大跨径悬索桥一般索股架设过程精细化控制分析研究.pdf

大跨径悬索桥的索股架设是上部结构中施工中的关键步骤，索股架设的精确与否直接关系到成桥状态能否满足设计状态，文章就索股架设过程中常见的上层索股压下层索股的原因进行探讨，并建立了主缆架设紧缆过程的计算模型和模拟算法，从索股的架设间距出发，分析不同的索股架设间距对紧缆后的主缆的线形和内力情况带来的影响并总结其变化规律，对实际工程的施工提供指导。【关键词】主缆架设；索股间距；紧缆；精度控制【中图分类号】U448.250引言大跨径悬索桥的索股架设不仅需要精确的理论计算，同时也需要考虑外界环境对其带来的影响。外部环境的改变也会造成索股架设精度的下降。索股的架设分为基准索股架设和一般索股架设，一般索股的架设和基准索的股架设大致相同，不同在于最后阶段的垂度调整，基准索股以绝对垂度为标准进行调整，而一般索股则按照“若即若离”的原则以与基准索股的相对高差为标准进行调整。相对高差的调整：一般索股根据与基准索股的相对高差来进行的调节,以基准索股为参照使用大型游标卡尺进行调节，同时要注意调节时的温度影响。如图1所示。【文献标志码】A的误差，从而影响到最终形成的空缆线形。如图2 所示，各层索股间由于上层索股压下层索股，使索股与索股紧密接触,对线形的调整造成了一定的困难。因此探索上层索股压下层索股的原因并在施工时避免其出现显得尤为重要。待调索股（调整前）已架索胶待调索股C型卡尺L（调整后）参考索殿图1一般索股调整示意1上层索股压下层索股的问题分析在实际的索股架设施工中，索股与索股之间会采用“若即若离”的方式来控制。即索股与索股之间存在些许的接触，但互相之间又不存在作用力，各层索股均呈自然悬垂的状态。但在实际的施工的调索过程中，总是会出现上层索股压下层索股的现象，由于索股的相互接触产生了较大的摩擦力导致索股线形调整困难，对索股的标高测量也会带来较大110图2 上层索股压下层索股示意按照“若即若离”的原则进行索股施工时，在没有外界影响的情况下，索股的垂度均达到理论值，则不会出现上层索水准管参考索股待调索般（调整前）待调索股（调整后）已架索股股压下层索股的现象。上层索股压下层索股出现的原因则是上层索股与下层索股的垂度发生了变化，导致上层索股的垂度增大和下层索股垂度的减小。影响索股跨中垂度的外界因素主要有塔顶偏位和温度变化。若出现塔顶偏位，已知索股的垂度变化与塔顶偏位呈线形关系，且上下层索股的塔顶偏位应相同，即上下层索股的跨中垂度变化相同，不会出现上层索股压下层索股的现象。通过分析，可排除塔顶偏位会引起上层索股压下层索股。从温度变化角度分析，由于白天日照的存在，使外部索股的温度升高，导致了内外索股出现温差；夜晚时环境温度降低，使外部索股的温度先降低，也会导致内外索股出现温差，温差引起各索股的跨中垂度变化不同，导致上层索股压定稿日期 2 0 2 2 -0 3 -11作者简介张后登（198 8 一），男，本科，工程师，从事公路、桥梁施工工作。张后登，张波，赵永飞，等：大跨径悬索桥一般索股架设过程精细化控制分析研究下层索股。因此造成上层索股压下层索股的主要因素是个索股间的温差。各类悬索桥的索股线形均受温度影响，且跨度越大、矢跨比越大的悬索桥索股线形更易受温度影响，因此在这类悬索桥上更容易出现上层索股压下层索股现象。具体到分析上层索股压下层索股时，不仅要对基准索股进行分析也要对一般索股进行分析，一般索股的线形计算方法与基准索股的线形计算方法相同。不同的是在鞍座处的计算半径。如图3所示，不同索股由于所处的索股层数不同导致了索股的计算半径的变化。以由19 根索股排列而成的主缆为例,1号索股为第1层索股;2、3号索股为第2 层索股;4号、5号、6 号索股为第3层索股；7 号、8 号索股为第4层索股；9 号、10 号、11号索股为第5层索股；12 号、13号索股为第6 层索股；14号、15号、16 号索股为第7 层索股；17号、18 号索股为第8 层索股；19号索股为第9层索股。每层索股间的索股的计算半径变化量为索股高度的1/2。16第一层索股图3索股半径及排列示意dRn-1+dR.=R+n2式中：R，为第n层索股在鞍座处的计算半径;R为鞍座的半径。通过上述分析，对鞍座处的计算半径进行修正。下面以实际工程为例进行分析，计算不同层数的索股受到温度的影响。该实际工程的索股布置分布如图4所示。主缆由16 9根索股构成，分为2 9 层，索股高度为6 0 mm,鞍座的半径为7.56m。不同层的跨中垂度变化量与温度的变化量之比如图5所示，由图5可得出，虽然温度变化引起的跨中垂度变化不是严格意义上的线性关系，但各个温度下跨中垂度变化与温度变化的比值变化较小,可认为其为近似线性。因此为方便分析,此处以2 0 范围内的跨中垂度变化与温度变化之比的近似值进行分析,来比较不同层数索股受到的温度变化的影响,从而分析鞍座计算半径变化对温度效应带来的影响。图4实际工程索股分布2紧缆过程分析与模拟计算基准索股和一般索股等所有索股在完成架设和调整后，0.610.40.20.0-20-0.2-0.4-0.6J图5温度变化对各算例跨中垂度影响就要对所有索股进行紧缆从而最终形成主缆。主缆紧缆利用紧缆机将离散的各索股向中心挤压，使其紧实变圆达到设计时的尺寸和空隙率，然后用高强度钢带进行绑扎的过程。对于所有完成了架设且调整完毕的索股而言，无论是基准索股还是一般索股，由于在主索鞍处对索股进行了固定，其无应力长度在紧缆的过程中一直为定值，因此在紧缆的过程中所有索股的质量保持不变。紧缆后所有的索股线形会进行重新的调整，并最终保持垂度一致。本节同样以包含19根索股的主缆紧缆为例，对主缆紧缆的过程进行分析，来说第二层索股明紧缆过程对索股的影响。为了能够更好的突出问题和更加方便的突出问题的本质，作出下列假定：(1)忽略单根索股在横截面上的径向尺寸，仅考虑其沿纵向分布。(2)对主缆不考虑其横向排列,索股只考虑其在竖平面内的分布。(1)2桥梁中心线方向127丝索股8591丝索股-15根据以上假定，19根索股构成的主缆，其索股分布图如图3所示。紧缆前索股的状态如图6 所示,其竖向分布为9层,每层有索股都有其自身的垂度,第n层索股垂度记为f。，紧缆时即为图6 至图7 的过程，使各层索股在紧缆后将各层索股的垂度由f,统一为。图6 索股紧缆前示意图图7 索股紧缆后示意图由分析可得，紧缆后所有索股的线形进行重新调整，上层索股紧缆后线形向下，下层索股紧缆后线形向上。这种过程可理解为下层索股的一部分自重转移到上层索股上，各层索股通过自重荷载的改变和垂度的相互协调来实现最终垂度的统一。为分析出不同的索股架设间距对最终紧缆后的空缆线形的影响。利用计算程序对实际工程的紧缆过程进行计算分析,取不同的索股架设间距，对其进行计算。由于在施工时索股之间采用的是“若即若离”的原则,因此在索股架设间距的选取上范围控制在8 mm以内。由表1和图8 可得，实际工程索股架设间距对紧缆后的主缆线形有一定的影响，索股架设间距的增大，使紧缆后的主缆与设计垂度值的差值增大。表现为索股架设间距越大，紧缆后的主缆垂度越小，使空缆线形得到了抬高。索股间距111-100一一实际工程算例1一算例2温度变化量/5101520铁路与公路在8 mm的范围内,对紧缆后的跨中垂度影响最大为2.49mm,影响较小,因此在合理的索股间距范围内，可适当增加索股间距以方便索股的施工和调整。表1实际工程不同索股间距紧缆后得到的主缆跨中垂度索股架设间距/mm2紧缆后的主缆垂度/m100.4755100.4675与主缆设计垂度差值/mm0.02/-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0图8 实际工程不同索股架设间距紧缆后跨中垂度误差由图9可得，紧缆前上层索股张力的水平分力略大，但各层索股张力的水平分力大致相同。因此不同的索股架设间距对紧缆前的各层索股张力的水平分力影响不大。紧缆后上层索股张力的水平分力增大，下层索股张力的水平分力减小，且最上层和最下层的索股水平分力的变化量最大，这种变化随着索股架设间距的增大逐渐的增大。由于上层索股张力的水平分力在紧缆后为最大，因此从主缆受力安全的角度来分析，其为最不利的受力情况。300索股间距2 mm索股间距4mm索股间距6 mm索股间距8 mm2902802702502401234567891011121315索股层号300索股间距2 mm索股间距4mm索股间距6 mm2902802702602502401617181920212223242526272829索股层号图9实际工程不同索股间距下紧缆后各层索股水平张力3伍家岗长江大桥大桥索股架设施工控制宜昌市伍家岗长江大桥主桥结构采用单跨116 0 m钢箱梁悬索桥，江南侧引桥2 92 m,江北引桥392 m。根据规范、设计要求和监控组计算分析，伍家岗长江大桥主缆基准索股绝对垂度(高程)允许偏差中跨为0 +58 mm,边跨为0+116mm;两缆基准索股相对垂度（高差）允许偏差为10 mm。主缆架设是悬索桥上部结构施工的一项重要内容，其线形几何状态是否能够精确调整到设计位置，将直接关系到桥梁结构的健康状况。然而,作为主缆的第一根索股,基准索股为一般索股提供架设基准，将直接影响一般索股的线形几112四川建筑第43卷第4期何状态，因此基准索股的架设是主缆架设工作中的关键环节。3.1基准索股的架设根据大桥主塔、锚联合测量数据及鞍座实设预偏量等46100.4668100.4662-0.60-1.27索股架设间距/mm468-1.852.498#索股间距8 mm资料，伍家岗大桥基准索股架设线形计算公式见式（2）式(4)：dX=C+T。T +T,T?+D。D +D,D?+HO HO+H,H,Y=C+T。T+T,T?+D。D +D,D?+HO HO +H,HA=C+T。T+T,T?+D。D +D,D?+HO HO+H,H,式中：D为跨度变化量,跨度增加为正，跨度减小为负,单位为（m）；T 为索股调整跨的平均温度与设计温度的差值,高于设计温度为正，低于设计温度为负，单位为；H，为两岸主塔塔顶标高相对于基准高程的变化量,其中i=0代表南岸主塔，i=1代表北岸主塔，H，向上为正，向下为负，单位为（m）,基准高程为2 11.6 8 5m（塔顶IP点在猫道架设施工前高程）；dX为各跨测点位置到其对应主塔中心线的里程差,其中南边跨与主跨对应南塔,北边跨对应北塔,单位为m；Y 为测点位置索股中心的标高,单位为（m)；A为测点位置切线角，单位为度。参数D、H；取值均为调索时测量值与猫道架设前测量值的差值。跨中标高变化量与索长变化量的关系：中跨：s=h/1.92 9;南边跨：s=h/7.496;北边跨：s=h/5.8 14。在标高偏离理论标高2 0 cm的范围内,上述关系均具有很高的精度。s为调人或调出本跨的索长，h为索长调整时，各跨跨中标高的变化量。伍家大桥基准索股架设经过多轮调整，索股的架设精度达到了目标要求，基准索股垂度精调到位后实测数据见表2。表2 基准索股垂度精调到位数据汇总测点里程/m南边跨428.5811上游中跨1152.1679北边跨1930.7722南边跨429.5438下游中跨1152.8121北边跨1930.96003.2一般索股的架设考虑到以往按照若即若离的方法架设索股时,易出现上层压下层的现象，为避免基准索股受其他索股的影响，因此一般索股架设时相对基准索股距离增加了15mm,很好地解决了这一问题。(2)(3)(4)理论实测高程/m高程/m141.2380141.319694.456094.5066119.2101119.2935141.6894141.769594.544894.5964119.1965119.2769高差值/mm81.650.683.480.151.680.4张后登，张波，赵永飞，等：大跨径悬索桥一般索股架设过程精细化控制分析研究一般索股相对于参考索股的高差控制计算方法见式(5)：AHki=H k-H,-K A T k i-A h(5)k为被调索股所在的层号,从1开始；i为参考索股所在的层号,从O开始：H（H）为k(i）层索股相对于基准索股的理论相对高差，见表1；Hk，表示k层索股相对于i层索股的计算相对高差；K为温差修正系数；Tk为被调索股与参照索股平均温度之差（Tk，=T-T，）根据实际温度计算，其值带符号；h；为参考索股的架设误差，其值带符号，比理论值高为正，计算式（+）：h;=S i.o-H,+K,T i,o其中Si。为实测参考索股与基准索股的高差；Tio为实测参考索股与基准索股的平均温度之差；h。为0。如S i。无法实测,则h，可取参考索股被调完成时的误差。表3上游一般索股与基准索股的理论相对高差单位：mmi层索股与基准索股相对高差H;.0层号层各索股南边跨12-324-637-10411-15516/21517-20622-26727 32833-37938 431044-481149-541255-591360-651466-701571/761572-751677-811782-851886-881989-902091温度修正系数K/(mm/)若参考索股为基准索股，则讠=0，高差控制公式变为如式(7)：AHk.o=H-K A T i.若被调索股与参考索股同层，则i=k，高差控制如式(8)：AHk,;=-Kr T k,i -A h i表3列出了一般索股架设时相对基准索股的理论相对高差，为避免基准索股受到其他索股的影响，一般索股架设时相对基准索股距离增加了15mm。(6)4结束语（1)对主缆的紧缆过程进行分析，对上层索股压下层索股的原因进行探讨。建立了主缆架设紧缆过程的计算模型和模拟算法。从索股的架设间距出发，结合实际工程和算例,分析不同的索股架设间距对紧缆后的主缆的线形和内力情况带来的影响并总结其变化规律，对实际工程的施工提供主跨北边跨44.048.185.4122.8160.2203.2197.5234.9272.3309.6347.0384.4421.7459.1496.4533.8565.5571.2608.5645.9683.3720.6752.323.3(7)(8)指导。(2）通过理论分析和现场实测数据，伍家岗大桥较好地47.3完成了主缆索股的架设，主缆线形控制精度较高，证明了考78.284.2112.4121.0146.6157.8186.0200.2180.8194.6215.0231.4249.2268.2283.4305.0317.6341.8351.8378.6386.0415.4420.2452.2454.4489.0488.6525.8517.6557.0522.8562.6557.0599.4591.2636.2625.4673.0659.6709.8688.6741.027.525.5虑鞍座影响的主缆精细化计算方法及基准索股层间距设置方法提高了主缆索股的计算及架设精度，可为大跨径悬索桥主缆架设提供参考及借鉴。1叶志龙悬索桥主缆架设误差影响分析及参数控制D成都：西南交通大学，2 0 0 8.2向程龙。悬索桥索塔基于变形分析的分级安全评估技术研究 D.重庆：重庆交通大学，2 0 13.3朱劲松，陈科旭，孟庆领大跨度悬索桥空间温度场精细分析方法 J.天津大学学报（自然科学与工程技术版），2 0 18，51(4):339 347.4芦杰大跨度悬索桥温度效应研究D西安：长安大学,2 0 0 8.5梁胜楠。独塔自锚式悬索桥施工过程中主缆线形计算 D开封：河南大学，2 0 19.6周建宾，郭士伟自锚式悬索桥主缆线形计算及温度影响分析 J.河北工业大学学报，2 0 17，46（3)：10 5-111.7任翔，黄平明，梅葵花，等温度对悬索桥索股垂度的影响分析 J郑州大学学报（工学版），2 0 0 9，30（4）：2 2 2 5.8沈锐利，叶志龙，沈旺，等主缆索股施工控制参数研究 J.建筑科学与工程学报，2 0 10，2 7（3）：13-18.9闫友联，喻胜刚，张永福，等。润扬大桥悬索桥主缆紧缆施工 J桥梁建设，2 0 0 4(4)：44-46.参考文献113