張拉錨跨絲股法在懸索橋施工中的應用

張拉錨跨絲股法在懸索橋施工中的應用

1橋塔偏移基層施工為確保結構的張力狀態(tài)和設計方向與設計一致，應在安裝期間和之后要求兩位主繩之間的無高差長度。根據(jù)這一要求，懸索橋的一般建造方法是根據(jù)每條樹干的張力長度為固定值，橋頂兩側主電纜的水平張力相同，并以分散索龍（套）兩側主電纜的張力相同為條件，計算主電纜安裝期間每條導線的輪廓長度和線性。應根據(jù)計算的間隔設置每個馬鞍座，并臨時鎖定每個馬鞍座。以理論直線為目標，調整每條導線的形狀和鏈的張力，并將主桿永久關閉。主桿安裝完成后，安裝了加強梁，并緩解了每個馬鞍座。隨著加強梁的安裝，每個馬鞍座逐漸返回設計永久位置（如果馬鞍座底部的摩擦較大，可由頂桿支撐，此時返回設計永久位置）。由于空電纜只能承受自己的重量，因此空電纜時計算的主電纜橫跨橋的長度必須偏差，即調整安裝座的預彎曲。在安裝加強梁時，將鞍座頂部返回設計位置。從上述的施工要求來看,頂推鞍座的目的是調整橋塔的偏移,減小橋塔的內力,因此可以采用另外的思路,如通過張拉調整邊跨絲股而達到調整橋塔偏移的目的.具體的施工過程是:橋塔上的主鞍座施工時直接永久固定,架設主纜時以主跨保證無應力長度為條件,按設計跨度計算主跨線形和內力;以橋塔兩側主纜索力水平分力相等和邊跨與錨跨無應力長度等于成橋值為條件,計算散索鞍和主纜錨固點的位置,主纜架設時按計算的位置進行絲股的臨時錨固;主纜架設完成后,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,當偏移達到一定數(shù)值時,對錨跨絲股進行張拉,由此調整錨跨與邊跨的主纜力,使橋塔回到設計的位置或向岸側偏移一定的值,以此循環(huán)來實現(xiàn)加勁梁的重量向主纜、通過主纜傳遞到錨碇的轉換.這一新方法與通常的方法不同點在于橋塔頂?shù)闹靼白恍枰斖?主纜絲股架設時是臨時錨固,最終的錨固位置要靠多次的張拉來確定,因此本文將懸索橋的此種架設方法稱為懸索橋施工的“張拉錨跨絲股法”.當懸索橋橋塔剛度相對較柔時,采用此種方法施工來消除索塔的偏心更具合理性:①避免了傳統(tǒng)施工方法中,為了預留平臺頂推鞍座,而要把塔帽加寬加大;②只需在錨跨位置就可完成對索塔偏心的調整,避免了在橋塔頂部頂推鞍座,把施工平臺由空間轉為地面,使施工更加方便、安全.采用柔性砼索塔結構形式的瀾滄江大橋是國內第一座按“張拉錨跨絲股法”架設的懸索橋.位于國道214線云南境內祥云-臨滄公路的瀾滄江大橋,全長526m,主纜由3跨組成,跨徑布置為120m+380m+120m,在設計成橋狀態(tài)下,中跨理論垂度為35m,垂跨比約為1∶10.857;邊跨完全對稱,不設吊索.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的鍍鋅高強鋼絲.主纜索股錨固采用由索股錨固拉桿和預應力鋼束錨固構造組成的錨固系統(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為先跨中、后端部最后合龍.采用實心斷面框架結構的砼橋塔,塔基礎為直徑5.5m的大直徑挖孔樁,采用重力式錨碇結構.橋梁設計荷載等級為汽車-超20級(兩車道),掛車-120.張拉錨跨絲股法架設此懸索橋的主要施工步驟如下:施工基礎和橋塔→安裝塔頂施工門架及起重系統(tǒng)→安裝主鞍座和臨時散索板→導索過江→安裝施工貓道、牽引系統(tǒng)及導向滾輪→架設主纜索股→調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構時,要靠橋塔的偏移來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生彎矩,橋塔結構是一壓彎共同受力結構.為防止橋塔的過大變形和過大的內力,且為保證成橋時橋塔處在設計的直立位置,如何對錨跨絲股進行張拉、何時張拉是施工控制的關鍵,也是保證結構能最終達到設計狀態(tài)的關鍵.本文以瀾滄江大橋上部結構施工為研究對象,利用橋梁結構空間非線性分析系統(tǒng)BNLAS作為建模、計算分析的工具,來模擬分析錨跨絲股張拉的施工控制過程.2施工控制懸索橋的施工控制就是要保證施工過程中結構各構件是安全的,結構安裝時的位置能保證成橋時達到設計位置.因此懸索橋的施工控制內容有以下幾方面:1)絲股架設階段基準絲股在各種溫度下的架設線形;2)絲股架設階段各絲股的錨固力;3)空纜時各索夾的安裝位置;4)吊索的實際制作長度;5)加勁梁吊裝過程控制和施工中各種力的測試和線形的測量;6)橋面板吊裝和橋面鋪裝施工時橋塔偏移及錨跨絲股應力的控制.對于采用張拉錨跨絲股法施工的瀾滄江大橋,線形控制的內容與通用施工方法一樣,在結構安全控制方面,則要突出橋塔的受力控制和錨跨絲股張拉過程中邊跨主纜無應力長度的不變性.根據(jù)設計圖提供的資料,施工過程中要確保塔頂水平位移始終不超過50mm,直到成橋后使塔頂位移恢復到零,這樣才能保證橋塔結構的安全和主纜絲股不在塔頂主鞍座中滑動.為保證邊跨絲股的無應力長度不變,既保證張拉過程中絲股不在散索套中滑動,張拉絲股時,所有索股間的應力差要求不超過150MPa.根據(jù)上述的施工控制條件,必須制定錨跨張拉過程的循環(huán)條件:1)塔頂位移控制的大循環(huán):當上部結構施工引起塔頂向中跨產生水平位移接近50mm時,在塔頂位移限制條件下,進行錨跨張拉,通過多次的錨固力張拉,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.如果不采取錨跨張拉循環(huán),在上部結構施工過程中,將累積使橋塔產生大約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調整為向邊跨50mm,則采用錨跨張拉大循環(huán)次數(shù)將不會少于6次.2)錨跨絲股應力差控制的小循環(huán):通過分析,如以絲股架設完后的錨頭位置狀態(tài)為基準狀態(tài),在張拉過程中,要保證絲股間的應力差不超過150MPa,原則上,絲股間錨頭位置差不應大于17mm.因此,可以把塔頂向邊跨產生水平位移不超過50mm、錨跨絲股間的應力差不超過150MPa作為張拉錨跨絲股過程中控制的主要內容,對于條件①,可以根據(jù)對結構安裝過程的分析和現(xiàn)場對橋塔的偏移來確定應張拉錨跨絲股的時機;對于條件②,則要根據(jù)每個錨碇每次能同時張拉絲股的數(shù)量來確定張拉次數(shù)和張拉量.如果每個錨碇的所有絲股能同時張拉,這樣將不會存在應力差問題,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錨碇的52根絲股分成兩批張拉,一次張拉一半絲股,經(jīng)計算絲股的總張拉量為112mm,在保證張拉絲股間應力差不超過150MPa的前提下,在一個塔頂位移控制循環(huán)中,應進行7次張拉.張拉過程見表1.如果每個錨碇中52根絲股均分成四批,一次張拉1/4絲股,在一個塔頂位移控制循環(huán)中,就要進行19次張拉,張拉過程見表2.3懸索橋散索套模擬由于本橋是采用索鞍無預偏的施工方法,即在加勁梁吊裝過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,如何實現(xiàn)對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,這在施工過程中需要對其提供一個臨時斜向支撐,如何實現(xiàn)也是一個技術難點,通過對計算軟件的認真研究與調試,成功地解決了以上兩個難題.采用“橋梁結構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.對于桿單元和索單元,作為一般單元處理時,是被動受力的、無應力長度不變化單元,如果作為斜拉索單元處理,則可以是主動受力的單元,可以通過調整索的長度改變索及整個結構的受力和結構變形.另外在IP點設置一個只提供斜向力的斜支座來實現(xiàn)對散索套的模擬.3.1斜拉索單元的離散在本文的模擬計算中,將邊跨和主跨主纜離散為帶有自重的纜索單元,各索夾點為離散的節(jié)點;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單元;將作用于吊索的荷載轉化為作用于離散節(jié)點的集中力,施工模擬計算的簡圖如圖1所示.3.2拉規(guī)格絲股的量控制在“橋梁結構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、兩點間無應力長度減少量控制、兩點間給定無應力長度和斜拉索中張力改變量等多種方式進行,對于本文研究的內容,采用兩點間無應力長度減小量張拉錨跨絲股更便于控制,因此對于每一張拉批次的絲股,輸入需要縮短的絲股無應力長度(實際是絲股錨固點向錨碇方向移動的量),通過計算就得到張拉每一絲股后結構的狀態(tài)(線形與內力).3.3上部結構施工過程中張拉控制的循環(huán)過程制定了錨跨絲股應力差控制的小循環(huán),再結合塔頂位移控制條件,便可模擬計算出橋塔頂在整個上部施工過程中縱向位移的變化情況,下面以每次張拉每個錨碇中一半錨跨絲股為例,研究上部結構施工過程中張拉控制的循環(huán)過程:1錨跨絲股的張拉在主纜架設、索夾安裝以及貓道改掛完成后,累計使橋塔塔頂向主跨方向產生37.8mm的水平位移,為便于后續(xù)的施工,要進行錨跨絲股的第1次循環(huán)張拉.因為初始錨跨索股應力較小,所以在張拉絲股時可以適當增加其張拉量.按照模擬計算,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移至跨中、從跨中吊裝15號梁段完成后,累計使橋塔塔頂向主跨方向產生44.4mm的水平位移,要進行錨跨絲股第2次循環(huán)張拉.這時錨跨絲股中的應力仍然比較小,絲股應力差不控制張拉過程,因此按兩批對絲股進行張拉,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號梁段后,累計使橋塔塔頂向主跨方向產生48.4mm的水平位移,于是要進行錨跨絲股第3次循環(huán)張拉.由于此時錨跨絲股應力已經(jīng)較大,所以在張拉絲股時應按照“絲股間錨頭位置差不應大于17mm”的原則進行張拉.張拉值和塔頂位移分別見表3、圖2.4錨跨絲股張拉在沿跨中向邊跨方向吊裝11-1號梁段及鋪裝15號梁段橋面板完成后,累計使橋塔塔頂向主跨方向產生48.8mm的水平位移,于是要進行錨跨絲股第4次循環(huán)張拉.其張拉過程和第3次循環(huán)張拉類似.5錨跨絲股初始張拉在完成14-10號梁段橋面板的安裝后,累計使橋塔塔頂向主跨方向產生43.2mm的水平位移,于是要進行錨跨絲股第5次循環(huán)張拉,張拉值和塔頂位移也基本同前.6張拉過程中絲股應力的變化在完成9-0號梁段橋面板后,累計使橋塔塔頂向主跨方向產生33.5mm的水平位移,于是要進行錨跨絲股第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,接下來進行橋面鋪裝,然后撤除臨時支點,使結構達到成橋狀態(tài),此時橋塔兩側主纜索力水平分力基本相等.表4反映在整個張拉過程中,結構各項參數(shù)的變化情況.在其張拉的過程中,兩批絲股的應力也隨張拉的改變而發(fā)生改變,變化情況見圖3.從圖中可見,隨著張拉過程的推進,絲股中的應力逐漸提高;在開始張拉階段,絲股有完全放松的現(xiàn)象,后面的大循環(huán)張拉中,應力大于150MPa后,控制了應力差,絲股就不會出現(xiàn)完全放松的現(xiàn)象.在張拉錨跨絲股的同時,邊跨絲股的內力也將隨之改變,圖4是邊跨絲股某一點在其張拉過程中的內力變化情況.從圖中可見,在內力達到一定程度后,絲股的張拉量與力的增加基本上是線性增加的.當然,在實際施工過程中,由于施工現(xiàn)場條件及一些偶然因素會造成張拉批次以及每批張拉根數(shù)不能按常規(guī)介紹的進行確定,此時,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),并通過軟件對其施工過程進行模擬、計算.在計算過程中,一旦發(fā)現(xiàn)應力差超限,應立即停止本輪張拉,增加張拉次數(shù),以減少單輪張拉量,確保橋梁結構始終處于設計要求的安全度內.在此橋實際施工過程中,考慮施工進程、邊界條件、臨時荷載、環(huán)境溫度、砼的收縮與徐變等因素,同時考慮到施工成本和工期,最終采用了208個千斤頂每次張拉一半索股的張拉施工方案,共進行了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.按前面的模擬計算,錨跨絲股理論的張拉總量為52.1cm,成橋時橋塔偏移量為2.2mm,因此理論計算與實際施工控制結果非常一致.4錨碇張拉密度的確定張拉錨跨絲股法架設懸索橋的上部結構,是一種全新的懸索橋施工方法,適于索塔結構剛度相對較柔,塔