張拉錨跨絲股法在懸索橋施工中的應(yīng)用

張拉錨跨絲股法在懸索橋施工中的應(yīng)用

1橋塔偏移基層施工為確保結(jié)構(gòu)的張力狀態(tài)和設(shè)計(jì)方向與設(shè)計(jì)一致，應(yīng)在安裝期間和之后要求兩位主繩之間的無(wú)高差長(zhǎng)度。根據(jù)這一要求，懸索橋的一般建造方法是根據(jù)每條樹(shù)干的張力長(zhǎng)度為固定值，橋頂兩側(cè)主電纜的水平張力相同，并以分散索龍（套）兩側(cè)主電纜的張力相同為條件，計(jì)算主電纜安裝期間每條導(dǎo)線的輪廓長(zhǎng)度和線性。應(yīng)根據(jù)計(jì)算的間隔設(shè)置每個(gè)馬鞍座，并臨時(shí)鎖定每個(gè)馬鞍座。以理論直線為目標(biāo)，調(diào)整每條導(dǎo)線的形狀和鏈的張力，并將主桿永久關(guān)閉。主桿安裝完成后，安裝了加強(qiáng)梁，并緩解了每個(gè)馬鞍座。隨著加強(qiáng)梁的安裝，每個(gè)馬鞍座逐漸返回設(shè)計(jì)永久位置（如果馬鞍座底部的摩擦較大，可由頂桿支撐，此時(shí)返回設(shè)計(jì)永久位置）。由于空電纜只能承受自己的重量，因此空電纜時(shí)計(jì)算的主電纜橫跨橋的長(zhǎng)度必須偏差，即調(diào)整安裝座的預(yù)彎曲。在安裝加強(qiáng)梁時(shí)，將鞍座頂部返回設(shè)計(jì)位置。從上述的施工要求來(lái)看,頂推鞍座的目的是調(diào)整橋塔的偏移,減小橋塔的內(nèi)力,因此可以采用另外的思路,如通過(guò)張拉調(diào)整邊跨絲股而達(dá)到調(diào)整橋塔偏移的目的.具體的施工過(guò)程是:橋塔上的主鞍座施工時(shí)直接永久固定,架設(shè)主纜時(shí)以主跨保證無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度為條件,按設(shè)計(jì)跨度計(jì)算主跨線形和內(nèi)力;以橋塔兩側(cè)主纜索力水平分力相等和邊跨與錨跨無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度等于成橋值為條件,計(jì)算散索鞍和主纜錨固點(diǎn)的位置,主纜架設(shè)時(shí)按計(jì)算的位置進(jìn)行絲股的臨時(shí)錨固;主纜架設(shè)完成后,施工加勁梁.由于主鞍座已在橋塔頂永久固定,安裝主跨加勁梁將使橋塔發(fā)生偏移,當(dāng)偏移達(dá)到一定數(shù)值時(shí),對(duì)錨跨絲股進(jìn)行張拉,由此調(diào)整錨跨與邊跨的主纜力,使橋塔回到設(shè)計(jì)的位置或向岸側(cè)偏移一定的值,以此循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)加勁梁的重量向主纜、通過(guò)主纜傳遞到錨碇的轉(zhuǎn)換.這一新方法與通常的方法不同點(diǎn)在于橋塔頂?shù)闹靼白恍枰斖?主纜絲股架設(shè)時(shí)是臨時(shí)錨固,最終的錨固位置要靠多次的張拉來(lái)確定,因此本文將懸索橋的此種架設(shè)方法稱為懸索橋施工的“張拉錨跨絲股法”.當(dāng)懸索橋橋塔剛度相對(duì)較柔時(shí),采用此種方法施工來(lái)消除索塔的偏心更具合理性:①避免了傳統(tǒng)施工方法中,為了預(yù)留平臺(tái)頂推鞍座,而要把塔帽加寬加大;②只需在錨跨位置就可完成對(duì)索塔偏心的調(diào)整,避免了在橋塔頂部頂推鞍座,把施工平臺(tái)由空間轉(zhuǎn)為地面,使施工更加方便、安全.采用柔性砼索塔結(jié)構(gòu)形式的瀾滄江大橋是國(guó)內(nèi)第一座按“張拉錨跨絲股法”架設(shè)的懸索橋.位于國(guó)道214線云南境內(nèi)祥云-臨滄公路的瀾滄江大橋,全長(zhǎng)526m,主纜由3跨組成,跨徑布置為120m+380m+120m,在設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)下,中跨理論垂度為35m,垂跨比約為1∶10.857;邊跨完全對(duì)稱,不設(shè)吊索.主纜共2根,每根主纜含52股平行鋼絲索股,每股含91絲直徑為5.20mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲.主纜索股錨固采用由索股錨固拉桿和預(yù)應(yīng)力鋼束錨固構(gòu)造組成的錨固系統(tǒng).單跨懸吊的加勁梁跨度380m,采用鋼板與砼疊合梁,即在鋼板梁上設(shè)置砼橋面板,總寬度12m,橋面有雙向1%的縱坡和雙向2%的橫坡.其梁段吊裝的總體順序?yàn)橄瓤缰?、后端部最后合?采用實(shí)心斷面框架結(jié)構(gòu)的砼橋塔,塔基礎(chǔ)為直徑5.5m的大直徑挖孔樁,采用重力式錨碇結(jié)構(gòu).橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-超20級(jí)(兩車道),掛車-120.張拉錨跨絲股法架設(shè)此懸索橋的主要施工步驟如下:施工基礎(chǔ)和橋塔→安裝塔頂施工門架及起重系統(tǒng)→安裝主鞍座和臨時(shí)散索板→導(dǎo)索過(guò)江→安裝施工貓道、牽引系統(tǒng)及導(dǎo)向滾輪→架設(shè)主纜索股→調(diào)整主纜線型及錨跨拉力→緊纜→安裝索夾→安裝散索套→安裝吊索→安裝加勁梁并分階段張拉索股→橋面系施工→成橋后備工作.張拉錨跨絲股法施工懸索橋上部結(jié)構(gòu)時(shí),要靠橋塔的偏移來(lái)將主跨增加的索力傳給邊跨,然后傳給錨碇;橋塔偏移后將在塔柱中產(chǎn)生彎矩,橋塔結(jié)構(gòu)是一壓彎共同受力結(jié)構(gòu).為防止橋塔的過(guò)大變形和過(guò)大的內(nèi)力,且為保證成橋時(shí)橋塔處在設(shè)計(jì)的直立位置,如何對(duì)錨跨絲股進(jìn)行張拉、何時(shí)張拉是施工控制的關(guān)鍵,也是保證結(jié)構(gòu)能最終達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)的關(guān)鍵.本文以瀾滄江大橋上部結(jié)構(gòu)施工為研究對(duì)象,利用橋梁結(jié)構(gòu)空間非線性分析系統(tǒng)BNLAS作為建模、計(jì)算分析的工具,來(lái)模擬分析錨跨絲股張拉的施工控制過(guò)程.2施工控制懸索橋的施工控制就是要保證施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)各構(gòu)件是安全的,結(jié)構(gòu)安裝時(shí)的位置能保證成橋時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)位置.因此懸索橋的施工控制內(nèi)容有以下幾方面:1)絲股架設(shè)階段基準(zhǔn)絲股在各種溫度下的架設(shè)線形;2)絲股架設(shè)階段各絲股的錨固力;3)空纜時(shí)各索夾的安裝位置;4)吊索的實(shí)際制作長(zhǎng)度;5)加勁梁吊裝過(guò)程控制和施工中各種力的測(cè)試和線形的測(cè)量;6)橋面板吊裝和橋面鋪裝施工時(shí)橋塔偏移及錨跨絲股應(yīng)力的控制.對(duì)于采用張拉錨跨絲股法施工的瀾滄江大橋,線形控制的內(nèi)容與通用施工方法一樣,在結(jié)構(gòu)安全控制方面,則要突出橋塔的受力控制和錨跨絲股張拉過(guò)程中邊跨主纜無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的不變性.根據(jù)設(shè)計(jì)圖提供的資料,施工過(guò)程中要確保塔頂水平位移始終不超過(guò)50mm,直到成橋后使塔頂位移恢復(fù)到零,這樣才能保證橋塔結(jié)構(gòu)的安全和主纜絲股不在塔頂主鞍座中滑動(dòng).為保證邊跨絲股的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度不變,既保證張拉過(guò)程中絲股不在散索套中滑動(dòng),張拉絲股時(shí),所有索股間的應(yīng)力差要求不超過(guò)150MPa.根據(jù)上述的施工控制條件,必須制定錨跨張拉過(guò)程的循環(huán)條件:1)塔頂位移控制的大循環(huán):當(dāng)上部結(jié)構(gòu)施工引起塔頂向中跨產(chǎn)生水平位移接近50mm時(shí),在塔頂位移限制條件下,進(jìn)行錨跨張拉,通過(guò)多次的錨固力張拉,使橋塔向邊跨方向發(fā)生水平位移,其位移控制在50mm范圍內(nèi).如果不采取錨跨張拉循環(huán),在上部結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中,將累積使橋塔產(chǎn)生大約600mm的位移,從中可以看出,如果每次大循環(huán)張拉使橋塔頂?shù)钠朴上蚩缰?0mm調(diào)整為向邊跨50mm,則采用錨跨張拉大循環(huán)次數(shù)將不會(huì)少于6次.2)錨跨絲股應(yīng)力差控制的小循環(huán):通過(guò)分析,如以絲股架設(shè)完后的錨頭位置狀態(tài)為基準(zhǔn)狀態(tài),在張拉過(guò)程中,要保證絲股間的應(yīng)力差不超過(guò)150MPa,原則上,絲股間錨頭位置差不應(yīng)大于17mm.因此,可以把塔頂向邊跨產(chǎn)生水平位移不超過(guò)50mm、錨跨絲股間的應(yīng)力差不超過(guò)150MPa作為張拉錨跨絲股過(guò)程中控制的主要內(nèi)容,對(duì)于條件①,可以根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程的分析和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)橋塔的偏移來(lái)確定應(yīng)張拉錨跨絲股的時(shí)機(jī);對(duì)于條件②,則要根據(jù)每個(gè)錨碇每次能同時(shí)張拉絲股的數(shù)量來(lái)確定張拉次數(shù)和張拉量.如果每個(gè)錨碇的所有絲股能同時(shí)張拉,這樣將不會(huì)存在應(yīng)力差問(wèn)題,一次張拉即可到位,因此不受條件②的限制;如果瀾滄江大橋每個(gè)錨碇的52根絲股分成兩批張拉,一次張拉一半絲股,經(jīng)計(jì)算絲股的總張拉量為112mm,在保證張拉絲股間應(yīng)力差不超過(guò)150MPa的前提下,在一個(gè)塔頂位移控制循環(huán)中,應(yīng)進(jìn)行7次張拉.張拉過(guò)程見(jiàn)表1.如果每個(gè)錨碇中52根絲股均分成四批,一次張拉1/4絲股,在一個(gè)塔頂位移控制循環(huán)中,就要進(jìn)行19次張拉,張拉過(guò)程見(jiàn)表2.3懸索橋散索套模擬由于本橋是采用索鞍無(wú)預(yù)偏的施工方法,即在加勁梁吊裝過(guò)程中分階段張拉邊跨索股,以消除塔頂水平位移,而非常規(guī)頂推索鞍方式.因此,如何實(shí)現(xiàn)對(duì)這種全新施工方法的模擬就顯得非常重要,另外本橋錨跨采用散索套,這在施工過(guò)程中需要對(duì)其提供一個(gè)臨時(shí)斜向支撐,如何實(shí)現(xiàn)也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn),通過(guò)對(duì)計(jì)算軟件的認(rèn)真研究與調(diào)試,成功地解決了以上兩個(gè)難題.采用“橋梁結(jié)構(gòu)空間非線性分析系統(tǒng)BNLAS”可以將懸索橋的主纜模擬成桿單元、有自重的索單元等.對(duì)于桿單元和索單元,作為一般單元處理時(shí),是被動(dòng)受力的、無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度不變化單元,如果作為斜拉索單元處理,則可以是主動(dòng)受力的單元,可以通過(guò)調(diào)整索的長(zhǎng)度改變索及整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力和結(jié)構(gòu)變形.另外在IP點(diǎn)設(shè)置一個(gè)只提供斜向力的斜支座來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)散索套的模擬.3.1斜拉索單元的離散在本文的模擬計(jì)算中,將邊跨和主跨主纜離散為帶有自重的纜索單元,各索夾點(diǎn)為離散的節(jié)點(diǎn);將每根錨跨絲股離散為一可張拉的斜拉索單元;將橋塔離散為空間梁?jiǎn)卧?將作用于吊索的荷載轉(zhuǎn)化為作用于離散節(jié)點(diǎn)的集中力,施工模擬計(jì)算的簡(jiǎn)圖如圖1所示.3.2拉規(guī)格絲股的量控制在“橋梁結(jié)構(gòu)空間非線性分析系統(tǒng)BNLAS”中,斜拉索的張拉安裝可按張拉力控制、兩點(diǎn)間無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度減少量控制、兩點(diǎn)間給定無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度和斜拉索中張力改變量等多種方式進(jìn)行,對(duì)于本文研究的內(nèi)容,采用兩點(diǎn)間無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度減小量張拉錨跨絲股更便于控制,因此對(duì)于每一張拉批次的絲股,輸入需要縮短的絲股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度(實(shí)際是絲股錨固點(diǎn)向錨碇方向移動(dòng)的量),通過(guò)計(jì)算就得到張拉每一絲股后結(jié)構(gòu)的狀態(tài)(線形與內(nèi)力).3.3上部結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中張拉控制的循環(huán)過(guò)程制定了錨跨絲股應(yīng)力差控制的小循環(huán),再結(jié)合塔頂位移控制條件,便可模擬計(jì)算出橋塔頂在整個(gè)上部施工過(guò)程中縱向位移的變化情況,下面以每次張拉每個(gè)錨碇中一半錨跨絲股為例,研究上部結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中張拉控制的循環(huán)過(guò)程:1錨跨絲股的張拉在主纜架設(shè)、索夾安裝以及貓道改掛完成后,累計(jì)使橋塔塔頂向主跨方向產(chǎn)生37.8mm的水平位移,為便于后續(xù)的施工,要進(jìn)行錨跨絲股的第1次循環(huán)張拉.因?yàn)槌跏煎^跨索股應(yīng)力較小,所以在張拉絲股時(shí)可以適當(dāng)增加其張拉量.按照模擬計(jì)算,每批錨跨絲股的張拉量為92mm,每批絲股張拉1次即可.2錨跨絲股張拉在纜載吊機(jī)移至跨中、從跨中吊裝15號(hào)梁段完成后,累計(jì)使橋塔塔頂向主跨方向產(chǎn)生44.4mm的水平位移,要進(jìn)行錨跨絲股第2次循環(huán)張拉.這時(shí)錨跨絲股中的應(yīng)力仍然比較小,絲股應(yīng)力差不控制張拉過(guò)程,因此按兩批對(duì)絲股進(jìn)行張拉,張拉量為95mm,每批絲股張拉1次.3錨跨絲股張拉在沿跨中向邊跨方向吊裝了14、13、12號(hào)梁段后,累計(jì)使橋塔塔頂向主跨方向產(chǎn)生48.4mm的水平位移,于是要進(jìn)行錨跨絲股第3次循環(huán)張拉.由于此時(shí)錨跨絲股應(yīng)力已經(jīng)較大,所以在張拉絲股時(shí)應(yīng)按照“絲股間錨頭位置差不應(yīng)大于17mm”的原則進(jìn)行張拉.張拉值和塔頂位移分別見(jiàn)表3、圖2.4錨跨絲股張拉在沿跨中向邊跨方向吊裝11-1號(hào)梁段及鋪裝15號(hào)梁段橋面板完成后,累計(jì)使橋塔塔頂向主跨方向產(chǎn)生48.8mm的水平位移,于是要進(jìn)行錨跨絲股第4次循環(huán)張拉.其張拉過(guò)程和第3次循環(huán)張拉類似.5錨跨絲股初始張拉在完成14-10號(hào)梁段橋面板的安裝后,累計(jì)使橋塔塔頂向主跨方向產(chǎn)生43.2mm的水平位移,于是要進(jìn)行錨跨絲股第5次循環(huán)張拉,張拉值和塔頂位移也基本同前.6張拉過(guò)程中絲股應(yīng)力的變化在完成9-0號(hào)梁段橋面板后,累計(jì)使橋塔塔頂向主跨方向產(chǎn)生33.5mm的水平位移,于是要進(jìn)行錨跨絲股第6次循環(huán)張拉.第6次循環(huán)張拉完成后,全部錨跨絲股循環(huán)張拉即告完畢,接下來(lái)進(jìn)行橋面鋪裝,然后撤除臨時(shí)支點(diǎn),使結(jié)構(gòu)達(dá)到成橋狀態(tài),此時(shí)橋塔兩側(cè)主纜索力水平分力基本相等.表4反映在整個(gè)張拉過(guò)程中,結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)的變化情況.在其張拉的過(guò)程中,兩批絲股的應(yīng)力也隨張拉的改變而發(fā)生改變,變化情況見(jiàn)圖3.從圖中可見(jiàn),隨著張拉過(guò)程的推進(jìn),絲股中的應(yīng)力逐漸提高;在開(kāi)始張拉階段,絲股有完全放松的現(xiàn)象,后面的大循環(huán)張拉中,應(yīng)力大于150MPa后,控制了應(yīng)力差,絲股就不會(huì)出現(xiàn)完全放松的現(xiàn)象.在張拉錨跨絲股的同時(shí),邊跨絲股的內(nèi)力也將隨之改變,圖4是邊跨絲股某一點(diǎn)在其張拉過(guò)程中的內(nèi)力變化情況.從圖中可見(jiàn),在內(nèi)力達(dá)到一定程度后,絲股的張拉量與力的增加基本上是線性增加的.當(dāng)然,在實(shí)際施工過(guò)程中,由于施工現(xiàn)場(chǎng)條件及一些偶然因素會(huì)造成張拉批次以及每批張拉根數(shù)不能按常規(guī)介紹的進(jìn)行確定,此時(shí),就要根據(jù)制定的塔頂位移控制的大循環(huán)和錨跨絲股應(yīng)力差控制的小循環(huán),在滿足絲股總張拉量不變的前提下,重新確定張拉批次和每批張拉根數(shù),并通過(guò)軟件對(duì)其施工過(guò)程進(jìn)行模擬、計(jì)算.在計(jì)算過(guò)程中,一旦發(fā)現(xiàn)應(yīng)力差超限,應(yīng)立即停止本輪張拉,增加張拉次數(shù),以減少單輪張拉量,確保橋梁結(jié)構(gòu)始終處于設(shè)計(jì)要求的安全度內(nèi).在此橋?qū)嶋H施工過(guò)程中,考慮施工進(jìn)程、邊界條件、臨時(shí)荷載、環(huán)境溫度、砼的收縮與徐變等因素,同時(shí)考慮到施工成本和工期,最終采用了208個(gè)千斤頂每次張拉一半索股的張拉施工方案,共進(jìn)行了7輪錨跨絲股循環(huán)張拉,絲股總張拉量為52.2cm,監(jiān)測(cè)到的成橋后橋塔偏移誤差量為上游3mm,下游0.5mm.按前面的模擬計(jì)算,錨跨絲股理論的張拉總量為52.1cm,成橋時(shí)橋塔偏移量為2.2mm,因此理論計(jì)算與實(shí)際施工控制結(jié)果非常一致.4錨碇張拉密度的確定張拉錨跨絲股法架設(shè)懸索橋的上部結(jié)構(gòu),是一種全新的懸索橋施工方法,適于索塔結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較柔,塔