自锚式悬索桥体系转换施工控制技术应用
2018-03-05
1、概况
青岛海湾大桥大沽河航道桥为主跨260m的四跨连续独塔自锚式悬索桥，跨径布置为80+190+260+80m，主塔为独柱式混凝土塔，高148.7m，其箱梁为扁平流线型钢箱梁，梁宽47.41m，总重2.1万吨；2根主缆，单缆61根索股。该桥桥型布置图见图1-1所示。
图1-1 大沽河航道桥桥型布置
主缆主跨矢跨比为1/12.53，边跨矢跨比为1/18.04。主缆为两根空间缆，横桥向中心间距在塔顶为2.5m，在主跨侧后锚面为6.5m，在边跨侧后锚面为7.8m。吊索设置于主跨及边跨，吊索名义水平距离为12m，其余吊索名义水平间距为12m。
2、自锚式悬索桥体系转换施工特点
自锚式悬索桥由于主缆端部锚固力介入梁体的受力和变形，因而整个桥体结构的静力和动力特性较常规地锚式悬索桥更为复杂，加劲梁受强大轴向压力成为压弯构件，加劲梁和主缆的施工顺序与地锚式悬索桥完全相反为“先梁后缆”。
自锚式悬索桥由于主缆的空缆状态与成桥状态相差很大，二者的竖向坐标及横向坐标有的甚至相差达4m之多，这就对体系转换中的吊索张拉施工提供了很高的要求。由于吊索承载力、张拉设备的数量和能力、主梁和主塔的承载力等各种因素的限制，全桥的吊索大多需多次逐步分级张拉，才能达到设计值。
另外，在吊索张拉过程中，存在各种非线性影响，如主缆的大位移非线性、主缆与鞍座的滑移和顶推非线性，吊索间力的强相干性、吊索的参与与退出工作、混凝土的收缩徐变、加劲梁与制作的接触非线性等，这些非线性相互耦合使得吊索张拉过程的计算相当复杂，而且在分析方法上与常规地锚式悬索桥存在较大区别。
3、体系转换中的几个重点问题分析
体系转换施工控制的目标是将加劲梁荷载逐步的、安全的由临时支撑转移至塔、墩上，实现自平衡，且主缆线形、主梁线形、吊索力、主塔应力等符合成桥状态设计要求。
3.1 吊索张拉
根据吊索张拉模型计算结果可知，在每一个张拉阶段中正在张拉的吊索对已张拉的吊索索力均存在影响，往往是正在张拉的吊索张拉力越大对其它吊索索力的影响越明显，这种影响存在明显的非线性特征。在张拉的某根吊索不仅仅对相邻吊索内力的影响较大，而且对全桥已张拉吊索的内力均有不同程度的且不可忽略的影响，可谓“拉一索而动全索”。张拉一根或几根吊索会使与其相邻吊索的实际吊索力大幅减小，而其它已张拉吊索的实际吊索力则整体向预期目标索力稳步增加，最终使得各个吊索的成桥索力与目标索力相一致。在吊索张拉过程中，主缆位移的变化表现出弱相干性。位于张拉点的主缆位移发生较大位移，其位移量可人为控制，而其他非张拉点的主缆基本不发生位移，因此，可以采用位移控制的方法来进行吊索张拉。在吊索张拉初期可以主缆的位移量作为控制量，因为在吊索张拉初期，部分吊索尚未锚固到加劲梁上，处于悬空状态，还有部分吊索虽然已经锚固在加劲梁上，但吊索处于松弛或弯曲状态，这些吊索均可视之为未张拉吊索，与此同时，这个阶段被张拉的吊索拉力也不是很大，这时若以张拉力作为控制目标，由于索力测试设备精度以及环境干扰等原因将产生较大误差，而采用位移控制精度容易保证。
3.2 主缆位移
作为自锚式悬索桥主要受力构件的主缆是一个柔性结构，即主缆是几何可变体，主缆不仅可以通过自身的弹性变形（主要指受拉力后伸长），而且还可以通过其几何形状的改变（主要指曲线形状的改变）来影响体系的平衡，表现出大位移非线性的力学特征。通过吊索张拉的方法实现体系转换的自锚式悬索桥主缆空缆状态与成桥状态存在较大差异，在施工过程中，通过对全桥吊索的不断张拉，使得主缆的线形由空缆状态逐渐逼近成桥状态。
3.3 索塔位移与应力
在空缆状态时，索塔两侧主缆的水平分力相等，索塔受力安全。而在体系转换过程中，两侧主缆的水平分力将发生改变，由于索塔抗力的存在，结构达到新的平衡状态，故体系转换必会引起索塔位移和内力状况的变化，可能会造成局部拉应力过大，从而影响索塔的稳定性和安全。因此，在体系转换过程中需通过监控塔顶偏位及计算的方法保证索塔始终处于受压状态，适时对塔顶索鞍进行顶推，保证索塔受力安全。
3.4 加劲梁位移与应力
吊索张拉的过程也是加劲梁自重由支架支承向主缆支承转换的过程，这一过程的初期由于被张拉吊索的拉力往往较小，所以吊索的张拉不会对加劲梁的受力产生明显的影响，而随着吊索的不断张拉，加劲梁的自重由单纯支架支承变为支架与主缆共同支承，进而最后变为加劲梁完全脱离支架由主缆支承实现体系转换，这期间加劲梁的受力状态会发生较大变化。
3.5 临时支点反力
吊索张拉过程中加劲梁与支架二者之间的相互作用力的变化是非线性的。最初，加劲梁的自重完全由临时支架(支撑)承担，随着吊索的不断张拉，加劲梁与支架之间逐渐脱离而实现体系转换。由于实际施工时不可能同时张拉全部吊索，为了尽量减少所需张拉设备和重复张拉的次数，各吊索拉力相差较大。支架只能承受压力，不承受拉力，加劲梁和支架之间存在只压不拉的接触非线性关系。因此临时支点的拆除时机至关重要，或早或迟均会对加劲梁及吊装的应力产生影响，实际施工前需通过计算确定临时支点的拆除时机。
3.6 永久支点反力
永久支座同样有一定的承载力要求，在吊索张拉过程中，吊索张拉和临时支架的拆除都会引起永久支座反力的变化，因此吊索张拉方案必须保证永久支座的安全，且不能出现负反力。
由于青岛侧边跨辅助墩和索塔三角撑处支座反力可能出现负值，施工中通过分批次施加配重的方式解决。配重施加原则为，其配重压力不超过支座承载力且保证支座有一定的压力储备。
3.7 吊索与其锚固钢导管接触情况
由于吊索在梁上的锚固钢导管倾斜角度与成桥时吊索倾斜角度一致，而在体系转换施工中，吊索的倾斜角度将发生较大变化，如果吊索张拉方案未充分考虑施工过程，将会导致吊索的倾斜角度超出钢导管允许的转角范围，吊索与钢导管接触而发生危险。因此张拉吊索时，吊索的倾斜角度必须在钢导管允许的转角范围内。
4、方案比选
为保证大沽河航道桥体系转换施工的顺利进行，在综合考虑吊索索力、索塔应力、加劲梁应力、索鞍顶推、吊索倾斜度、临时支座拆除时机、压重施加时机、永久支座反力等各项参数的情况下，提出了三套比选方案。
方案一、采用8台千斤顶，对2种不同编号的吊索同时张拉，在施工过程中吊索通过24次张拉全部到位，吊索的最大张拉力为1647.5KN，最大应力为693MPa，安全系数2.41；索塔的纵向最大位移26.8cm，最大压应力12.6MPa，最小压应力0.1MPa，不出现拉应力；加劲梁最大压应力94.9MPa，最大拉应力89.9MPa；临时支座支点及永久支座反力均不超过其承载力；索鞍通过两次顶推复位，最后一次顶推在第9次吊索张拉之后，顶推前主索鞍的最大竖向分力为11274吨。
方案二、采用12台千斤顶，对3种不同编号的吊索同时张拉，在施工过程中吊索通过15次张拉全部到位，吊索的最大张拉力为1534KN，最大应力为646MPa，安全系数2.59；索塔的纵向最大位移21.9cm，最大压应力13.0MPa，最小压应力0.4MPa，不出现拉应力；加劲梁最大压应力100.1MPa，最大拉应力89.7MPa；临时支座支点及永久支座反力均不超过其承载力；索鞍通过两次顶推复位，最后一次顶推在第7次吊索张拉之后，顶推前主索鞍的最大竖向分力为13549吨。
方案三、采用4台千斤顶，对1种同编号的吊索进行张拉，在施工过程中吊索通过55个步骤全部到位，吊索的最大张拉力为1765.5KN，最大应力为743MPa，安全系数2.25；索塔的纵向最大位移13.3cm，最大压应力11.82MPa，最小压应力0.25MPa，不出现拉应力；加劲梁最大压应力95.9MPa，最大拉应力90.5MPa；临时支座支点及永久支座反力均不超过其承载力；索鞍通过两次顶推复位，最后一次顶推在第6次吊索张拉之后，顶推前主索鞍的最大竖向分力为3253吨。
通过上述数据对比，应该说每种方案在理论上都是可行的，在充分考虑现场配备人员及设备的生产能力的基础上，确定采用方案三为实施方案。准备12台千斤顶，张拉时通过4台千斤顶同时对1种编号的吊索进行张拉，其余作为周转及备用千斤顶。吊索通过55个步骤全部张拉到位，安全系数足够，索塔和加劲梁应力均满足要求，索鞍顶推次数较少，且顶推力和索塔变位较其他方案明显较小，吊索在钢箱梁顶处水平偏移量满足要求，临时支点和永久支座受力均在安全范围内，压重施加灵活、时间充足。
5、吊索张拉控制技术
对自锚式悬索桥这种高次超静定结构，吊索张拉的过程控制及最终的索力精度至关重要，为此，在施工中采用“先粗后精分步张拉到位法”，即：粗调时，纵向各千斤顶可以不同步，但应按一定次序依次张拉，并保证张拉吊索的拉力不得大于本步骤目标吊索力，吊索的实际伸出量不超过本步骤的计算伸出量，同一吊索编号的横向各千斤顶张拉做到基本同步。精调时，由于存在索夹安装误差、测量误差、索长制作误差、温度偏差、索塔偏位偏差、索力测量误差等因素影响，控制时按“以螺母外吊索伸出量控制为主，兼顾吊索索力”的原则进行张拉，并保证吊索伸出量、吊索索力实际值与控制指令给出的目标值的误差在规定范围内。
5.1 张拉设备
单根吊索张拉施工中最大张拉力为1765.5KN，为克服千斤顶在高应力持荷时的不稳定现象，配置12台300吨穿心千斤顶作为张拉设备；张拉杆根据受力及设备周转需要设计为三种规格，大拉杆及中拉杆用于大吨位吊索的张拉与持荷，为减少现场工作强度设计较为轻便的精轧螺纹钢小拉杆，用于小吨位吊索的张拉，由于在吊索张拉过程中部分已张拉而未到位的吊索会出现索力增加现象，因此为保证张拉安全，小拉杆不得用于持荷；本桥不同编号的吊索锚固倾角均不同，且在张拉过程中由于索夹会发生位移，吊索的倾角还会不断发生变化，将撑脚设计为角度可调形式；另设计用于张拉杆转换用的活页板、螺母、变径套等。
图5-1 吊索张拉设备布置
5.2 张拉控制
吊索张拉是本桥施工最复杂的一个关键环节，为保证吊索施工的顺利进行在吊索张拉前对Z1、Z2两组索进行分级预张，通过实测数据复核监控计算结果，以检测结构与计算模型的响应程度；并在每一个正式张拉工序中，监测加劲梁、主塔应力、主缆索股、吊索拉力、主缆线形变化、塔顶位移等，保证结构各部件应力始终处于可控范围内。
5.3 张拉施工
由于张拉杆数量是严格按照张拉过程的最高峰用量及对应张拉荷载组织加工的，因此在吊索张拉前需对每个张拉步骤的张拉杆进行配杆，并对张拉杆的周转进行详细的计划；吊索张拉中多个步骤张拉行程较大，需经过多次千斤顶行程转换方能到位，在张拉过程中工设计有三个临时锚固点，第一个位于吊索永久锚固位置在永久锚固螺母底缘设置活页板及螺母，第二个位于撑脚内，第三个位于千斤顶底部，通过三个锚固点的不断转换实现张拉行程的转换；如图5-1所示吊索及吊索的锚固通道本身存在倾角，且整个张拉过程中倾角是不断发生变化的，这就对撑脚的角度调节提出了很高的要求，否则将使刚性的张拉杆受弯或与吊索通道刮擦，带来安全隐患，施工前应根据吊索倾角变化情况计算出撑脚四脚高差，以保证张拉顺利实施；吊索张拉的基本原则是“以位移量进行控制，同时兼顾索力”，两者发生冲突时首先保证位移量，但实测索力不得大于设计索力的5%，因此在现场操作时应首先保证吊索锚头的锚固位置精确，通过两侧锚头伸出螺母长度确定，其次索力控制是在千斤顶在油压达到设计值后，不立即关闭油泵并控制油路流量，使各吊索同步持荷1至2分钟，给结构体系以响应时间，锚头及索力一般会均匀的到达设计位置，而后锚固完成一个步骤的吊索张拉工作。
6、结语
（1）该种桥型上部结构刚度较小，对体系转换中的各种应力均比较敏感，施工过程中的控制工作至关重要，在施工过程中应不厌其烦的对每个张拉步骤前后的索塔、索夹、主梁等进行监测，以保证结构受力始终处在允许范围内。
（2）体系转换施工步骤多，期间索鞍顶推、吊索张拉、压重块安装、临时支座拆除等交叉进行，每个步骤的时机及参数都有严格要求，施工时应严格按照监控指令要求实施。
（3）体系转换施工工序复杂，应建立一套有效的组织保障体系，确保对施工各个环节的有效控制。
（4）吊索张拉的操作空间狭小，完全需要人工操作，轻便、易操作的张拉设备对现场施工极其重要，应根据设计荷载细化每个步骤的设备需求，以降低劳动强度并加快施工进度。
作者简介：刘宏( 1962、10、30 )男,陕西西安人,工程师,主要从事桥梁工程施工工作。
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参考文献：
[1]张哲．混凝土自锚式悬索桥[M]．北京：人民交通出版社，2005．
[2]朱建甫．自锚式悬索桥吊索安装施工控制研究[D]．成都：西南交通大
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[3]吴皋．湘江三叉矶自锚式悬索桥施工控制技术研究[D]．长沙：长沙理工大
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[4]长安大学.吊索张拉控制方案
[5]中交二公局.大沽河航道桥体系转换施工方案
