某地錨式懸索橋基準索股架設監測與控制

焦明東， 陳厚淞

(1.上海同濟檢測技術有限公司， 上海 200092；2.中國水利水電第八工程局有限公司， 湖南 長沙 410004)

懸索橋尤其是地錨式懸索橋是目前特大跨徑橋梁選型中的首選。懸索橋的主梁線形主要由空纜線形、吊索長度及主梁上恒載決定，一旦索股架設完成空纜線形就已確定，吊索架設完成則主梁線形已確定。作為懸索橋的主要承重結構，主纜架設是整個橋梁建設中非常重要的環節，架設精度決定橋梁線形和合理成橋狀態。主纜的線形控制包括基準索股線形控制和一般索股線形控制。索股線形控制主要通過索股垂度測量和分析進行，主要包括基準索股的絕對垂度測量和一般索股的相對垂度測量，其中一般索股以基準索股為基準進行控制，因而基準索股的絕對垂度測量和控制是主纜架設的重要環節。本文在分析基準索股測量內容及絕對垂度測量方法的基礎上，對基準索股垂度測量精度、基準索股穩定性進行分析。

1 工程概況

某地錨式懸索橋跨越區域性河流，是某高速公路的控制性工程。橋梁全長1 366 m，跨徑布置為(3×40+4×40+3×50) m T梁+(3×50+3×50) m鋼板組合梁+700 m懸索橋+2×40 m T梁，主橋為單跨700 m簡支鋼箱梁懸索橋，其總體布置見圖1。

圖1 某地錨式懸索橋的整體布置(單位：m)

主橋為雙塔三跨雙索面懸索橋，跨徑700 m，主纜跨徑布置為(310+700+175) m=1 185 m。主纜設上下游2根，采用預制平行鋼絲索股，通過PPWS法編織而成。每根主纜由85根索股組成，每根索股由127根φ5.0 mm預制平行鋼絲組成。

為使主纜架設線形與設計線形無限接近，對施工過程中主纜線形進行精確測量和控制。鑒于基準索股是一般索股架設中調整的基準，對架設過程中基準索股的絕對垂度進行精密測量和控制，保證基準索股的線形符合設計要求，為主纜架設精度打下基礎。

2 基準索股絕對垂度測量內容分析

基準索股絕對垂度測量中，首先要確定基準索股，然后進行絕對垂度測量。垂度測量主要包括基準索股的絕對垂度測量、上下游基準索股相對垂度測量和基準索股穩定性觀測。

2.1 基準索股的選擇

主纜由基準索股和一般索股組成，線形控制包括基準索股的絕對垂度控制、一般索股的相對垂度控制。鑒于基準索股線形是一般索股線形調整的基準，選擇基準索股應充分考慮設計、施工等因素。具體如下：1) 索股處于相對自由狀態，受其他索股影響較??；2) 先行架設，便于作為基準控制其他索股的相對垂度；3) 每根基準索股校核一定數量的一般索股；4) 如果一根基準索股受影響，則根據其他基準索股對全部索股進行分組控制?？紤]上述因素，選擇該橋1#索股作為基準索股。

2.2 基準索股的絕對垂度測量

基準索股牽引到位后，對準基準索股標志點、主索鞍中心標志點和散索鞍中心標志點，在溫度相對穩定的時刻進行索股絕對垂度測量，并根據基準溫度對索股線形進行修正。測量過程如下：

(1) 選擇溫度相對穩定的時刻進行測量，要求索股長度方向溫差ΔT≤2 ℃，橫截面索股溫差ΔT≤1 ℃。

(2) 測量基準索股跨中標志點、主邊跨散索鞍中心標志點、主索鞍中心標志點的里程和標高。

(3) 將絕對垂度實測值與當前狀態下基準索股絕對垂度理論計算值相比得到差值，計算得到主索鞍處索股需調整的索長，反復調整直至中跨垂度滿足限差要求。

(4) 中跨絕對垂度調整完成后，及時調整邊跨絕對垂度，調整程序和控制要求與中跨相同。

(5) 中跨和邊跨絕對垂度調整完成后，及時調整和控制錨跨張拉力。通過壓力傳感器測試錨跨索股張拉力，并與千斤頂油壓表讀數相互校核。

2.3 上下游基準索股相對垂度測量

作為懸索橋的主要承重結構，上下游主纜線形的對稱程度對主梁結構的合理成橋狀態和承載能力有較大影響，有必要對上下游主纜基準索股的相對垂度進行測量和調整。方法如下：

(1) 在邊跨跨中和中跨跨中各搭設一條軟管連接上下游基準索股，保持兩端液面在索股同一位置。

(2) 利用鋼板尺測量液面距索股跨中點高度，計算上下游基準索股的相對高差。

(3) 反復調整，直至高差滿足規范和工程要求。

2.4 基準索股穩定性觀測

鑒于基準索股受溫度、風力等環境影響較大，對不同時刻基準索股絕對垂度進行測量并進行穩定性對比分析。

(1) 基準索股調整完成后，觀察基準索股各控制點高程，如誤差在允許范圍內，則調整結束。

(2) 基準索股調整結束后，連續觀察3 d，每天至少測量4組索股的垂度有效數據。

(3) 若控制點高程與目標高程之間誤差不大或誤差可接受，則認為基準索股架設完成，取多次測量結果的算術平均值作為基準索股的最終線形。

3 基準索股絕對垂度測量方法

鑒于該地錨式懸索橋的地形條件復雜、施工設施上不易架設水準儀，選擇全站儀三角高程法測量基準索股的絕對垂度。

3.1 測站設置

基準索股的絕對垂度測量分為3個部分，分別為邊跨1、中跨、邊跨2，合計2個測站，站點布置見圖2。

(1) 邊跨1的測站為位于小里程側的JM01(測站1)，為首級控制網點，設計為強制歸心觀測墩。該測站用于測量邊跨1索股的垂度及小里程側主塔塔偏和塔頂標高，用來進行索股垂度修正。

(2) 由于中跨跨徑較長，且地錨式懸索橋對中跨主纜線形的要求較高，選擇大里程側測站JM04(測站2)進行中跨主纜線形測量，設計為大里程側混凝土強制歸心觀測墩。該測站主要用于測量中跨索股垂度。

(3) 邊跨2的測站為位于大里程側的JM04，與中跨主纜垂度測站一致，用于測量塔偏和塔頂標高及邊跨2的索股垂度。

圖2 基準索股測量測站點布置

3.2 跨中控制點的確定

懸索橋主纜基準索股測點位于跨中，如果索股線形發生變化，則跨中測點的高程和里程會發生變化。選擇索股監測點的方法有2種，對應不同的計算方法和調整方法。第1種方法是固定跨中里程位置，僅測量該里程處索股標高，根據解析結果調整索股，直至該里程處索股標高與目標控制值的偏差滿足規范和工程要求。第2種方法是標記跨中索股主跨中點，將棱鏡放置在索股上固定位置，同時測量里程和高程，并根據計算結果調整索股里程和高程，直至標志點里程和高程均達到目標控制值。2種方法的控制點見圖2，棱鏡固定見圖3。

圖3 索股監測點選擇中控制點示意圖

圖4 棱鏡固定示意圖

2種方法均能實現高精度的施工控制，其優缺點：1) 第1種方法僅控制索股在固定里程處的標高，施工操作簡單；缺點是僅測試高程數據，無法為后期箱梁架設提供有效的測量基準點。2) 第二種方法索股標記點位置確定，且該點的里程和高程可根據溫度和塔偏情況進行修正，其首要任務是對該點進行精確放樣。索股線形調整過程中，先計算里程和高程變化量，然后結合2組測量數據對索股偏差進行計算和分析。該方法的缺點是每次索股調整后需進行標記點重新放樣。該橋基準索股監測和控制中采用第2種方法測量基準索股的里程與標高。

4 基準索股垂度測量結果分析

為評價主纜基準索股測量與控制精度，為主纜線形控制打下基礎，對基準索股絕對垂度測量精度和現場穩定性進行分析。

4.1 測量精度分析

單向三角高程測量時，計算測站1與測站2高差hab的公式如下：

hab=Sab×tanα+ia-vb+f

(1)

式中：Sab為左岸測站距索股跨中的最近距離，Sab=600 m；α為豎直角，約為2.3°；ia為測站1的儀器高；vb為測站2的覘標高。

將式(1)全微分并轉化為中誤差關系式：

mh=

(2)

式中：ms為測距精度；mα為測角精度；mia為儀器高精度；mvb為覘標高精度；mf為三角高程與水準點高程的差值。

該項目基準索股絕對垂度測量采用萊卡全站儀TM60，其標稱精度為1+10-6、0.5″，則ms=±1.6 mm，mα=±0.5″。儀器高利用精密水準尺采用小角度法測量，mia=±0.2 mm。目標高采用固定棱鏡桿測量，mvb=±0.5 mm。

測量過程中，由于大氣折光系數測量精度較低，為最大程度削弱大氣折光的影響，在小、大里程側埋設二等水準點，架站后在小、大里程側觀測對向水準點，計算大氣折光系數進行修正，保證所測三角高程與水準點高程差值控制在±5 mm，則mf=±5 mm。取2倍中誤差為極限誤差，則主跨垂度測量誤差區間為(-10.48 mm，+10.48 mm)，能滿足索股架設的設計精度要求。測量精度分析結果見表1。

表1 測量精度分析結果

根據JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術規范》，懸索橋主跨主纜基準索股跨中高程精度要求為±20 mm，邊跨基準索股跨中高程精度要求為±50 mm，該橋邊跨1、中跨和邊跨2的絕對垂度測量精度滿足要求。

4.2 基準索股的穩定性觀測結果

基準索股受不均勻光照和風的影響處于動態平衡狀態，為保證基準索股架設線形的精度，剔除環境中各種不利因素，選擇多次測量結果評價基準索股絕對垂度的穩定性來評價基準索股的架設精度。

基準索股架設完成后，進行持續3 d的基準索股穩定性觀測?？紤]溫度、塔偏和塔高的影響，對基準索股絕對垂度進行修正，得到當前狀態下理論絕對垂度，并與基準索股的實測絕對垂度對比，得到基準索股的相對垂度差(見表2)、中跨索股絕對垂度差值變化(見圖4)。

表2 基準索股的絕對垂度差 mm

圖5 中跨索股絕對垂度差值變化

由表2可知：邊跨1的絕對垂度差最大值約為+18 mm，中跨絕對垂度差最大值約為-19 mm，邊跨2絕對垂度差最大值約為+11 mm，滿足邊跨精度要求。由圖5可知：上下游主纜變化趨勢一致，絕對垂度變化與溫度變化具有一定的規律，說明主纜線形及受力處于合理狀態，所采用的基準索股監測和控制方法有效。

5 結論

通過對某地錨式懸索橋基準索股絕對垂度的測量，得到如下結論：1) 將該橋1#索股作為基準索股，能滿足施工、測量和控制要求；2) 固定跨中里程位置作為絕對垂度控制點，更能適應懸索橋主纜控制要求；3) 測量精度分析結果顯示，測站設置和測點選擇能滿足相關規范要求；4) 基準索股穩定性觀測結果顯示，在溫度保持穩定的情況下，基準索股的絕對垂度變化符合規范要求。分析中未考慮施工過程中溫度不均勻、風力等外界因素，需考慮這些外界因素進行進一步分析研究，提高懸索橋基準索股監測和控制精度。