懸索橋的施工監(jiān)控技術與關鍵問題
2018-03-26
1前言
懸索橋的特點
懸索橋又稱為吊橋，是指以受拉主纜為主要承重構件的橋梁結構。主纜的鋼絲強度高且可以根據(jù)需要增加鋼絲數(shù)，所以懸索橋的跨越能力特別大。同其他體系的橋梁相比，跨度越大，懸索橋的優(yōu)勢越明顯。
在材料用量和截面設計方面，由于大跨度懸索橋的加勁梁（加勁梁在懸索橋中要占相當大的比例）不是主承重構件，其截面并不需要隨著跨度增大而增加，節(jié)省材料；在構件設計方面，懸索橋的主纜、錨碇和橋塔三個主要承重構件在擴充其面積或承載能力方面所遇到的困難則較?。涣硗?，由于懸索橋跨越能力大，常可以因地制宜地選擇一跨跨過江河或海峽主航道的布置方案，這樣就可以避免深水橋墩的修建，滿足通航要求。
懸索橋也有一些不足：由于懸索是柔性結構，剛度較小，當活載作用時，懸索會改變幾何形狀，引起橋跨結構產(chǎn)生較大的撓曲變形；在風載荷、車輛沖擊載荷等動載荷作用下容易產(chǎn)生振動。目前橋梁抗風穩(wěn)定性研究已經(jīng)有了一定的成果，但對于其動力響應方面的研究則應繼續(xù)加強。
懸索橋結構計算理論
在懸索橋結構計算理論的發(fā)展史上，其結構理論經(jīng)過了彈性理論、撓度理論、有限位移理論的演變。
彈性理論
它是一種將懸索橋看作成主纜與加勁梁結合體的最早期的計算理論，是建立于超靜定結構分析基礎上的一種方法。它認為纜索承受自重及全部橋面荷載，其幾何形狀為二次拋物線，并且這一線形保持不變，因而，其特點是恒載與活載的作用沒有本質的區(qū)別。
當懸索橋的跨度不大時，采用彈性理論分析是適宜的。更精確的分析雖可證明：按彈性理論算出的彎矩值偏大，但改用精確分析方法所能得到的經(jīng)濟效益并不顯著。
撓度理論
此理論的特點是，當懸索橋因活載產(chǎn)生豎向變形時，在基本計算式中開始引入這樣一個事實，即原有恒載已產(chǎn)生的主纜軸力由于變形的關系將產(chǎn)生新的抗力。這個理論最早用于美國曼哈頓橋。這個理論的應用隨即改變了懸索橋的跨度，使其一下就進入1000m以上的跨度。
按撓度理論計算需要經(jīng)過多次試算才能得到正確的結果，且疊加原理不適用，計算繁瑣。后來一些學者又相繼提出了一些實用的簡化解法。其實多花些功夫，節(jié)約不少，而且隨著跨度的加大，按撓度理論計算的優(yōu)越性就更加顯著了。
有限位移理論
隨著現(xiàn)代懸索橋跨度的增大，其加勁梁剛度相對減小，當高跨比小于1/30時，采用線性撓度理論引起的誤差變得不容忽略。除計算誤差外，撓度理論普遍也不便于計算機運算，對于斜吊桿懸索橋的分析也顯不足。隨著電子計算機技術的發(fā)展及其在結構分析中的應用，以有限位移理論為基礎的矩陣分析法相繼建立。有限位移理論對撓度理論的深化表現(xiàn)為考慮了幾何非線性因素，包括荷載作用下的結構大位移、纜索自重垂度以及恒載初始內力。
總結
從懸索橋基本方程的求解角度，用對剛度矩陣的修正內容來表示懸索橋三種基本計算理論的實質，可歸納如下:
彈性理論: K=Ke Ke為彈性剛度矩陣。
撓度理論: K=Ke+Kg(Ng) Kg為幾何剛度矩陣，Ng為恒載軸力向量。
有限位移理論: K=Ke+Kg(Ng)+Kd(δ) Kd為大位移剛度矩陣，δ為節(jié)點位移向量。
施工監(jiān)控技術概述
懸索橋的施工，基本程序是：先修錨碇和塔，次架主纜，再掛吊索，后架設加勁梁及鋪設橋面系。也有例外，自錨式懸索橋因其結構特點多采用“先梁后纜”的施工方法。本文僅針對“先纜后梁”進行分析。
在施工過程中，結構上的荷載不斷變化著，主纜的線形、塔的內力也隨之變化，為使懸索橋建成后主纜達到設計線形，結構受力符合設計要求，就需要在整個施工過程中進行嚴格控制。橋梁的施工監(jiān)控與橋梁的設計和施工有密切的聯(lián)系，考慮到懸索橋與其他橋型相比施工過程中的結構幾何形狀較難控制，且容易出現(xiàn)不穩(wěn)定和應力過大的安全風險，施工監(jiān)控更是整個橋梁施工的核心。
懸索橋施工監(jiān)控，就是對結構關鍵部位內外設置各種監(jiān)測點，然后根據(jù)現(xiàn)場獲取的參數(shù)和數(shù)據(jù)(如圖1)，對結構進行實時理論分析和結構驗算；對每一施工階段，根據(jù)分析及反分析結果修正計算參數(shù)并進行跟蹤計算以給出其下一步施工的預測，分析施工誤差狀態(tài)，采用應力及變形預警體系對施工狀態(tài)進行安全度評價和災害預警。
圖1 懸索橋施工監(jiān)控數(shù)據(jù)
懸索橋施工控制應包括四個主要方面：
a)形成一個精確的理想狀態(tài)；
b)配備一套完善的實時跟蹤分析系統(tǒng)；
c)設立一套精確的量測系統(tǒng)；
d)建立誤差分析與反饋控制系統(tǒng)。
懸索橋在施工過程中一旦主纜安裝就位，主纜內力、撓度完全取決于結構體系、結構自重、施工荷載和溫度變化，不能像斜拉橋那樣進行后期索力和標高調整，因此主纜無應力下料長度、主纜在自重作用下的初始安裝位置(索鞍初始預偏量、主纜初始垂度和線形)成為懸索橋施工控制技術的關鍵。
主纜的安裝過程作為施工控制的第一階段，其主要任務是保證主纜在自重作用下的初始安裝位置達到設計理想狀態(tài)。而主纜的安裝過程是:先進行基準索股的安裝，再以基準索股作為參照來進行其余索股的安裝，因此，基準索股的安裝是施工控制的第一階段里的關鍵任務。在基準索股第一次安裝后，連續(xù)觀測其線形變化，對觀測數(shù)據(jù)采用灰色理論、卡爾曼濾波法等理論預測其發(fā)展變化，預測出以后時段基準索股的線形，把它與設計理論狀態(tài)進行比較后，對其線形進行適當調整。這一過程反復進行多次，直到基準索股的線形達到設計理想狀態(tài)，基準索股架設好后，才進行其余索股架設安裝；主纜成形后，就可進行加勁梁的安裝。
加勁梁安裝階段作為施工控制的第二階段，在這一階段，隨時觀測主纜線形、橋面標高和塔頂位移、計算并預測下一時段的主纜線形、橋面標高、塔頂水平位移及主索鞍頂推階段和頂推量，以確保施工安全和成橋時橋面標高、主纜垂度、索鞍位置、各構件內力大小最大限度地符合設計理想狀態(tài)。
主纜施工監(jiān)控技術
概述
主纜作為懸索橋的主要承重構件，對其的施工監(jiān)控是懸索橋施工控制工作的核心和關鍵所在。
目前大跨徑懸索橋的計算理論大多采用基于有限位移理論的有限元法和基于懸索力學的解析迭代法。有限元法的優(yōu)點是能把所有組成部分考慮在內，而且可以進行空間分析，其缺點是局部細節(jié)不易處理，而解析法長于處理索鞍處主纜長度的修正等細節(jié)，計算精度也較高，因而很適合選用解析法進行主纜施工控制計算。
基準索股的標高控制也是主纜架設階段的一個重點。目前通常認為在主纜架設過程中基準索股的標高與空纜標高一致，實際上索股架設過程中由于主纜與索塔之間的相互作用使得基準索股標高與空纜標高之間有很大差異。因此對基準索股標高與空纜標高之間差異也應進行分析研究。
主纜無應力長度
解析法求解主纜參數(shù)采用下述三條基本假設:1)主纜理想柔性的，既不能受壓也不能受彎。2）材料符合虎克定律。3）主纜的截面面積及容重保持不變。
懸索橋主纜受力圖可簡化為承受沿弧長均布的荷載加吊索集中荷載的柔性索。對于基準索股狀態(tài)，則簡化為只受沿弧長均布的自重作用的柔性索。
圖2a 索段受力圖圖2b 多個集中荷載作用下得索段受力圖
圖2a所示為一段只受自重荷載的索段。取出其中一個微段進行研究，建立平衡微分方程，由索段的邊界條件求得索段線形，繼而求得索段弧長，而索段的彈性伸長量，則索段的無應力長度。
對于如圖2b所示的受自重及若干集中荷載作用下的索，可將索分為n段。分別對整體以及在集中力處建立平衡方程，然后采用迭代計算，當滿足精度要求的索力水平分量H及豎向支撐力V求得后，即可用積分法計算各索段的無應力索長及各吊點處的標高。
在計算過程中須考慮主、散索鞍半徑對主纜長度的影響并對主纜長度進行修正。修正方法是找出主纜在主、散索鞍上的切點位置，按切點位置進行上述迭代計算，算出切點之間各索段的無應力索長，再計算出主纜繞主、散索鞍的圓弧段的無應力索長。求切點位置采用迭代逼近方法，初始位置取索鞍上圓弧端點，然后以此切點作為各跨主纜的端點進行上述迭代計算，可算得主纜端點處的斜率，按此斜率重新算得新的切點位置，如此循環(huán)，直至前后切點坐標之差小于給定誤差限。
吊索位置和長度計算
1、索夾安裝位置
空纜狀態(tài)索夾安裝位置計算包括兩方面內容：其一是吊點在空纜線形下的坐標計算；其二是吊點到索夾兩端距離的計算。
空纜狀態(tài)吊點坐標的計算是根據(jù)任意兩吊點之間空纜時的無應力長度與成橋時的無應力長度相等的原則進行的。
吊點到索夾兩端的距離計算要根據(jù)索夾的位置和索夾的型號來進行，同時根據(jù)測量放樣的需要，尚需提供與吊點水平坐標相同的天頂線上的點到索夾兩端的距離。
索夾位置的放樣在溫度穩(wěn)定的夜間進行，因為在夜間主纜的順橋向、橫橋向及上下游溫差較小，主纜不發(fā)生扭轉，所以主纜天頂線放樣容易掌握。
2、吊索長度
懸索橋主纜架設完成后，加勁梁橋面線型的形成主要由吊索長度控制，所以懸索橋吊索長度的準確計算十分重要。吊索長度的計算主要分為三部分:
①首先根據(jù)設計線形求出在主纜吊點處的主纜中心至加勁梁內錨面的距離；
②然后根據(jù)主纜外徑、主纜索夾壁厚、吊索夾具將吊索收攏的距離、吊索夾具距主纜中心距離等進行主纜索夾處的吊索長度修正，進而得到吊索真實的有應力長度；
?。ǖ跛鏖L度計算中，除了上述修正外，還應考慮鋼絲繩實際彈模與理論彈模的誤差、主纜實際直徑與計算直徑的誤差、空纜實際線形與設計線形的誤差、溫度影響、鋼絲繩變形相對應力情況的滯后效應、鋼絲繩卷盤對下料長度的影響、錨頭頂壓伸出量對長度的影響等等諸多因素。對于這些因素的影響，可進行進一步精細計算和深入分析，還可通過墊片調整、制索下料時采取特殊措施、工藝試驗等等方法予以調整和修正。）
③最后扣除恒載內力下各分段的彈性伸長量即得出吊索的無應力長度。
基準索股
1、基準索股的線形
主纜索股在架設階段為自由懸掛狀態(tài)，其線形為懸鏈線，跨中垂度f一旦確定，索股線形就確定下來，跨中垂度f可由跨中標高確定。在這一階段，中跨和邊跨選取跨中標高作為控制參數(shù)，通過對跨中標高的調整來調整跨中垂度，達到調整索股線形的目的。錨跨實際上也為懸鏈線，但其跨中標高難以測量，而錨跨跨中垂度與錨固端拉力有著固定的力學關系，因而選取錨跨的張力作為控制參數(shù)。
目前，一般認為基準索股標高與空纜標高之間無差異，因此，先計算空纜標高，然后根據(jù)基準索股在主纜斷面的位置直接算出基準索股的標高。確定空纜標高常采用兩種方法:
一、利用絲股在索鞍內不滑動即索鞍兩端主纜張力相等的己知條件；
二、利用索鞍不滑動即索鞍兩端主纜張力的水平分力相等的己知條件。
第一種方法調索容易，但隨著索股的架設，索股沿水平方向的不平衡力增加，索塔偏位逐漸增加，使得架設跨度變化較大，降低了施工精度；第二種方法可保證溫度不變的條件下跨度變化很小，雖然索鞍兩端主纜張力不相等，但索股入槽后可通過強大的摩擦力來限制滑動。因此大多采用第二種方法確定空纜標高。
基準索股線形測量和調整的實際施工監(jiān)控過程中，為了使已整形入鞍的索股達到設計線形，需要在夜間氣溫穩(wěn)定、風速較小的時候對其進行跨中標高觀測和調整。氣溫穩(wěn)定的基本條件為:索股徑向溫差<1℃，索股軸向溫差<2℃。將各測點的溫度匯總，在滿足氣溫穩(wěn)定的條件下，根據(jù)監(jiān)控在不同溫度下的控制值，調整基準索股的跨中標高。
各跨控制參數(shù)的調整實質均是調整索長，由于索股中、邊跨及錨跨是連通的，則邊跨跨中標高受到中跨調整的影響，錨跨又受到邊跨調整的影響，因此調整應按先中跨、再邊跨、最后錨跨的順序進行。在索股架設和調整過程中，散索鞍被臨時固定，因而中、邊跨的調整不受錨跨影響，可以先將中、邊跨調整到位，最后調整錨跨。
2、索塔偏移對基準索股線形的影響
由于索鞍在塔頂有偏岸側相對較大的預偏量，從架設基準索股到主纜完成的過程中，在溫度不變的條件下，索塔受越來越大的偏心豎向力作用而向岸側發(fā)生偏移；而基準索股架設完后，各跨之間無應力長度就恒定不變，隨著索塔向岸側越來越大的偏移，基準索股中跨標高越來越高，邊跨則相反。因此本文認為，在索股架設過程中，基準索股標高是變化的，與主纜架設完成后的空纜顯然存在差異。認為基準索股線形與空纜線形完全一致的傳統(tǒng)觀點是不完全成立的。
由于基準索股的架設精度要求非常高，最好在基準索股架設調整過程中保證跨度不變，因此應按索鞍兩端基準索股張力的水平分力相等的條件計算基準索股標高和相應的預偏量，然后根據(jù)主纜架設過程中索塔產(chǎn)生的偏移量計算空纜標高和相應的預偏量。而且，預偏量在基準索股架設前設置，對應的是基準索股狀態(tài)下的預偏量，不應采用空纜狀態(tài)下的預偏量。
3、一般索股標高的確定及控制
基準索股標高確定后，一般索股的標高根據(jù)其在主纜斷面中的位置確定，理想目標是各束索股若即若離，相互沒有擠壓。通常按索股間間隙為lmm-3mm來確定一般索股標高。
一般索股的架設采用標志法。索股在工廠預制時，要求利用工廠的精密測量設備測量出鞍座中心對應點，并要求在鋼絲上作好標志，因此白天架設時可將標志對準各鞍座中心進行架設。這樣可保證夜間調整時調整量較小。
梁施工監(jiān)控技術
概述
現(xiàn)代懸索橋的主梁一般采用鋼箱梁，在施工時一般采用節(jié)段吊裝、最后整體焊接的方法。加勁梁架設順序按照推進方法分主要有兩種：一是從跨中節(jié)段開始向兩側岸邊的橋塔方向推進，最后在靠近兩端的某一位置合攏，二是從兩側岸邊主塔附近的節(jié)段開始向跨中推進。第二種施工方法容易造成合龍時鋼箱梁標高出現(xiàn)錯位，給合攏造成困難，故目前大跨徑懸索橋主梁吊裝多采用第一種方案。
在加勁梁吊裝階段，主纜所受的荷載變化較快，主纜標高不斷變化，這個階段主要關注兩個問題：一是主纜及加勁梁的線形，二是索塔應力及主索鞍的多次頂推。隨著鋼箱梁吊裝的不斷進行，索塔向中跨的偏位也越來越大，導致索塔的受力處于不利狀態(tài)，使受拉側(邊跨側)的拉應力有可能超出結構的允許值。因此，必須在主索鞍安裝時設置一定的向邊跨的預偏量，在鋼箱梁的吊裝過程中，不斷的向中跨頂推索鞍，保證索塔的受力處于良好的狀態(tài)。所以索鞍的頂推時機、頂推量的選擇成為本施工階段最關鍵的監(jiān)控內容。
值得一提的是，目前國內外在懸索橋的施工方法及設計上較多采用的是通過設置主索鞍的預偏量來平衡施工中的中邊跨主纜水平力，保證索塔受力安全，現(xiàn)在也出現(xiàn)索鞍無預偏施工方法:從索鞍安裝時就將主索鞍與塔柱中心固定不動，施工中通過張拉錨跨索股進行結構受力調整。
主纜及加勁梁線形
1、主纜線形
主纜的控制點一般選取為兩邊跨跨中、中跨L/4、L/2、3L/4五個點作為標高控制點，其中又以中跨跨中點最敏感、最為重要。鋼箱梁吊裝前須計算出各個吊裝階段控制點的理論標高，實際施工過程中，對各個施工階段的實測值與理論值進行比較，找出偏差的原因，并及時提出調整方案。
2、鋼箱梁標高及平整度
鋼箱梁的標高主要受主纜標高及吊索長度的影響，可以通過對主纜標高嚴密監(jiān)控及吊索長度的嚴格控制來保證鋼箱梁的標高，這樣不但容易控制鋼箱梁的標高，而且調整的工作量也減少許多。
鋼箱梁的平整度也是鋼箱梁標高控制的重要內容，由于在理論計算中，鋼箱梁上下游高差一般是嚴格一致的(除非有較大的偏心荷載)。因此這部分監(jiān)控內容的重點便在于實際測量上。若實測上下游高差過大，可用跨纜吊機及時調整。因為吊裝過程中影響鋼箱梁平整度的因素較多，在吊裝施工階段鋼箱梁的平整度并不穩(wěn)定，因此一般在鋼箱梁全部吊裝完成后才對平整度進行調整；調整量確定時應注意鋼箱梁各階段間的相互影響及絕對標高的偏差方向，如絕對標高偏低，則平整度調整時應將上、下游中較低的一側向高處調整，調整量為上、下游高差的一半。
3、鋼箱梁開口角
為了保證已吊裝好的梁段的穩(wěn)定，吊裝完的鋼箱梁之間必須進行臨時連接(鉸接)。一般只在箱梁的上緣進行臨時連接，同時預留焊縫寬度，因而梁段間存在開口角和開口距，它將隨著吊裝過程的進行而不斷變化，當開口角接近于零，此時可在下緣進行臨時連接，最后正式進入焊接施工。
有時為加快橋梁的施工進度，可以在吊裝進行到一定階段后就開始焊接。但這種情況下，為了減小臨時連接及焊縫的附加內力，選擇合適的連接及焊接時機就顯得極為重要。
索鞍頂推
懸索橋預偏量的設置一般可采用以下兩種方法，
一、主纜架設前，在索塔的頂部固定鋼絲繩，而后在邊跨側用牽引設備給索塔施加拉力，使得索塔向邊跨側產(chǎn)生一個預偏量，調整拉力的大小，即可得到計算規(guī)定的預偏量。主纜架設完成后，即可松開鋼絲繩。在以后的施工過程中，該預偏量會逐漸減小，到成橋后，預偏量完全消除，索塔處于鉛垂位置。
二、主纜架設前，索塔處于豎直狀態(tài)，安裝主索鞍的鞍座時使其向邊跨側有一偏量，即主索鞍的鞍座中心和索塔的中心不在同一位置，主索鞍的鞍座和索塔只做臨時連接。隨著中跨荷載的不斷增加，索塔承受的水平力的差值加大，產(chǎn)生變形，使索塔和索鞍一起不斷向中跨移動，位移達到一定的值后，即可頂推主索鞍，使主索鞍和索塔發(fā)生相對位移。若頂推量合適，則索塔可以重新處于豎直狀態(tài)，主索鞍的預偏量的減小值即頂推量。
兩種設置方法在實際應用中各有利弊。方法一原理簡單，實現(xiàn)方便，但缺點是只適用于預偏量較小的情況下，故一般情況下只適用于較小跨徑的懸索橋。方法二可以設置較大的預偏量，但其施工工藝較復雜，一般情況下適用于大跨徑的懸索橋。
大跨徑懸索橋的預偏量一般較大，可達到1米甚至更多。主索鞍的鞍座向邊跨側偏移以設置預偏量，在以后的施工過程中逐步頂推主索鞍。因此在吊裝工作開始前，須對各個吊裝階段進行計算以控制主索鞍頂推量和頂推時機。主索鞍分階段頂推的控制原則為:
1、首先根據(jù)索塔設計承載能力及其施工過程中對索塔塔身控制截面應力的設計要求，推算出塔頂在縱橋向容許最大水平位移(即最大容許偏心距)。
2、按照施工順序劃分階段，假定主索鞍在塔頂處于自由滑移狀態(tài)，在計入預定施工臨時荷載的情況下，確定主索鞍在施工各個階段的滑移歷程曲線。
3、以塔頂容許最大水平位移的0.7倍為控制值，依據(jù)主索鞍滑移歷程曲線確定主索鞍的頂推階段和頂推量。主索鞍預偏量在成橋之前，不應全部頂推完成，應留有一定的預偏量待成橋后再頂推完成，以利調整成橋狀態(tài)索塔的受力。
4、施工過程中跟蹤檢測索塔塔身控制截面的應力和塔頂縱橋向的水平變位，并與給定控制值進行比較，確定出修正調整量。
合理確定主索鞍頂推階段和頂推量是關系到結構安全和能否實現(xiàn)最終監(jiān)控目標的重要保障。有學者研究在頂推中實行“小步快跑”原則，即適當增加頂推次數(shù)，減小每次頂推的頂推量，將有效減小每次的千斤頂頂推力，增加索塔的裕度，對結構的受力和安全有很大好處。但由于塔頂主索鞍在結構和受力上的復雜性，致使索鞍頂推施工十分復雜煩瑣。因此如何有效解決施工上的問題，使小步快跑原則有效實施，需要進一步深入研究。
結論
主纜和梁的吊裝是施工監(jiān)控中的關鍵問題。主纜施工控制計算中，主纜無應力長度、吊索位置以及長度、基準索股的確定是重要的步驟，這里面主要涉及計算方法和考慮諸多影響因素的精細計算。加勁梁吊裝過程中，主纜線形的控制，索鞍頂推的時機、頂推量的選擇是最關鍵的監(jiān)控內容。
施工中溫度效應是不容忽視的一點，它影響著施工監(jiān)控中參數(shù)的計算，大量現(xiàn)場監(jiān)測結果的積累將有助于學者對溫度場的理解和把握。
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