张拉锚跨丝股法在悬索桥施工中的应用

张拉锚跨丝股法在悬索桥施工中的应用

1桥塔偏移基层施工为确保结构的张力状态和设计方向与设计一致，应在安装期间和之后要求两位主绳之间的无高差长度。根据这一要求，悬索桥的一般建造方法是根据每条树干的张力长度为固定值，桥顶两侧主电缆的水平张力相同，并以分散索龙（套）两侧主电缆的张力相同为条件，计算主电缆安装期间每条导线的轮廓长度和线性。应根据计算的间隔设置每个马鞍座，并临时锁定每个马鞍座。以理论直线为目标，调整每条导线的形状和链的张力，并将主杆永久关闭。主杆安装完成后，安装了加强梁，并缓解了每个马鞍座。随着加强梁的安装，每个马鞍座逐渐返回设计永久位置（如果马鞍座底部的摩擦较大，可由顶杆支撑，此时返回设计永久位置）。由于空电缆只能承受自己的重量，因此空电缆时计算的主电缆横跨桥的长度必须偏差，即调整安装座的预弯曲。在安装加强梁时，将鞍座顶部返回设计位置。从上述的施工要求来看,顶推鞍座的目的是调整桥塔的偏移,减小桥塔的内力,因此可以采用另外的思路,如通过张拉调整边跨丝股而达到调整桥塔偏移的目的.具体的施工过程是:桥塔上的主鞍座施工时直接永久固定,架设主缆时以主跨保证无应力长度为条件,按设计跨度计算主跨线形和内力;以桥塔两侧主缆索力水平分力相等和边跨与锚跨无应力长度等于成桥值为条件,计算散索鞍和主缆锚固点的位置,主缆架设时按计算的位置进行丝股的临时锚固;主缆架设完成后,施工加劲梁.由于主鞍座已在桥塔顶永久固定,安装主跨加劲梁将使桥塔发生偏移,当偏移达到一定数值时,对锚跨丝股进行张拉,由此调整锚跨与边跨的主缆力,使桥塔回到设计的位置或向岸侧偏移一定的值,以此循环来实现加劲梁的重量向主缆、通过主缆传递到锚碇的转换.这一新方法与通常的方法不同点在于桥塔顶的主鞍座不需要顶推,主缆丝股架设时是临时锚固,最终的锚固位置要靠多次的张拉来确定,因此本文将悬索桥的此种架设方法称为悬索桥施工的“张拉锚跨丝股法”.当悬索桥桥塔刚度相对较柔时,采用此种方法施工来消除索塔的偏心更具合理性:①避免了传统施工方法中,为了预留平台顶推鞍座,而要把塔帽加宽加大;②只需在锚跨位置就可完成对索塔偏心的调整,避免了在桥塔顶部顶推鞍座,把施工平台由空间转为地面,使施工更加方便、安全.采用柔性砼索塔结构形式的澜沧江大桥是国内第一座按“张拉锚跨丝股法”架设的悬索桥.位于国道214线云南境内祥云-临沧公路的澜沧江大桥,全长526m,主缆由3跨组成,跨径布置为120m+380m+120m,在设计成桥状态下,中跨理论垂度为35m,垂跨比约为1∶10.857;边跨完全对称,不设吊索.主缆共2根,每根主缆含52股平行钢丝索股,每股含91丝直径为5.20mm的镀锌高强钢丝.主缆索股锚固采用由索股锚固拉杆和预应力钢束锚固构造组成的锚固系统.单跨悬吊的加劲梁跨度380m,采用钢板与砼叠合梁,即在钢板梁上设置砼桥面板,总宽度12m,桥面有双向1%的纵坡和双向2%的横坡.其梁段吊装的总体顺序为先跨中、后端部最后合龙.采用实心断面框架结构的砼桥塔,塔基础为直径5.5m的大直径挖孔桩,采用重力式锚碇结构.桥梁设计荷载等级为汽车-超20级(两车道),挂车-120.张拉锚跨丝股法架设此悬索桥的主要施工步骤如下:施工基础和桥塔→安装塔顶施工门架及起重系统→安装主鞍座和临时散索板→导索过江→安装施工猫道、牵引系统及导向滚轮→架设主缆索股→调整主缆线型及锚跨拉力→紧缆→安装索夹→安装散索套→安装吊索→安装加劲梁并分阶段张拉索股→桥面系施工→成桥后备工作.张拉锚跨丝股法施工悬索桥上部结构时,要靠桥塔的偏移来将主跨增加的索力传给边跨,然后传给锚碇;桥塔偏移后将在塔柱中产生弯矩,桥塔结构是一压弯共同受力结构.为防止桥塔的过大变形和过大的内力,且为保证成桥时桥塔处在设计的直立位置,如何对锚跨丝股进行张拉、何时张拉是施工控制的关键,也是保证结构能最终达到设计状态的关键.本文以澜沧江大桥上部结构施工为研究对象,利用桥梁结构空间非线性分析系统BNLAS作为建模、计算分析的工具,来模拟分析锚跨丝股张拉的施工控制过程.2施工控制悬索桥的施工控制就是要保证施工过程中结构各构件是安全的,结构安装时的位置能保证成桥时达到设计位置.因此悬索桥的施工控制内容有以下几方面:1)丝股架设阶段基准丝股在各种温度下的架设线形;2)丝股架设阶段各丝股的锚固力;3)空缆时各索夹的安装位置;4)吊索的实际制作长度;5)加劲梁吊装过程控制和施工中各种力的测试和线形的测量;6)桥面板吊装和桥面铺装施工时桥塔偏移及锚跨丝股应力的控制.对于采用张拉锚跨丝股法施工的澜沧江大桥,线形控制的内容与通用施工方法一样,在结构安全控制方面,则要突出桥塔的受力控制和锚跨丝股张拉过程中边跨主缆无应力长度的不变性.根据设计图提供的资料,施工过程中要确保塔顶水平位移始终不超过50mm,直到成桥后使塔顶位移恢复到零,这样才能保证桥塔结构的安全和主缆丝股不在塔顶主鞍座中滑动.为保证边跨丝股的无应力长度不变,既保证张拉过程中丝股不在散索套中滑动,张拉丝股时,所有索股间的应力差要求不超过150MPa.根据上述的施工控制条件,必须制定锚跨张拉过程的循环条件:1)塔顶位移控制的大循环:当上部结构施工引起塔顶向中跨产生水平位移接近50mm时,在塔顶位移限制条件下,进行锚跨张拉,通过多次的锚固力张拉,使桥塔向边跨方向发生水平位移,其位移控制在50mm范围内.如果不采取锚跨张拉循环,在上部结构施工过程中,将累积使桥塔产生大约600mm的位移,从中可以看出,如果每次大循环张拉使桥塔顶的偏移由向跨中50mm调整为向边跨50mm,则采用锚跨张拉大循环次数将不会少于6次.2)锚跨丝股应力差控制的小循环:通过分析,如以丝股架设完后的锚头位置状态为基准状态,在张拉过程中,要保证丝股间的应力差不超过150MPa,原则上,丝股间锚头位置差不应大于17mm.因此,可以把塔顶向边跨产生水平位移不超过50mm、锚跨丝股间的应力差不超过150MPa作为张拉锚跨丝股过程中控制的主要内容,对于条件①,可以根据对结构安装过程的分析和现场对桥塔的偏移来确定应张拉锚跨丝股的时机;对于条件②,则要根据每个锚碇每次能同时张拉丝股的数量来确定张拉次数和张拉量.如果每个锚碇的所有丝股能同时张拉,这样将不会存在应力差问题,一次张拉即可到位,因此不受条件②的限制;如果澜沧江大桥每个锚碇的52根丝股分成两批张拉,一次张拉一半丝股,经计算丝股的总张拉量为112mm,在保证张拉丝股间应力差不超过150MPa的前提下,在一个塔顶位移控制循环中,应进行7次张拉.张拉过程见表1.如果每个锚碇中52根丝股均分成四批,一次张拉1/4丝股,在一个塔顶位移控制循环中,就要进行19次张拉,张拉过程见表2.3悬索桥散索套模拟由于本桥是采用索鞍无预偏的施工方法,即在加劲梁吊装过程中分阶段张拉边跨索股,以消除塔顶水平位移,而非常规顶推索鞍方式.因此,如何实现对这种全新施工方法的模拟就显得非常重要,另外本桥锚跨采用散索套,这在施工过程中需要对其提供一个临时斜向支撑,如何实现也是一个技术难点,通过对计算软件的认真研究与调试,成功地解决了以上两个难题.采用“桥梁结构空间非线性分析系统BNLAS”可以将悬索桥的主缆模拟成杆单元、有自重的索单元等.对于杆单元和索单元,作为一般单元处理时,是被动受力的、无应力长度不变化单元,如果作为斜拉索单元处理,则可以是主动受力的单元,可以通过调整索的长度改变索及整个结构的受力和结构变形.另外在IP点设置一个只提供斜向力的斜支座来实现对散索套的模拟.3.1斜拉索单元的离散在本文的模拟计算中,将边跨和主跨主缆离散为带有自重的缆索单元,各索夹点为离散的节点;将每根锚跨丝股离散为一可张拉的斜拉索单元;将桥塔离散为空间梁单元;将作用于吊索的荷载转化为作用于离散节点的集中力,施工模拟计算的简图如图1所示.3.2拉规格丝股的量控制在“桥梁结构空间非线性分析系统BNLAS”中,斜拉索的张拉安装可按张拉力控制、两点间无应力长度减少量控制、两点间给定无应力长度和斜拉索中张力改变量等多种方式进行,对于本文研究的内容,采用两点间无应力长度减小量张拉锚跨丝股更便于控制,因此对于每一张拉批次的丝股,输入需要缩短的丝股无应力长度(实际是丝股锚固点向锚碇方向移动的量),通过计算就得到张拉每一丝股后结构的状态(线形与内力).3.3上部结构施工过程中张拉控制的循环过程制定了锚跨丝股应力差控制的小循环,再结合塔顶位移控制条件,便可模拟计算出桥塔顶在整个上部施工过程中纵向位移的变化情况,下面以每次张拉每个锚碇中一半锚跨丝股为例,研究上部结构施工过程中张拉控制的循环过程:1锚跨丝股的张拉在主缆架设、索夹安装以及猫道改挂完成后,累计使桥塔塔顶向主跨方向产生37.8mm的水平位移,为便于后续的施工,要进行锚跨丝股的第1次循环张拉.因为初始锚跨索股应力较小,所以在张拉丝股时可以适当增加其张拉量.按照模拟计算,每批锚跨丝股的张拉量为92mm,每批丝股张拉1次即可.2锚跨丝股张拉在缆载吊机移至跨中、从跨中吊装15号梁段完成后,累计使桥塔塔顶向主跨方向产生44.4mm的水平位移,要进行锚跨丝股第2次循环张拉.这时锚跨丝股中的应力仍然比较小,丝股应力差不控制张拉过程,因此按两批对丝股进行张拉,张拉量为95mm,每批丝股张拉1次.3锚跨丝股张拉在沿跨中向边跨方向吊装了14、13、12号梁段后,累计使桥塔塔顶向主跨方向产生48.4mm的水平位移,于是要进行锚跨丝股第3次循环张拉.由于此时锚跨丝股应力已经较大,所以在张拉丝股时应按照“丝股间锚头位置差不应大于17mm”的原则进行张拉.张拉值和塔顶位移分别见表3、图2.4锚跨丝股张拉在沿跨中向边跨方向吊装11-1号梁段及铺装15号梁段桥面板完成后,累计使桥塔塔顶向主跨方向产生48.8mm的水平位移,于是要进行锚跨丝股第4次循环张拉.其张拉过程和第3次循环张拉类似.5锚跨丝股初始张拉在完成14-10号梁段桥面板的安装后,累计使桥塔塔顶向主跨方向产生43.2mm的水平位移,于是要进行锚跨丝股第5次循环张拉,张拉值和塔顶位移也基本同前.6张拉过程中丝股应力的变化在完成9-0号梁段桥面板后,累计使桥塔塔顶向主跨方向产生33.5mm的水平位移,于是要进行锚跨丝股第6次循环张拉.第6次循环张拉完成后,全部锚跨丝股循环张拉即告完毕,接下来进行桥面铺装,然后撤除临时支点,使结构达到成桥状态,此时桥塔两侧主缆索力水平分力基本相等.表4反映在整个张拉过程中,结构各项参数的变化情况.在其张拉的过程中,两批丝股的应力也随张拉的改变而发生改变,变化情况见图3.从图中可见,随着张拉过程的推进,丝股中的应力逐渐提高;在开始张拉阶段,丝股有完全放松的现象,后面的大循环张拉中,应力大于150MPa后,控制了应力差,丝股就不会出现完全放松的现象.在张拉锚跨丝股的同时,边跨丝股的内力也将随之改变,图4是边跨丝股某一点在其张拉过程中的内力变化情况.从图中可见,在内力达到一定程度后,丝股的张拉量与力的增加基本上是线性增加的.当然,在实际施工过程中,由于施工现场条件及一些偶然因素会造成张拉批次以及每批张拉根数不能按常规介绍的进行确定,此时,就要根据制定的塔顶位移控制的大循环和锚跨丝股应力差控制的小循环,在满足丝股总张拉量不变的前提下,重新确定张拉批次和每批张拉根数,并通过软件对其施工过程进行模拟、计算.在计算过程中,一旦发现应力差超限,应立即停止本轮张拉,增加张拉次数,以减少单轮张拉量,确保桥梁结构始终处于设计要求的安全度内.在此桥实际施工过程中,考虑施工进程、边界条件、临时荷载、环境温度、砼的收缩与徐变等因素,同时考虑到施工成本和工期,最终采用了208个千斤顶每次张拉一半索股的张拉施工方案,共进行了7轮锚跨丝股循环张拉,丝股总张拉量为52.2cm,监测到的成桥后桥塔偏移误差量为上游3mm,下游0.5mm.按前面的模拟计算,锚跨丝股理论的张拉总量为52.1cm,成桥时桥塔偏移量为2.2mm,因此理论计算与实际施工控制结果非常一致.4锚碇张拉密度的确定张拉锚跨丝股法架设悬索桥的上部结构,是一种全新的悬索桥施工方法,适于索塔结构刚度相对较柔,塔