自锚式悬索桥施工控制方法研究
2018-03-05
一、自锚式悬索桥施工控制及其必要性
桥梁施工控制是桥梁建设质量的保证，衡量一座桥梁的质量标准就是要保证已成桥的线形以及受力状态符合设计要求。如自锚式悬索桥的施工控制分为2个部分，施工前的内业分析和施工中的现场控制分析。
施工前的内业分析主要目的是确定出理想成桥状态及空缆状态等诸多状态。由于悬索桥施工方法的特殊性，它在主缆就位以后就难以像斜拉桥那样进行后期的索力和标高的调整，故张拉空缆状态的精确计算就显得尤为重要。它可以避免或减少后期的调整工作，并且使竣工后交付运营时的桥面标高、主缆垂度、鞍座位置、各构件的几何形状和盈利状态等各项指标符合或接近设计要求。所以说，张拉前的工程控制分析是自锚式悬索桥施工控制分析的重点和关键，也是张拉中控制分析得以进行的前提和基础。
施工中的现场控制分析具体包括桥面和主缆线性控制、吊顶力控制以及盈利控制三方面内容。要根据自锚式悬索桥的结构特点和施工方法制定相应的控制程序，用于指导施工。自锚式悬索桥的施工控制是个张拉→量测→识别→修正→预告→张拉的循环过程，为了实现控制的目标，就必须有一套完整的、精密仪器的量测手段的支持和先进适用的计算方法作为依据。
目前我国计算机的应用已非常普遍，技术人员完全可以对多阶段、多工序的自架设体系施工方法进行模拟，对各阶段可预先计算出内力和位移，称之为预计值。将施工中的实测值与预计值进行比较，若有误差可进行调整，直到达到最满意的设计状态。也就是通过施工控制，使各阶段内力和变形达到预计值，最终达到设计要求，确保建桥的施工质量。
二、自锚式悬索桥施工控制的方法
目前在桥梁施工中，为了保证结构的受力和桥梁的线形，都采取一定的施工控制措施。按照控制原理的不同，分为开环控制和闭环控制。开环控制是指根据计算的结果，在施工的前期调整可控变量，在施工过程中不再进行调整和控制。如钢筋混凝土简支梁预制时跨中的预拱度，计算确定后施工时按照计算值设置，成形中不再调整。这种方法常使用在中小跨径和工艺较简单的桥梁中。闭环控制是指施工前计算出可控变量的理论值，在第一施工阶段，可控变量按照理论值实施，而在以后的施工阶段中，随时对控制效果进行测试，并与理论计算值计算进行比较，找出差别的原因，并对下一阶段施工中的可控变量进行调整，保证施工的顺利进行。这种控制才是实际意义的监控，包括检测和控制两方面。如斜拉桥的悬臂浇筑，首先要计算出每一阶段的立模标高，拆模后的标高，实际施工中在每一阶段完成后，都要对控制结果进行观测，确定下一阶段的立模标高。除了第一阶段外，后续阶段的立模标高不全是计算值，而是计算值加修正量。对于施工工艺复杂的桥梁多采用这一控制方法。
为了保证自锚式悬索桥竣工后结构的受力和变形尽量与理想的设计状态一致，施工过程中的监控工作显得尤为重要。一般设计图纸中仅给定理想状态下自锚式悬索桥竣工后的内力、线形，由于施工中所用材科的力学性能存在偏差(如主缆、吊杆的弹性模量等)，构件制造安装误差，以及假定误差等客观因素，都会对自锚式悬索桥的内力、线形造成影响。此外根据设计图纸，精确地计算出各部分构件在无应力状态下的尺寸，以便指导施工时下料工作。因此，对自锚式悬索桥的结构施工，根据实际施工过程中反馈的各种控制参数，通过现场计算分析以及预测得出合理的控制措施，用以指导和控制施工，使各施工阶段的实际状态最大限度的接近理想设计状态，确保成桥后的内力状态和几何线形符合设计要求。主要包括以下几个方面的内容。
2.1 施工控制数据的采集和整理
数据的采集是悬索桥施工控制的基础和直接手段，没有准确及时的数据就不能确定悬索桥施工的具体工况和状态，也无法确定施工模拟的参数。对于施工控制中所需的参数，需要采用仪器和通过试验来测定，如采用全站仪和水准仪测量结构的线形和变位，采用温度传感器和温度计测量构件的温度和温度场，采用应变计测量构件的应变和应力，采用压力传感器测量主缆索股的拉力。在测量工作中，要考虑实际情况，消除和减少温差。在全站仪测量是要进行大气折光系数的测定，测量锚跨张拉力时须充分考虑边界条件对索股频率的影响。由于主缆线形对温度的敏感性，主缆温度场的测量也十分重要。
2.2 施工控制计算分析
考虑到数值解析法和有限元法的优缺点，结合两种施工模拟方法对猫道和主缆架设进行施工模拟。以数值解析法为主，采用精确悬链线理论计算猫道承重索和主缆空缆线形，采用分段悬链线理论计算猫道和主缆成桥线形和加劲梁架设阶段线形。计算考虑鞍座对主缆线形的影响，考虑锚跨索股离散性和猫道因素的影响，并根据温度进行修正。对主缆索股无应力下料长度的计算方法进行对比，根据实测线形计算索夹的放样位置。
2.3 猫道架设时的施工控制分析
对承重索架设过程中的主塔受力进行分析，提供合理的承重索架设方法。分析了塔偏和温度对承重索垂度的影响，确定合理的索形控制精度，为猫道的施工控制提供依据。
2.4 索股架设时的施工控制分析
明确索股架设的施工控制流程，通过分析各种因素之间的关系，确定合理有效的索股调整方法。分析索股架设期间索股架设对主塔偏位的影响。对测量成果进行评估，分析前期施工误差对后续施工的影响。
2.5 主缆锚跨力的施工控制
通过对成桥状态合理锚跨力的分析，计算空缆及索股架设时对应的锚跨张拉力。计算不同的架设条件下索股及索鞍的平衡条件，确定主缆架设时合理的张拉力及锚固措施。通过对温度、塔偏、线形等各个因素的分析，确定合理的空缆状态锚跨力以及散索鞍位置。对散索鞍偏位的影响进行分析，找出散索鞍偏位及锚跨力对成桥状态的影响规律。
三、自锚式悬索桥的施工控制实施
自锚式悬索桥是由主缆、加劲梁、主塔、吊杆等构件组成的柔性悬吊组合体系。成桥状态下，主要由主缆、加劲梁和主塔共同承担结构的自重和外荷载。主缆是结构体系的主要承重构件，直接锚固在加劲梁端部的锚碇上，这样的受力特点使得自锚式悬索桥的施工顺序必须是先浇注或组装加劲梁，等到加劲梁达到一定强度或组装完成后，再架设主缆以及张拉吊杆，完成整个体系转换。
由于自锚式悬索桥要先浇筑或组装加劲梁，因此需要大量的临时支架施工来施工主梁。加劲梁一般有钢桁架梁、钢箱梁、钢—混凝土叠合梁、混凝土梁等多种，由于种类的不同，加劲梁的组装或浇注方式会有所不同。加劲梁完成以后就开始架设主缆并张拉吊杆，吊杆张拉次序和每次张拉力的大小决定了最终的桥面线形是否到位，吊杆内力值是否到量，同时保证主缆线形、加劲梁应力、主塔倾斜度、索鞍位移等在允许的范围内。往往不能将每根吊杆一次张拉到位，而应该进行多轮次、小力幅的张拉，最终使各索力趋近于理想成桥索力，同时确保成桥后的内力状态和几何线型符合设计要求。
自锚式悬索桥的施工控制是施工→量测→识别→修正→预告→施工的循环过程，为了实现控制的目标，就必须有一套完整的、精密仪器的量测手段的支持和先进实用的计算方法作为依据。
结束语
总之，随着实践经验的不断积累，自锚式悬索桥的设计理论和施工方法也将趋于完善，跨越能力也会不断提高，相信在以后会有越来越多的方案倾向于这种桥型，并对以后桥梁事业的快速发展奠定了基础。
参考文献：
[1]李喆.自锚式悬索桥施工关键技术与控制[J].天津大学，2006(02).
[2]张志伟.索鞍无预偏自锚式悬索桥施工控制研究[J].浙江大学学报，2010(08).
[3]张坤.自锚式悬索桥仿真计算分析及施工方法研究[J].北京交通大学，2009(22).
