中小跨径悬索桥的施工与控制
2018-01-22
大跨径悬索桥在施工过程中，根据加劲梁吊装的节段数不断增加，需要适时地顶推主索鞍以保证索塔受力处在一个合理的范围内。但对于中小跨径悬索桥结构体系、特别是一些景观悬索桥桥而言，由于索塔和主索鞍的尺寸较小，无法实施主索鞍顶推，而必须选择其它可靠的施工方案中是一个值得考虑的问题。本文以一座中小跨径悬索桥为例，介绍其在景观桥中的施工应用情况。
1 工程概述
湖南省醴陵市渌江河人行桥是一座主跨跨径为80m的地锚式悬索桥，全桥总长136.2m(包括两端锚碇)，加劲梁跨径组成为16.55+80.00+16.55m＝113.10m；梁体宽度：8.00m（包括风嘴构件宽度），桥面宽度: 7.00m；桥面人行道净宽5.68m。路面（桥面）中线纵坡4.0％；竖曲线半径1002.4m；桥梁两端设置楼梯踏步，并设置无障碍通道。立面图布置如图1所示。设计荷载：人群荷载3.5kN/m2。
图1 大桥总体布置（单位：cm）
2 设计情况
2.1 上部结构
主缆采用塑料护套半平形钢丝索PES7-139成品索，主缆矢跨比为1：7.27，悬索矢高11.00m。吊杆采用PES5-13成品索，吊杆纵桥向间距为3.75m，横桥向间距为6.40m。采用正交异性钢箱梁作为加劲梁，单箱单室截面，宽8.00m、梁高1.30m；分段在工厂预制（焊接），标准节段长3.75m。顶板厚10mm，底板厚8mm，设两道竖直腹板，厚度为10mm。纵向每隔1.875m设置一道横隔板，板厚8mm, 并设置过人孔。
2.2 下部构造
桥塔采用双柱式，每柱纵、横桥向尺寸为1.40m和0.90m塔高16.298m。考虑塔顶设置鞍座的需要，塔顶2.68m范围纵桥向加宽为1.60m。两塔之间设置横梁，其顶面距离塔顶1.0m。桥墩采用实体板式墩身，纵、横桥向尺寸为1.40m和8.859m。1#桥墩和2＃桥墩的墩高分别为13.802m和16.802m。
2.4 东锚碇、西锚碇结构
重力式锚碇采用沉井，埋深为18.78～19.35m。
3 大桥施工及控制
3.1 施工程序
对于地锚式悬索桥，常规的施工程序是：桩基、索塔施工→挂主缆→安装索夹、挂吊杆→分段吊装钢箱梁→根据索塔受力适时顶推主索鞍→钢箱梁焊接合拢→施工桥面系→运营。但本桥属于景观悬索桥，跨径不大，其施工方法显然不能和常规悬索桥一致，其原因是本桥索塔尺寸较小、没有设置主索鞍。因此，区别于常规地锚式悬索桥，本桥在完成索塔施工后，挂缆、并同时将其与索塔固定，之后吊装加劲梁，此时索塔将随着梁段的不断吊装，索塔将朝主跨偏移，为了保证主塔在施工中的受力，根据主塔的受力情况，适时地在锚碇内对主缆进行张拉，这样保证索塔受力保证要求。具体施工过程如下：
（1）在完成索塔施工、挂缆（并在索塔位置对其进行固定）、安装索夹及吊杆之后，对两侧边跨主缆进行张拉，每根主缆张拉力为103kN，使索塔产生预偏位；
（2）然后依次吊装跨中5段加劲梁（对应D01～S03吊杆）；
（3）再次对对边跨主缆进行张拉，每根主缆张拉力为430kN；
（4）然后吊装D04～D06吊杆所对应的梁段；
（5）对边跨主缆进行第三次张拉，每根主缆张拉力为840kN；
（6）吊装跨中2段钢梁（对应D07～D10吊杆）以及索塔位置的钢梁
（7）完成边跨钢箱梁的吊装（在支架上）
（8）对边跨主缆进行最后一次张拉，每根主缆张拉力为1200kN；
（9）桥面系施工、钢箱梁焊接，投入运营。
3.2 施工控制的必要性
渌江河人行桥属于悬索桥结构，施工过程比较复杂，进行施工控制是非常有必要的，其原因主要有两个：其一，几何非线性特性非常明显。从挂空缆到全桥竣工完成，主缆下沉量将达到40cm左右，施工控制中必须对空缆架设和吊装加劲梁的过程中对主缆线形和索塔进行详细控制，这一点对结构受力和线形影响显著；其二，索塔的受力非常复杂。由于本桥主跨较小，因此，主索鞍采用的是非常规作法：空缆就位后，固定主索鞍，之后再将边跨主缆再次进行张拉，使索塔朝边跨侧倾斜。以后随着加劲梁的逐段吊装就位，索塔将朝主跨侧复位。这样大大减少了施工的难度，但同时也对施工控制增添了很大的难度。如何准确的控制索塔倾斜量的大小，保证索塔在倾斜过程中和成桥状态的受力安全性，均存在很大的技术难度，必须予以详细考虑。
另外，施工过程对成桥状态的受力和线形影响巨大。为确保桥梁结构在施工过程中结构的受力和变形始终处在安全范围内、成桥后主梁的线形符合设计要求、结构恒载受力状态接近设计期望值，使得对主桥的施工过程实施严格的施工控制成为必要。同时，为保证大桥建成后结构长期健康监控的顺利进行，也有必要在施工阶段为此建立与结构成桥状态相应的初始条件、技术资料。
3.3施工阶段主缆线形
悬索桥施工状态是指从挂主缆开始到成桥各阶段悬索桥的几何线形和受力状态。确定施工阶段主缆线形理想控制目标主要解决三方面问题：（1）主缆各索段无应索长；（2）挂索初始状态；（3）吊梁阶段结构状态。
图2主缆简化力学模型
（1）主缆各索段无应力索长
无应力索长的计算必须从成桥状态理想控制目标的有应力索长反算而得，也即分段悬链线。图2为其计算模式。对固定于A（0，0），B（1，h）两点的自由索，易得其方程为：
（1）
这是一个经典计算公式，由该公式计算主缆的无应力长度，对于三跨悬索桥，主缆与各吊杆的理论交点均已知，可分段将各吊索间的索段作为悬链线，计算出各段的有应力索长和无应力索长，累加得到该索段的总索长和无应力索长。
根据桥面标高、鞍座压力等参数，就可以确定塔高、吊索无应力索长等重要构件尺寸，从而完全得到了挂索初态所必需的基本参数。
（2）空索理想控制目标
对于本桥而言，这里主要定义边跨和主跨的无应力长度在挂缆时的定位问题，指以满足成桥状态理想控制目标的各跨主缆无应力索长空挂于索鞍上，使左、右边空索水平拉力相等时对应的主缆形状与受力状态。
（3）加劲梁安装阶段理想控制目标
加劲梁的安装步骤是由施工设计确定的。要确定梁体上各块件在每次施工中的确切位置是十分困难的，为此，可以从成桥状态理想控制目标开始，逆施工过程进行非线性倒退分析，计算每一施工阶段剩余结构的状态。根据上述讨论可知，只要结构材料参数、几何参数是合理的、施工过程中不出现人为误差，从空索理想控制目标开始吊梁，则全桥加劲梁安装完毕，各块件将相互独立，然后作用二期恒载，就可以达到成桥状态的理想控制目标。
3.4 主缆无应力长度
对于悬索桥结构而言，其成桥状态的获得与主缆的无应力长度关系很大。一旦主缆的设计线形和加劲梁的重量确定，那么中跨和边跨主缆的无应力长度是唯一的，这个长度大小对成桥后的线形影响很大；因为主缆在索塔顶是固定的，则主缆的无应力长度同时也是影响到索塔受力的一个主要影响因素。考虑到本桥的特殊结构布置，在计算主缆无应力长度时，分别采用抛物线法、悬链线法和有限元法对其进行了计算，结果列于下表中。
表1 主缆无应力长度计算对比结果
表中结果表明：有限元结果正好处在抛物线法和悬链线法之间、更靠近悬链线结果。考虑到有限元分析完全模拟了施工过程，具有更好的可靠性，因此，最终采用了有限元结果作为最终的结果。按照主缆制作温度20度进行考虑，在扣除了每侧塔顶索鞍处的修正长度0.218m，最终采用有限元计算值150.094m。在此基础上，同时完成吊杆的无应力长度计算和索夹的定位计算。并按照以上施工过程进行了详细的施工控制。
3.5 主要监测参数
（1）主缆线形、索力控制；（2）吊杆位置、索力控制；（3）桥塔位移及应力控制。
3.6 施工控制结果
大桥施工完成后，中跨跨中主缆的实际标高与理论标高只相差不到2cm，线型完成满足要求，施工过程中，索塔出现的最大拉应力仅为1.0MPa，也完全满足要求，没有出现开裂的现象。大桥竣工之后的实景如图3所示，该桥的建成为当地增添了一道亮丽的风景。
图3 大桥竣工照片（实景）
4 结论
本文以一座中小跨径悬索桥为例，介绍了一种新的施工方法，即通过张拉边跨主缆来调整索塔内力。显然，这种方法在中小跨径景观悬索桥中特别使用，可以大力推广。
参考文献：
[1] TJG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
[2] 周孟波. 悬索桥手册[M]. 北京:人民交通出版社,2003
