悬索桥的施工监控技术与关键问题
2018-03-26
1前言
悬索桥的特点
悬索桥又称为吊桥，是指以受拉主缆为主要承重构件的桥梁结构。主缆的钢丝强度高且可以根据需要增加钢丝数，所以悬索桥的跨越能力特别大。同其他体系的桥梁相比，跨度越大，悬索桥的优势越明显。
在材料用量和截面设计方面，由于大跨度悬索桥的加劲梁（加劲梁在悬索桥中要占相当大的比例）不是主承重构件，其截面并不需要随着跨度增大而增加，节省材料；在构件设计方面，悬索桥的主缆、锚碇和桥塔三个主要承重构件在扩充其面积或承载能力方面所遇到的困难则较小；另外，由于悬索桥跨越能力大，常可以因地制宜地选择一跨跨过江河或海峡主航道的布置方案，这样就可以避免深水桥墩的修建，满足通航要求。
悬索桥也有一些不足：由于悬索是柔性结构，刚度较小，当活载作用时，悬索会改变几何形状，引起桥跨结构产生较大的挠曲变形；在风载荷、车辆冲击载荷等动载荷作用下容易产生振动。目前桥梁抗风稳定性研究已经有了一定的成果，但对于其动力响应方面的研究则应继续加强。
悬索桥结构计算理论
在悬索桥结构计算理论的发展史上，其结构理论经过了弹性理论、挠度理论、有限位移理论的演变。
弹性理论
它是一种将悬索桥看作成主缆与加劲梁结合体的最早期的计算理论，是建立于超静定结构分析基础上的一种方法。它认为缆索承受自重及全部桥面荷载，其几何形状为二次抛物线，并且这一线形保持不变，因而，其特点是恒载与活载的作用没有本质的区别。
当悬索桥的跨度不大时，采用弹性理论分析是适宜的。更精确的分析虽可证明：按弹性理论算出的弯矩值偏大，但改用精确分析方法所能得到的经济效益并不显著。
挠度理论
此理论的特点是，当悬索桥因活载产生竖向变形时，在基本计算式中开始引入这样一个事实，即原有恒载已产生的主缆轴力由于变形的关系将产生新的抗力。这个理论最早用于美国曼哈顿桥。这个理论的应用随即改变了悬索桥的跨度，使其一下就进入1000m以上的跨度。
按挠度理论计算需要经过多次试算才能得到正确的结果，且叠加原理不适用，计算繁琐。后来一些学者又相继提出了一些实用的简化解法。其实多花些功夫，节约不少，而且随着跨度的加大，按挠度理论计算的优越性就更加显著了。
有限位移理论
随着现代悬索桥跨度的增大，其加劲梁刚度相对减小，当高跨比小于1/30时，采用线性挠度理论引起的误差变得不容忽略。除计算误差外，挠度理论普遍也不便于计算机运算，对于斜吊杆悬索桥的分析也显不足。随着电子计算机技术的发展及其在结构分析中的应用，以有限位移理论为基础的矩阵分析法相继建立。有限位移理论对挠度理论的深化表现为考虑了几何非线性因素，包括荷载作用下的结构大位移、缆索自重垂度以及恒载初始内力。
总结
从悬索桥基本方程的求解角度，用对刚度矩阵的修正内容来表示悬索桥三种基本计算理论的实质，可归纳如下:
弹性理论: K=Ke Ke为弹性刚度矩阵。
挠度理论: K=Ke+Kg(Ng) Kg为几何刚度矩阵，Ng为恒载轴力向量。
有限位移理论: K=Ke+Kg(Ng)+Kd(δ) Kd为大位移刚度矩阵，δ为节点位移向量。
施工监控技术概述
悬索桥的施工，基本程序是：先修锚碇和塔，次架主缆，再挂吊索，后架设加劲梁及铺设桥面系。也有例外，自锚式悬索桥因其结构特点多采用“先梁后缆”的施工方法。本文仅针对“先缆后梁”进行分析。
在施工过程中，结构上的荷载不断变化着，主缆的线形、塔的内力也随之变化，为使悬索桥建成后主缆达到设计线形，结构受力符合设计要求，就需要在整个施工过程中进行严格控制。桥梁的施工监控与桥梁的设计和施工有密切的联系，考虑到悬索桥与其他桥型相比施工过程中的结构几何形状较难控制，且容易出现不稳定和应力过大的安全风险，施工监控更是整个桥梁施工的核心。
悬索桥施工监控，就是对结构关键部位内外设置各种监测点，然后根据现场获取的参数和数据(如图1)，对结构进行实时理论分析和结构验算；对每一施工阶段，根据分析及反分析结果修正计算参数并进行跟踪计算以给出其下一步施工的预测，分析施工误差状态，采用应力及变形预警体系对施工状态进行安全度评价和灾害预警。
图1 悬索桥施工监控数据
悬索桥施工控制应包括四个主要方面：
a)形成一个精确的理想状态；
b)配备一套完善的实时跟踪分析系统；
c)设立一套精确的量测系统；
d)建立误差分析与反馈控制系统。
悬索桥在施工过程中一旦主缆安装就位，主缆内力、挠度完全取决于结构体系、结构自重、施工荷载和温度变化，不能像斜拉桥那样进行后期索力和标高调整，因此主缆无应力下料长度、主缆在自重作用下的初始安装位置(索鞍初始预偏量、主缆初始垂度和线形)成为悬索桥施工控制技术的关键。
主缆的安装过程作为施工控制的第一阶段，其主要任务是保证主缆在自重作用下的初始安装位置达到设计理想状态。而主缆的安装过程是:先进行基准索股的安装，再以基准索股作为参照来进行其余索股的安装，因此，基准索股的安装是施工控制的第一阶段里的关键任务。在基准索股第一次安装后，连续观测其线形变化，对观测数据采用灰色理论、卡尔曼滤波法等理论预测其发展变化，预测出以后时段基准索股的线形，把它与设计理论状态进行比较后，对其线形进行适当调整。这一过程反复进行多次，直到基准索股的线形达到设计理想状态，基准索股架设好后，才进行其余索股架设安装；主缆成形后，就可进行加劲梁的安装。
加劲梁安装阶段作为施工控制的第二阶段，在这一阶段，随时观测主缆线形、桥面标高和塔顶位移、计算并预测下一时段的主缆线形、桥面标高、塔顶水平位移及主索鞍顶推阶段和顶推量，以确保施工安全和成桥时桥面标高、主缆垂度、索鞍位置、各构件内力大小最大限度地符合设计理想状态。
主缆施工监控技术
概述
主缆作为悬索桥的主要承重构件，对其的施工监控是悬索桥施工控制工作的核心和关键所在。
目前大跨径悬索桥的计算理论大多采用基于有限位移理论的有限元法和基于悬索力学的解析迭代法。有限元法的优点是能把所有组成部分考虑在内，而且可以进行空间分析，其缺点是局部细节不易处理，而解析法长于处理索鞍处主缆长度的修正等细节，计算精度也较高，因而很适合选用解析法进行主缆施工控制计算。
基准索股的标高控制也是主缆架设阶段的一个重点。目前通常认为在主缆架设过程中基准索股的标高与空缆标高一致，实际上索股架设过程中由于主缆与索塔之间的相互作用使得基准索股标高与空缆标高之间有很大差异。因此对基准索股标高与空缆标高之间差异也应进行分析研究。
主缆无应力长度
解析法求解主缆参数采用下述三条基本假设:1)主缆理想柔性的，既不能受压也不能受弯。2）材料符合虎克定律。3）主缆的截面面积及容重保持不变。
悬索桥主缆受力图可简化为承受沿弧长均布的荷载加吊索集中荷载的柔性索。对于基准索股状态，则简化为只受沿弧长均布的自重作用的柔性索。
图2a 索段受力图图2b 多个集中荷载作用下得索段受力图
图2a所示为一段只受自重荷载的索段。取出其中一个微段进行研究，建立平衡微分方程，由索段的边界条件求得索段线形，继而求得索段弧长，而索段的弹性伸长量，则索段的无应力长度。
对于如图2b所示的受自重及若干集中荷载作用下的索，可将索分为n段。分别对整体以及在集中力处建立平衡方程，然后采用迭代计算，当满足精度要求的索力水平分量H及竖向支撑力V求得后，即可用积分法计算各索段的无应力索长及各吊点处的标高。
在计算过程中须考虑主、散索鞍半径对主缆长度的影响并对主缆长度进行修正。修正方法是找出主缆在主、散索鞍上的切点位置，按切点位置进行上述迭代计算，算出切点之间各索段的无应力索长，再计算出主缆绕主、散索鞍的圆弧段的无应力索长。求切点位置采用迭代逼近方法，初始位置取索鞍上圆弧端点，然后以此切点作为各跨主缆的端点进行上述迭代计算，可算得主缆端点处的斜率，按此斜率重新算得新的切点位置，如此循环，直至前后切点坐标之差小于给定误差限。
吊索位置和长度计算
1、索夹安装位置
空缆状态索夹安装位置计算包括两方面内容：其一是吊点在空缆线形下的坐标计算；其二是吊点到索夹两端距离的计算。
空缆状态吊点坐标的计算是根据任意两吊点之间空缆时的无应力长度与成桥时的无应力长度相等的原则进行的。
吊点到索夹两端的距离计算要根据索夹的位置和索夹的型号来进行，同时根据测量放样的需要，尚需提供与吊点水平坐标相同的天顶线上的点到索夹两端的距离。
索夹位置的放样在温度稳定的夜间进行，因为在夜间主缆的顺桥向、横桥向及上下游温差较小，主缆不发生扭转，所以主缆天顶线放样容易掌握。
2、吊索长度
悬索桥主缆架设完成后，加劲梁桥面线型的形成主要由吊索长度控制，所以悬索桥吊索长度的准确计算十分重要。吊索长度的计算主要分为三部分:
①首先根据设计线形求出在主缆吊点处的主缆中心至加劲梁内锚面的距离；
②然后根据主缆外径、主缆索夹壁厚、吊索夹具将吊索收拢的距离、吊索夹具距主缆中心距离等进行主缆索夹处的吊索长度修正，进而得到吊索真实的有应力长度；
（吊索长度计算中，除了上述修正外，还应考虑钢丝绳实际弹模与理论弹模的误差、主缆实际直径与计算直径的误差、空缆实际线形与设计线形的误差、温度影响、钢丝绳变形相对应力情况的滞后效应、钢丝绳卷盘对下料长度的影响、锚头顶压伸出量对长度的影响等等诸多因素。对于这些因素的影响，可进行进一步精细计算和深入分析，还可通过垫片调整、制索下料时采取特殊措施、工艺试验等等方法予以调整和修正。）
③最后扣除恒载内力下各分段的弹性伸长量即得出吊索的无应力长度。
基准索股
1、基准索股的线形
主缆索股在架设阶段为自由悬挂状态，其线形为悬链线，跨中垂度f一旦确定，索股线形就确定下来，跨中垂度f可由跨中标高确定。在这一阶段，中跨和边跨选取跨中标高作为控制参数，通过对跨中标高的调整来调整跨中垂度，达到调整索股线形的目的。锚跨实际上也为悬链线，但其跨中标高难以测量，而锚跨跨中垂度与锚固端拉力有着固定的力学关系，因而选取锚跨的张力作为控制参数。
目前，一般认为基准索股标高与空缆标高之间无差异，因此，先计算空缆标高，然后根据基准索股在主缆断面的位置直接算出基准索股的标高。确定空缆标高常采用两种方法:
一、利用丝股在索鞍内不滑动即索鞍两端主缆张力相等的己知条件；
二、利用索鞍不滑动即索鞍两端主缆张力的水平分力相等的己知条件。
第一种方法调索容易，但随着索股的架设，索股沿水平方向的不平衡力增加，索塔偏位逐渐增加，使得架设跨度变化较大，降低了施工精度；第二种方法可保证温度不变的条件下跨度变化很小，虽然索鞍两端主缆张力不相等，但索股入槽后可通过强大的摩擦力来限制滑动。因此大多采用第二种方法确定空缆标高。
基准索股线形测量和调整的实际施工监控过程中，为了使已整形入鞍的索股达到设计线形，需要在夜间气温稳定、风速较小的时候对其进行跨中标高观测和调整。气温稳定的基本条件为:索股径向温差<1℃，索股轴向温差<2℃。将各测点的温度汇总，在满足气温稳定的条件下，根据监控在不同温度下的控制值，调整基准索股的跨中标高。
各跨控制参数的调整实质均是调整索长，由于索股中、边跨及锚跨是连通的，则边跨跨中标高受到中跨调整的影响，锚跨又受到边跨调整的影响，因此调整应按先中跨、再边跨、最后锚跨的顺序进行。在索股架设和调整过程中，散索鞍被临时固定，因而中、边跨的调整不受锚跨影响，可以先将中、边跨调整到位，最后调整锚跨。
2、索塔偏移对基准索股线形的影响
由于索鞍在塔顶有偏岸侧相对较大的预偏量，从架设基准索股到主缆完成的过程中，在温度不变的条件下，索塔受越来越大的偏心竖向力作用而向岸侧发生偏移；而基准索股架设完后，各跨之间无应力长度就恒定不变，随着索塔向岸侧越来越大的偏移，基准索股中跨标高越来越高，边跨则相反。因此本文认为，在索股架设过程中，基准索股标高是变化的，与主缆架设完成后的空缆显然存在差异。认为基准索股线形与空缆线形完全一致的传统观点是不完全成立的。
由于基准索股的架设精度要求非常高，最好在基准索股架设调整过程中保证跨度不变，因此应按索鞍两端基准索股张力的水平分力相等的条件计算基准索股标高和相应的预偏量，然后根据主缆架设过程中索塔产生的偏移量计算空缆标高和相应的预偏量。而且，预偏量在基准索股架设前设置，对应的是基准索股状态下的预偏量，不应采用空缆状态下的预偏量。
3、一般索股标高的确定及控制
基准索股标高确定后，一般索股的标高根据其在主缆断面中的位置确定，理想目标是各束索股若即若离，相互没有挤压。通常按索股间间隙为lmm-3mm来确定一般索股标高。
一般索股的架设采用标志法。索股在工厂预制时，要求利用工厂的精密测量设备测量出鞍座中心对应点，并要求在钢丝上作好标志，因此白天架设时可将标志对准各鞍座中心进行架设。这样可保证夜间调整时调整量较小。
梁施工监控技术
概述
现代悬索桥的主梁一般采用钢箱梁，在施工时一般采用节段吊装、最后整体焊接的方法。加劲梁架设顺序按照推进方法分主要有两种：一是从跨中节段开始向两侧岸边的桥塔方向推进，最后在靠近两端的某一位置合拢，二是从两侧岸边主塔附近的节段开始向跨中推进。第二种施工方法容易造成合龙时钢箱梁标高出现错位，给合拢造成困难，故目前大跨径悬索桥主梁吊装多采用第一种方案。
在加劲梁吊装阶段，主缆所受的荷载变化较快，主缆标高不断变化，这个阶段主要关注两个问题：一是主缆及加劲梁的线形，二是索塔应力及主索鞍的多次顶推。随着钢箱梁吊装的不断进行，索塔向中跨的偏位也越来越大，导致索塔的受力处于不利状态，使受拉侧(边跨侧)的拉应力有可能超出结构的允许值。因此，必须在主索鞍安装时设置一定的向边跨的预偏量，在钢箱梁的吊装过程中，不断的向中跨顶推索鞍，保证索塔的受力处于良好的状态。所以索鞍的顶推时机、顶推量的选择成为本施工阶段最关键的监控内容。
值得一提的是，目前国内外在悬索桥的施工方法及设计上较多采用的是通过设置主索鞍的预偏量来平衡施工中的中边跨主缆水平力，保证索塔受力安全，现在也出现索鞍无预偏施工方法:从索鞍安装时就将主索鞍与塔柱中心固定不动，施工中通过张拉锚跨索股进行结构受力调整。
主缆及加劲梁线形
1、主缆线形
主缆的控制点一般选取为两边跨跨中、中跨L/4、L/2、3L/4五个点作为标高控制点，其中又以中跨跨中点最敏感、最为重要。钢箱梁吊装前须计算出各个吊装阶段控制点的理论标高，实际施工过程中，对各个施工阶段的实测值与理论值进行比较，找出偏差的原因，并及时提出调整方案。
2、钢箱梁标高及平整度
钢箱梁的标高主要受主缆标高及吊索长度的影响，可以通过对主缆标高严密监控及吊索长度的严格控制来保证钢箱梁的标高，这样不但容易控制钢箱梁的标高，而且调整的工作量也减少许多。
钢箱梁的平整度也是钢箱梁标高控制的重要内容，由于在理论计算中，钢箱梁上下游高差一般是严格一致的(除非有较大的偏心荷载)。因此这部分监控内容的重点便在于实际测量上。若实测上下游高差过大，可用跨缆吊机及时调整。因为吊装过程中影响钢箱梁平整度的因素较多，在吊装施工阶段钢箱梁的平整度并不稳定，因此一般在钢箱梁全部吊装完成后才对平整度进行调整；调整量确定时应注意钢箱梁各阶段间的相互影响及绝对标高的偏差方向，如绝对标高偏低，则平整度调整时应将上、下游中较低的一侧向高处调整，调整量为上、下游高差的一半。
3、钢箱梁开口角
为了保证已吊装好的梁段的稳定，吊装完的钢箱梁之间必须进行临时连接(铰接)。一般只在箱梁的上缘进行临时连接，同时预留焊缝宽度，因而梁段间存在开口角和开口距，它将随着吊装过程的进行而不断变化，当开口角接近于零，此时可在下缘进行临时连接，最后正式进入焊接施工。
有时为加快桥梁的施工进度，可以在吊装进行到一定阶段后就开始焊接。但这种情况下，为了减小临时连接及焊缝的附加内力，选择合适的连接及焊接时机就显得极为重要。
索鞍顶推
悬索桥预偏量的设置一般可采用以下两种方法，
一、主缆架设前，在索塔的顶部固定钢丝绳，而后在边跨侧用牵引设备给索塔施加拉力，使得索塔向边跨侧产生一个预偏量，调整拉力的大小，即可得到计算规定的预偏量。主缆架设完成后，即可松开钢丝绳。在以后的施工过程中，该预偏量会逐渐减小，到成桥后，预偏量完全消除，索塔处于铅垂位置。
二、主缆架设前，索塔处于竖直状态，安装主索鞍的鞍座时使其向边跨侧有一偏量，即主索鞍的鞍座中心和索塔的中心不在同一位置，主索鞍的鞍座和索塔只做临时连接。随着中跨荷载的不断增加，索塔承受的水平力的差值加大，产生变形，使索塔和索鞍一起不断向中跨移动，位移达到一定的值后，即可顶推主索鞍，使主索鞍和索塔发生相对位移。若顶推量合适，则索塔可以重新处于竖直状态，主索鞍的预偏量的减小值即顶推量。
两种设置方法在实际应用中各有利弊。方法一原理简单，实现方便，但缺点是只适用于预偏量较小的情况下，故一般情况下只适用于较小跨径的悬索桥。方法二可以设置较大的预偏量，但其施工工艺较复杂，一般情况下适用于大跨径的悬索桥。
大跨径悬索桥的预偏量一般较大，可达到1米甚至更多。主索鞍的鞍座向边跨侧偏移以设置预偏量，在以后的施工过程中逐步顶推主索鞍。因此在吊装工作开始前，须对各个吊装阶段进行计算以控制主索鞍顶推量和顶推时机。主索鞍分阶段顶推的控制原则为:
1、首先根据索塔设计承载能力及其施工过程中对索塔塔身控制截面应力的设计要求，推算出塔顶在纵桥向容许最大水平位移(即最大容许偏心距)。
2、按照施工顺序划分阶段，假定主索鞍在塔顶处于自由滑移状态，在计入预定施工临时荷载的情况下，确定主索鞍在施工各个阶段的滑移历程曲线。
3、以塔顶容许最大水平位移的0.7倍为控制值，依据主索鞍滑移历程曲线确定主索鞍的顶推阶段和顶推量。主索鞍预偏量在成桥之前，不应全部顶推完成，应留有一定的预偏量待成桥后再顶推完成，以利调整成桥状态索塔的受力。
4、施工过程中跟踪检测索塔塔身控制截面的应力和塔顶纵桥向的水平变位，并与给定控制值进行比较，确定出修正调整量。
合理确定主索鞍顶推阶段和顶推量是关系到结构安全和能否实现最终监控目标的重要保障。有学者研究在顶推中实行“小步快跑”原则，即适当增加顶推次数，减小每次顶推的顶推量，将有效减小每次的千斤顶顶推力，增加索塔的裕度，对结构的受力和安全有很大好处。但由于塔顶主索鞍在结构和受力上的复杂性，致使索鞍顶推施工十分复杂烦琐。因此如何有效解决施工上的问题，使小步快跑原则有效实施，需要进一步深入研究。
结论
主缆和梁的吊装是施工监控中的关键问题。主缆施工控制计算中，主缆无应力长度、吊索位置以及长度、基准索股的确定是重要的步骤，这里面主要涉及计算方法和考虑诸多影响因素的精细计算。加劲梁吊装过程中，主缆线形的控制，索鞍顶推的时机、顶推量的选择是最关键的监控内容。
施工中温度效应是不容忽视的一点，它影响着施工监控中参数的计算，大量现场监测结果的积累将有助于学者对温度场的理解和把握。
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