自锚式悬索桥施工控制

哈尔滨工业大学交通科学与工程学院自锚式悬索桥施工控制哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院•早在1859年，奥地利工程师约瑟夫·郎金就写出了悬索桥“自锚”的设想，美国工程师查理斯·本德在1867年申请了自锚式悬索桥构思的专利。•1915年德国建成主跨185m的科隆-迪兹桥，它是采用木脚手架先架钢梁，后挂主缆的。选择这种桥式的主要理由除美观外，是担心地质条件不允许修建锚碇。•基于同样理由，德国在1929年建成主跨315m当时欧洲跨度最大的科隆-米尔海姆自锚式悬索桥。后来的发展，除了因为它没有锚碇，还因为它按弹性理论假定进行设计比较简单。•1990年日本建成主跨300m的北港桥，1999年韩国建成主跨300m的永宗桥。•我国在2002年建成主跨70m的桂林丽君桥，它是我国第一座自锚式悬索桥，2002年7月开工的苏州竹园桥（40+90+40m）我国第二座，天津子牙河桥（46+115+46m）是第三座。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院“自锚”即不需要一般悬索桥的巨大锚碇，主缆锚固于边跨主梁的跨中或端部，由主梁承担主缆的水平分力和竖向分力。为此必须先架梁，后挂索。它的主要优点除美观外，节省了巨大锚碇的工程费用，也给软土地基不便建造锚碇的桥址提供了修建悬索桥的方法。由于它的施工程序与悬索桥恰恰相反，主梁又要承担主缆传递的力，故只能达到中等跨度。跨度再大就不经济了。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院自锚式悬索桥的另一特点：即为了减小主梁承担主缆的水平分力,往往加大主缆的矢跨比,例如北港桥(日)为1:6；永宗桥(韩)为1:5；中国丽君桥为1：5.49，这显然大于有锚碇悬索桥1:10的矢跨比。由于跨度较小和主缆直径相对较小及主缆如此陡峻的纵向坡度，不可能采用常规的紧缆机、缠丝机、缆载吊机等大型机具进行施工；先架梁，后挂索，可以不必采用传统悬索桥的猫道进行挂索。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院1、万新大桥主桥概况抚顺市浑河万新大桥主桥是一座自锚式混凝土吊桥，主跨为160m，边跨70m，锚固跨15m，全长15+70+160+70+15＝330m，主梁为五跨连续箱梁，主缆中心距26.5m，吊索沿顺桥向间距5m。主梁为钢筋混凝土箱梁，箱梁标准断面为单箱五室，梁宽41m，梁中心高度2.5m，箱梁内每5m设一道横隔梁。索塔为H型，塔柱为矩形截面，尺寸为2.5mx3.5m，基础为扩大基础。主缆中跨矢跨比为1/6，主缆直径54.3cm，由85根φ54mm镀锌钢丝绳组成，钢丝标准强度为1960Mpa，主缆由单根连续的钢丝绳绕过全部索鞍形成。吊杆采用121根φ7.1mm镀锌高强平行钢丝，强度为1670Mpa。塔顶设可滑动索鞍，锚固跨主梁内设两个可滑动索鞍和一个固定索鞍。可滑动鞍座下设聚四氟乙烯滑板，塔顶设置顶推钢结构装置，施工时利用千斤顶实现索鞍偏移。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院2、施工监控的意义自锚式吊桥为高次超静定结构，主缆和吊杆为主梁的主要承重结构，主缆线形和吊杆拉力决定着主梁和塔柱的受力状态以及桥面线形，主缆和吊杆必需严格按照一定的安装和张拉顺序、张拉力进行施工，才能实现设计状态。但是施工必然存在误差，因此施工需要专门的施工控制，施工控制人员在现场对主缆线形、吊杆索力、主梁应力、主梁线形、塔柱变形、塔柱应力和索鞍偏位等进行量测和计算分析，给出施工必需的各项控制数据，对该桥施工过程进行严格、科学的监测和控制，及时调整由于各种不定因素引起的索力和线形的偏差，避免误差的积累，使成桥状态的结构内力和主梁、主缆线形满足设计要求，保证施工期间结构的安全。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院3、初步拟定的施工程序根据施工单位提出的本桥施工方案，经过对本桥施工过程进行仿真模拟计算，并结合正在进行的模型实验已取得的成果，初步拟定了该桥主缆架设至成桥的施工程序，该程序大致可分为以下四个阶段：哈尔滨工业大学交通科学与工程学院（1）主缆架设及索夹安装在各索鞍按照设计位置安装后，开始进行主缆索股的架设，各根索股必须严格按照其编号顺序架设，并使索股上的标记与相应索鞍一一对应。1#索股（基准索股）钢丝绳架设完毕后，需严格检查各控制标记点的位置，在稳定的气温下测量主缆线形，根据测量获得的误差结果，进行索形的调整，并查明产生误差的原因，为以后的索股架设积累经验，最终使其线形满足设计要求。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院基准索股架设后，其它索股应同时利用控制点标记和基准索股的线形进行架设，各索股的接头放在准确的位置上，各索股的线形与基准索股应协调。主缆全部索股架设完毕后，进行紧缆。主缆紧缆后，开始安装索夹和吊索。索夹位置应按照设计编号和位置准确安装，索夹的高强螺栓应确保达到设计预拉力并使各螺栓受力均匀。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院（2）主梁脱模的吊索张拉吊索安装完毕，可进行主梁脱模的吊索张拉。由于受到各种因素的限制，如吊索长度、吊索承载力、张拉设备的能力和数量、索塔受力、主梁受力等，需要对吊索进行多次反复张拉，才能使主梁安全脱离支架。为了尽量减少吊索反复张拉次数、减少张拉接长杆的数量和长度、降低吊索的最大张拉力，并结合吊索和主梁的承载力，初步拟定张拉过程中采用8套张拉设备，吊索的最大拉力不超过300t，在此基础上，计算和实验表明，通过对全桥吊索进行四次张拉，然后对中跨的部分吊索进行调整，可以使主梁脱离支架。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院具体工作如下：1）首先将1#～13#吊索下端的螺母刚好完全戴到锚杯上。2）利用4套千斤顶对称依次张拉14#～28#吊索，完成吊索的第一次张拉。张拉过程中14#～20#吊索需要临时接长，张拉到位后可将螺母完全戴到锚杯上；21#～28#吊索（共30根）在第一次张拉结束后，仍需要接长杆，接长杆的长度约在12～80cm范围内（该值以温度15度为准，随施工温度不同而不同）。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院3）对全桥吊索进行第二次、第三次、第四次张拉，这三次张拉过程中，并非每根吊索均需张拉。全桥吊索四次张拉完毕并对中跨的部分吊索索力调整后，中跨主梁和边跨的大部分主梁已经脱离支架，边跨主梁在塔柱附近仍与支架接触，但支架的支承力已很小，可以安全拆除。4）在四次张拉过程中，需对塔顶索鞍顶推，经过6次顶推后，索鞍移动37cm，达到设计位置。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院5）整个张拉过程中，需对索塔变形、主缆线形、吊索拉力和伸长量、主梁标高进行严格的测量和记录。并安排固定人员，负责随时对索夹的高强螺栓的拉力进行严格地检查，发现有较大变化后，应及时施拧，确保索夹不发生滑移。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院（3）预制构件安装主梁脱模的吊索张拉过程完毕后（可拆除或不拆除支架），可以进行主梁预制悬臂梁和预制板的安装施工，安装顺序根据结构受力计算给定。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院实际上可以细分为13步1）主塔、边墩的施工哈尔滨工业大学交通科学与工程学院2）主梁逐段浇注（包括锚固跨）哈尔滨工业大学交通科学与工程学院2）主梁逐段顶推哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院3）主梁合拢施工哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院4）猫道、主缆安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院5）索夹安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院索夹的同主缆间的摩阻力、握裹力试验哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院5）索夹安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院5）索夹安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院6）吊索安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院6）吊索安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院6）吊索安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院6）吊索安装哈尔滨工业大学交通科学与工程学院7）张拉吊具（多次反复张拉，多次顶推索鞍）哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院7）张拉吊具（多次反复张拉，多次顶推索鞍）（???）哈尔滨工业大学交通科学与工程学院索鞍顶推滑移可以利用右图简化分析模型实现，节点1、2为主缆与鞍座切点，3、4分别与5、6为主从关系，3、4位于索鞍底两端，5、6与3、4横坐标相同，并位于塔顶位置。初始时刻，3、4位于空缆状态索鞍位置，随着施工过程中索鞍顶推，3、4坐标发生变化，变化值与顶推量相同，同时5、6坐标也发生响应变化，节点7为塔顶中心。单元①-⑤构成稳定桁架结构，模拟索鞍，单元⑥、⑦为刚臂，为支承结构，将索鞍作用转化为轴力与弯矩传递给主塔。单元⑧模拟索鞍与塔顶座板间摩擦力，并通过⑥将索鞍两侧不平衡水平力转化为塔柱单元剪力，单元⑧轴力即为主缆不平衡水平力。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通科学与工程学院主梁脱模问题：两种状态：（1）主梁各处恰好脱离支架，全部支反力为零，且主梁与支架间间隙为零。（2）使部分主梁脱离支架，出现一定间隙，其余部分尚由支架支承，但支承力很小，强行拆除后对结构安全无影响。优缺点：方法（1）可做到拆除支架后对结构无影响，而且在理论上这一状态唯一，但由于主梁重力等各方面参数误差，实际很难达到。方法（2）拆除支架对结构有影响，且状态不唯一，但可直观判断主梁与支架是否脱离。万新大桥如采用方法（1）各吊索力不相等，如采用相等吊索力，则中跨先脱离支架，边跨部分临时支墩仍存在压力。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院方法（1）控制主梁受力T与主缆拉力T相同，则主梁各支承反力Ri即相应的吊索拉力。但主缆拉力与吊索力有关，因此需要迭代逼近。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院方法（2）控制全部吊索拉力T脱相等，当吊索力达到T脱时，中跨主梁与边跨大部分主梁脱离支架，最大间隙为fmax，支反力最大值Rmax，此外还有另一个约束条件，索塔处支反力大于零。优化极值问题计算求得逼近于最优解的近似解maxmaxmin()[]..[][]RTRRstff脱支支maxmax=3243.6kN814.3kN=2399.5kN10.7cmTRRf脱支，，，哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨工业大学交通