利用水平分力與拉索斜率之間的關(guān)系建立迭代關(guān)系式，對水平分力H和拉索傾角修正值αs進(jìn)行迭代求解。具體求解過程可參考文獻(xiàn)［12］。

綜合上述角度修正結(jié)果，可得索導(dǎo)管安裝角度θd計算公式：

在梁段節(jié)段預(yù)制過程中，預(yù)制場地的坐標(biāo)系往往是局部坐標(biāo)系，其水平軸為沿梁段的軸線方向。所以在索導(dǎo)管埋設(shè)時安裝角度以局部坐標(biāo)系的角度給出，在局部坐標(biāo)系下安裝角度即為拉索切線與梁軸線的夾角θl：

式中：β為預(yù)制線形中梁段軸線與整體坐標(biāo)系水平軸的夾角。

3 實例分析

廣汕客專增江特大橋于DK65＋150～DK65＋450在增城市石灘鎮(zhèn)跨越增江，主橋采用雙塔雙索面混凝土斜拉橋，孔跨布置為（48＋84＋260＋84＋48）m，含梁縫主橋全長526.3 m，如圖3所示。主橋位于雙向6‰的縱坡上，變坡點位于主跨跨中處，豎曲線半徑為25 000 m，平面位于直線上。主梁采用節(jié)段預(yù)制膠拼法施工，混凝土梁預(yù)制節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長4 m，全橋共132個預(yù)制節(jié)段和1個合龍現(xiàn)澆梁段。

圖3 增江特大橋模型

混凝土主梁采用單箱三室等高混凝土箱梁，受力形式為雙邊箱主梁，箱梁全寬14.4 m，中心處梁高4.0 m，斜拉索橫向間距10.9 m，梁上錨固于雙邊箱內(nèi)。主梁預(yù)應(yīng)力布置采用節(jié)段拼裝施工臨時張拉縱向預(yù)應(yīng)力、節(jié)段拼裝施工過程用縱向預(yù)應(yīng)力、體內(nèi)縱橫向局部預(yù)應(yīng)力的混合布索體系。梁段預(yù)制后，主梁邊跨采用支架拼裝，邊跨拼裝完成后，中跨安裝橋面吊機，進(jìn)行梁段的懸臂拼裝，同時安裝并張拉斜拉索，逐段施工直至合龍。

根據(jù)設(shè)計提供的圖紙，建立該橋的MIDAS模型，分別計算主梁與橋塔在施工過程中位移值和成橋狀態(tài)下活載位移值，再利用式（1）～式（6）計算主梁位移、橋塔位移和垂度效應(yīng)產(chǎn)生的拉索導(dǎo)管梁端角度修正值，最后利用式（8）得到梁段預(yù)制時斜拉索的安裝角度。

主橋斜拉索采用抗拉標(biāo)準(zhǔn)強度1 960 MPa的平行鋼絲拉索，空間雙索面體系，扇形布置，全橋共60對斜拉索。索梁錨固于邊箱內(nèi)，斜拉索于索塔內(nèi)張拉。本文給出30對斜拉索的計算結(jié)果，如表1所示。其中M1～M15為在中跨布置的斜拉索，拉索M1為最靠近橋塔的拉索，其長度最短；而拉索M15為梁端錨點在跨中梁段上的拉索，索長最長；拉索M1～M15從橋塔到跨中依次布置，縱向布置間距為8 m。S1～S15為在邊跨布置的斜拉索，拉索S1為最靠近橋塔的拉索；而拉索S15為梁端錨點在過渡墩附近梁段上的拉索；拉索S1～S15從橋塔到過渡墩依次布置，縱向布置間距為8 m。

表1 索導(dǎo)管角度修正量 （°）

從表1可以看出：在對拉索角度的修正值中，對于中跨布置的拉索M1～M15，拉索垂度效應(yīng)產(chǎn)生的修正值最大，梁段預(yù)拱度和軸向角度產(chǎn)生的修正值次之，橋塔變形和固定支架變形產(chǎn)生的修正值最??；同時拉索長度越長，垂度效應(yīng)的影響越大，索錨點所在梁段的預(yù)拱度會越大，索導(dǎo)管安裝角度修正值也越大。對于邊跨布置的拉索S1～S15，拉索垂度效應(yīng)同樣最為明顯，但梁段預(yù)拱度產(chǎn)生的修正值較小，這是由于邊跨梁段在支架上施工，對應(yīng)的預(yù)拱度值較??；而梁軸向角度產(chǎn)生的修正值較大，這是由于邊跨梁段處于直線段上，其角度幾乎與線路豎向角度一致。因此，為了得到索導(dǎo)管安裝角度的準(zhǔn)確值，需計入上述不同因素對索導(dǎo)管安裝角度的影響。

4 結(jié)論

（1）索導(dǎo)管安裝角度修正是斜拉索施工的重要內(nèi)容，應(yīng)考慮影響安裝角度的主要因素，包括拉索垂度效應(yīng)、梁段預(yù)拱度、梁段軸向角度、橋塔變形及導(dǎo)管支架變形的影響。

（2）在這些影響因素中，拉索垂度效應(yīng)產(chǎn)生的修正值最大，梁段預(yù)拱度和軸向角度產(chǎn)生的修正值次之，橋塔變形和支架變形的對應(yīng)值最小。

（3）對于中跨索，拉索越長，垂度效應(yīng)影響越大，梁段預(yù)拱度影響增加，索導(dǎo)管安裝角度修正值也越大。

（4）對于邊跨索，由于邊跨梁段支撐較多，梁段預(yù)拱度產(chǎn)生的索導(dǎo)管角度修正值較小，但梁段軸向角度產(chǎn)生的修正值較大。