武汉鹦鹉洲长江大桥上部结构线型控制关键技术

武汉鹦鹉洲长江大桥上部结构线型控制关键技术

任红军

中铁大桥局集团第六工程有限公司任红军

摘要：武汉鹦鹉洲长江大桥是继泰州、马鞍山桥之后，我国首座三塔四跨地锚式悬索桥，在目前世界同类型桥梁中跨度最大。

基于地锚式多跨悬索桥特点，该桥在吸取类似桥梁建设成功经验的基础上，不断更新猫道、主缆和加劲梁的线型控制技术，有效提高了成桥线型的精度。

关键词：悬索桥；上部结构；线型控制；技术1前言武汉鹦鹉洲长江大桥是继泰州、马鞍山桥建成之后，我国首座三塔四跨地锚式悬索桥，在目前世界同类型桥梁中跨度最大。

该桥全长3.42公里，主桥跨径布置为200m+2×850m+200m，设双向8车道，设计时速60Km/h，桥式布置见图1。

图1桥式布置图（单位：m）中塔比两个边塔约高18m，形成中塔与边塔不等高的布置，以解决因边跨与主跨的跨度差值过大而造成边塔两侧主缆拉力差值过大的问题。2根主缆均由114股PPWS预制平行钢丝索股组成，每根索股由127丝直径为5.25mm的镀锌高强钢丝组成。主缆的矢跨比为：主跨1/9，边跨1/35。

与两塔悬索桥相比，三塔悬索桥由于多了一个主跨和一个中塔，其结构行为特征主要表现在加载工况和主缆对桥塔的约束不同。由于主缆对中塔塔顶的约束较边塔弱，当一边主跨加载，另一边主跨少载或空载时，中塔两侧主缆将出现缆力差，所以施工过程中必须严格遵循对称性，切实提高上部结构线型控制精度。本文将结合武汉鹦鹉洲长江大桥的现场施工情况，对其上部结构线型控制关键技术予以简述。

2影响线型的关键因素悬索桥上部结构各组成构件无应力状态下几何尺寸的精确计算、工厂高精度预制和现场安装精度控制等是上部结构线型控制的关键。根据地锚式悬索桥特点，其上部结构线型现场施工控制的关键在于控制主缆的架设线型、在完成的空缆线型上确定吊索长度，故武汉鹦鹉洲长江大桥上部结构施工时着重对猫道、主缆和吊索这三大部分进行严格的线型精度控制。

3上部结构线型控制关键技术3.1猫道线型控制猫道是悬索桥上部结构施工中最重要的高空作业通道和场地，平行于主缆布置，直接影响整个上部结构施工各工序的质量、进度和施工安全。

3.1.1猫道结构类型的选择按承重索在塔顶的跨越形式，猫道可分为“连续式”和“分离式”，各特点对比如表1所示。

表1连续式和分离式猫道特点对比表序号主要对比项目连续式猫道分离式猫道1塔顶预埋件少多2对塔柱结构尺寸要求需求空间小需求空间大3线型调节装置少多4绳索锚固装置少多5塔柱顶水平力差相对缩小相对较大6对航道的影响小大7猫道架设效率较高较低8猫道改吊与主缆线型协调更好与主缆线型协调相对较差江阴长江大桥在国内首次采用连续式猫道，后来在润扬大桥通过实践。对于武汉鹦鹉洲长江大桥，综合考虑主塔柱截面尺寸、猫道承重索张力、桥塔顶水平力差等因素及施工便利的要求，采用了四跨连续式猫道。

3.1.2猫道线型控制影响猫道线型的主要因素有：承重索弹性模量的选取、承重索制造精度、承重索非弹性变形的消除、承重索安装精度和温差影响、猫道恒载偏差等。

3.1.2.1承重索弹性模量的选取猫道承重索通常采用公称抗拉强度1960MPa、6×36WS+IWR镀锌钢芯钢丝绳，其弹性模量理论值一般为1.2～1.3×105MPa，但为了更加准确的计算出猫道线型，应提前在工厂按批准的加工工艺预制3根试验索，然后对其弹性模量进行实测，以此作为线型计算的重要依据。

3.1.2.2承重索制造精度控制承重索制造长度是钢丝绳在规定温度下且承受20%最小破断拉力时测定的，设计长度按20℃计算，制造长度还须根据环境温度实时修正。索具测长在专用固定台座上进行，精度控制在L/5000～L/3000（L为索具两锚头净间距），同时在各桥塔、锚碇处对应中点位置采用双色油漆标记，以便现场安装。

3.1.2.3承重索非弹性变形的消除对钢丝绳进行预张拉处理，可有效消除承重索非弹性变形，如果不严格按要求操作会导致猫道架设后残余非弹性变形不断增大，使猫道线型发生变化。

钢丝绳预张拉工艺：预张拉控制拉力为钢丝绳最小破断拉力的50%；张拉次数为2次，相邻两次张拉后钢丝绳长度相差≤0.3‰为合格；每次张拉时间为60min；可分段重叠张拉，每段张拉2次达到要求后，再进行下一段张拉。

3.1.2.4承重索安装精度控制钢丝绳安装采取中点位置标记点对位和索的垂度进行双控，以索的垂度控制为主。上下游猫道承重索应对称架设，架设后随即进行线型调整，各根索的跨中标高相对误差控制在±30mm之内。

承重索线型调整时，应根据施工环境温度对线型进行温度修正，每根索自架设完毕后均须进行连续三天的反复测量调整工作。

图2猫道索垂度测量悬挂棱镜（单位：mm）3.1.2.5猫道恒载控制猫道恒载包括钢丝绳、面网、底板构件、横向天桥、猫道59道路桥梁2014年12期下KEXUEYUJISHU科学与技术门架、索股滚轮支架等构件自重。在制造加工过程中，均应对其重量进行全面核查，并根据实测值进行线型修正。

3.2主缆线型控制影响主缆线型的主要因素有：索鞍位置、基准索股线型、一般索股线型和锚跨张力。

3.2.1索鞍位置边塔主索鞍位置是随施工阶段和工况而变化的，目的是控制桥塔塔顶位移以保证结构受力安全和后期成桥线型。安装初期，索鞍向边跨侧预偏，随着加劲梁的架设将索鞍逐步向中跨侧分阶段顶推直至复位（索鞍与桥塔中心重合，达到成桥状态）。

在悬索桥的施工中，主索鞍预偏量的计算精度和准确性决定施工控制的成败。索鞍位置确定之前须采集后期上桥各构件的实际恒载情况（主要包括主缆索股、主缆缠丝、吊索、索夹、加劲梁等重量）、对边塔顶鞍体与底座板间的摩擦系数进行测定、对塔柱和锚碇位置进行稳定观测，根据以上数据采用牛顿—拉斐森迭代法计算出索鞍预偏量。索鞍分阶段顶推量系根据桥塔受力分析结果具体确定。

3.2.2基准索股线型基准索股是否能精确定位，关系到整个悬索桥成桥主缆线型是否能达到设计标准。采用悬链线理论对基准索股理论计算垂度在温度、塔偏、主塔预抬量影响下进行修正，根据影响因素变化量进行修正得到基准索股实际架设垂度，通过调整每跨跨内索长来进行线型调整。

基准索股线型调整须选择在温度相对稳定（长度方向索股的温差不大于2oC，断面方向索股的温差不大于1oC）、没有雨雾、风速不大于3.3m/s的夜间进行。

基准索股的线型采用绝对垂度进行调整，先调主跨后调边跨，调整完成后，须连续7天对其线型进行稳定观测及修正处理，在确认索股线型稳定且架设误差满足规范要求后，调索工作即为完成，及时做好滑移标记并进行连续监测。

图3基准索股垂度测量特制棱镜（单位：mm）3.2.3一般索股线型按以往施工经验，一般索股均根据若即若离的原则控制与基准索股的相对高差并进行安装，施工中一般规定待调整索股与基准索股距离误差小于5mm即可认定索股调整完毕。有文献表明，悬索桥主缆索股采用不同空隙率架设，紧缆后的空缆线型几乎一致，但对索股张力有一定影响。

武汉鹦鹉洲长江大桥考虑到架设索股必然存在不同程度的扭转，受正六边形索股断面的限制，角点相互抵触将导致索股间实际间隙过大，如按若即若离的原则进行相对高差控制则不合理，故提出在被调索股与基准参考索股之间进行温差修正，使理论计算更为科学合理，同时进一步提高了索股架设精度，从而使主缆空隙率和索股张力均得到有效控制。具体做法如图4：

图4一般索股线型调整示意图一般索股相对于参考索股的高差控制如下：△Hk，i=△Hk-△Hi-KT△Tk，i-△hi式中：k为被调索股所在的层号，从1开始；i为参考索股所在的层号，从0开始；△Hk为k层索股相对于基准索股的理论相对高差；△Hk，i表示k层索股相对于i层索股的计算相对高差；KT为温差修正系数；△Tk，i为被调索股与参照索股平均温度之差（△Tk，i=Tk-Ti）；△hi为参考索股的架设误差（△hi=△Si，0-△Hi+KT△Ti，0），其中△Si，0为实测参考索股与基准索股的高差，△Ti，0为实测参考索股与基准索股的平均温度之差，△h0为0。如△Si，0无法实测，则△hi可取参考索股被调完成时的误差。

3.2.4锚跨张力锚跨张力如控制不好，易出现较多不良后果：散索鞍约束解除后，边跨线型可能发生变化；索股可能在鞍槽内滑动；型钢锚杆上的不平衡力影响锚固系统的安全；索股受力不均，降低主缆整体安全系数。

武汉鹦鹉洲长江大桥索股张力施工主要采用液压张拉千斤顶且在夜间气温较为稳定的时间段内进行，标定测力精度不低于0.3级，压力表精度不低于0.25级，千斤顶校验系数不大于1.03，使用前对顶、表、泵配套标定。索股张力测试主要借鉴斜拉桥的经验采用弦振法进行。

3.2.5空缆线型确定空缆线型须对以下部位或项目进行高精度测量：各分跨IP点、各跨跨中、1/4、3/4的位置、标高；主缆竖径、横径（大游标卡尺测量）及跨径；桥塔偏位、散索鞍偏位；各跨主缆平均温度；桥塔标高变化量；主缆跨中上下游相对高差等。

主缆紧缆施工完成后，选择在夜间风力小、没有雨雾、温度稳定的时间段内进行空缆线型测量，直接测出指定位置主缆天顶线的标高，并实测该处缆径并通过几何关系换算出主缆中心坐标，对成缆线型连续7天稳定测量，测量数据作为确定索夹安装位置和吊索制造长度的重要依据。

3.3加劲梁线型控制悬索桥的加劲梁线型主要由空缆线型、吊索长度及加劲梁上的恒载决定，一旦索股架设完成，空缆线型就已确定，吊索架设完成后，加劲梁的线型就已经确定。

以加劲梁的理论线型为目标状态，利用主缆实际的架设线型和较准确的加劲梁恒载，考虑主缆的架设误差，精确计算出调整后的吊索长度，经设计方复核确认后，委托专业加工厂家生产，并通过严格监理确保吊索的制造精度，检查合格后方可上桥安装。

吊索的安装精度主要取决于索夹的安装精度，索夹放样是悬索桥施工中至关重要的一个环节，直接影响成桥线型与结构受力。

索夹施工放样在主缆紧缆完成且主缆线型稳定后进行，根据实测的各跨跨径、索塔塔顶水平偏位、索鞍预偏量、索鞍IP60道路桥梁2014年12期下KEXUEYUJISHU科学与技术点高程及主跨跨中高程，采用悬链线精确计算方法为索夹施工放样提供数据。为减小因温差引起的索夹放样误差，索夹放样必须选择在夜间风力小、没有雨雾、温度稳定的时间段内进行。

在索夹放样之前，先根据监控计算的索夹位置进行放样数据计算。放样数据计算内容包括：（1）吊索中心线与主缆中心线交点在空缆状态下的坐标；（2）吊索中心线与主缆天顶线交点的坐标；（3）吊索中心线与主缆天顶线交点到索夹两端的距离。

吊索中心线与主缆中心线交点在空缆状态下的坐标，需根据实测的主缆空缆线型计算得出。天顶线交点到索夹两端的距离，不同位置的索夹，其数值不同，且同型号的索夹，其数值也有差别，如图5所示。

图5索夹定位控制示意图L1=A-R×tgaL2=B+R×tga式中：A、B——两吊索中心线与主缆轴线交点到索夹两端的距离（同一索夹A、B为常数）；a——空缆状态下索夹位置的水平倾角；R——空缆截面半径；L1、L2——两吊索中心线与主缆天顶线交点到索夹两端的距离。

索夹放样总体思路：首先在索夹位置放样出主缆天顶线，再放样出吊索中心线与主缆天顶线的交点，最后采用量距法确定索夹两边缘的位置，并对确定的位置现场标定。

在索夹放样前，先测出塔偏、跨距变化量，同时计算塔偏变化量与跨距变化量是否吻合，以检测仪器及观测环境的稳定性。然后，根据索夹设计数据放出索夹的粗略位置，采用主缆分中的方法确定主缆天顶线（见图6）并量取该索夹位置主缆直径；根据实时测得的跨径变化量、主缆温度和缆径计算索夹实时坐标，进行索夹位置放样。其中，由于风、温度对塔偏的影响，每隔2h应重新测量塔偏与跨距，并根据跨距与主缆温度实时调整索夹标记点的位置。

图6主缆天顶线放样示意图为加快夜间放样的速度，在主缆线形定型后，白天沿主缆的曲线把索夹的粗略位置在主缆上作临时标记。晚上索夹放样时，采用两台精密全站仪同时进行，一端逐个放到另一端，再从另一端复核测量回来，同时需注意跨中间的索夹是否位于跨中点。

索夹放样完毕后，检查所有索夹的放样点，主要采取两种手段：①将仪器和测量人员互换进行换手测量检查放样点；②采用相对距离法检查，主要检查同一主缆上各索夹间的相对距离，将实测距离与设计距离相比较，从而评定索夹放样精度。

相对距离法检查采用精密全站仪，将仪器架设在控制点上，先对中央索夹的位置进行检查，然后从中央索夹开始分别测量出各索夹到塔顶的水平距离。由于各索夹之间的距离较短，各边长的投影改正很小，因此观测边长不再作投影改正。由于只比较索夹之间的相对位置，塔柱位移和温度变化的影响可看作系统性差异而不作改正。

3.4几何线型测量控制高精度的几何线型测量确保成桥线型的精度，悬索桥几何变形测量控制主要包括主塔和锚碇偏位、索鞍位置、猫道索线型、主缆基准索股线型、主缆线型、索夹安装位置、加劲梁标高及中线等，武汉鹦鹉洲长江大桥所采取的主要控制方法及手段见表2：

4结语武汉鹦鹉洲长江大桥在吸取类似悬索桥建设成功经验的基础上，不断更新猫道、主缆和吊索的线型控制技术，通过精细化的监控计算和现场施工控制，大大提高了成桥线型的精度，为地锚式多跨悬索桥上部结构线型控制积累了宝贵的经验。

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