苏通长江大桥钢锚箱安装控制方法研究

　文章编号:1671-2579(2008)06-0101-03

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苏通长江大桥钢锚箱安装控制方法研究

张永涛1,2,罗承斌1,2,吴启和1,2

(1.中交第二航务工程局有限公司,湖北武汉　430014;2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室)

　　摘　要:苏通长江大桥在国内首次采用钢锚箱结构,由于首节钢锚箱位于225.9m高空,通过精度分析,仅控制制造精度无法保证钢锚箱现场安装精度要求,通过在每次安装钢锚箱间设置调整垫片实现现场安装线形调整,经苏通长江大桥实践获得了很好的控制效果。该文主要研讨了钢锚箱总体控制系统、误差分析与线形调整技术。

关键词:苏通大桥;斜拉桥;索塔;钢锚箱;施工控制

1　引言

苏通长江大桥是主跨1088m的世界第一大跨径斜拉桥。索塔为倒Y形结构,包括上塔柱、中塔柱、下塔柱和下横梁。中下塔柱和横梁均为混凝土空心箱梁断面,上塔柱斜拉索锚固区采用钢锚箱-混凝土组合结构,塔高300.4m(图1)。

钢锚箱相对于钢塔柱,结构刚度较小,在制作和安装过程中结构本身的变形较大。国内外桥梁钢索塔施工经验表明:制造精度是控制现场安装精度中最重要的一环,现场安装是制造的再现。与钢塔柱相比,钢锚箱底座安装位于高空,钢锚箱底座标高为+225.9m,受环境因素的影响,安装精度控制难度非常大。

钢锚箱安装精度要求:①为了控制斜拉索锚固点位置偏差,锚箱中心线的总体误差容许值为20mm;②首节钢锚箱倾斜度的容许误差为1/3000。钢锚箱截面中心线与混凝土截面中心线的相对位置偏差应不大于±5mm。

按照目前国内外钢塔柱/钢锚箱施工理念,现场安装误差主要来源于制造精度、首节段/底座安装精度两部分。苏通长江大桥钢锚箱制造和安装过程中出现的最大误差见表1。从理想状态(未考虑由于温度修正、测量带来的不确定因素引起的影响)来看:在未考虑施工误差的情况下,30个钢锚箱安装完成时的总体倾斜度累计误差已经超出了20mm的设计要求。为实现

表1　钢锚箱安装精度分析

误差来源首节钢锚箱安装钢锚箱制作

精度要求

轴线偏位:±5垂直度:±H/3000垂直度:±H/4000

mm

塔顶误差

±5±27±20±52

塔顶最大误差包络

图1　索塔结构图及施工节段划分图

收稿日期:2008-11-16

基金项目“:十一五”国家科技支撑计划项目(编号:2006BAG04B04)作者简介:张永涛,男,硕士,高级工程师.E-mail:kiptom@vip.163.com

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锚箱安装精度控制在允许范围内,必须在钢锚箱中间设置调整段,对钢锚箱安装过程进行监控,根据监控结果做出必要的调整。

4　钢锚箱安装控制

4.1　首节钢锚箱安装控制

2　总体控制系统

钢锚箱控制方法的总体思路是在计算分析阶段、

制造阶段、安装阶段分别按一系列的工作程序,实施严格的几何线形控制,从而达到预期的线形目标。钢锚箱安装控制方法的总体流程见图2。由于施工中先进行钢锚箱安装、后进行混凝土浇筑。一旦钢锚箱位置确定后,混凝土浇筑节段的位置即确定,精确安装首节钢锚箱对于控制整个上塔柱钢锚箱的几何线形极其重要。钢锚箱安装并与螺栓相连接后,将与预拼装中已经建立起来的几何线形保持一致。为确保钢锚箱的位置及其倾斜度,首节钢锚箱安装位置要求很高。在首节钢锚箱的短轴方向(横桥向),水平承压钢板之间的距离是2.5m。两个钢板之间的最大相对高差为1/3000×2500=0.84mm,由此得到两钢板的安装误差为±0.4mm。钢锚箱将安装于4个的水平承压钢板上,其中平面偏差应该小于0.4mm。可见首节钢锚箱控制难度之大。为此,需对首节钢锚箱安装位置进行反复调整。由于首节钢锚箱位置决定了斜拉索锚固点高程,除平面位置外,高程也是控制关键。首节钢锚箱安装程序如下:①收集索塔基础沉降资料,分析基础沉降与荷载的变化曲线图,预测成桥阶段基础沉降总量;分析混凝土收缩徐变和弹性压缩量,根据这两方面确定首节钢锚箱锚箱高程的补偿值;②在锚箱底座附近建立水准点,进行高程传递,通过控制底座高程达到控制首节钢锚箱高程的目的;③在底座上放出首节钢锚箱的轮廓线;④底座灌浆后,安装首节钢锚箱。在钢锚箱底部设置三向调位系统,可实现X、Y、Z三个方向的精确调整,系统调整精度应控制在1mm以内。首节钢锚箱的倾斜度通过设置在底座上的垫片数量调整,垫片厚度控制在0.2mm以内;⑤在夜间温度稳定时,测量两个追踪棱镜,定位钢锚箱顶全站仪(测站),进行钢锚箱上控制点的测量,同时进行环境监测;⑥进行环境修正后,分析控制点高程误差和平面误差,若超出精度控制范围,提出调整措施,在夜间温度稳定时进行调整,经过几次“调整-测量-误差分析”循环,可确保首节钢锚箱精度满足要求。4.2　其他钢锚箱安装控制

图2　钢锚箱控制方法的总体流程

3　钢锚箱制作控制

钢锚箱预制控制的主要目标:锚箱垂直对接且不

需做螺栓连接点调整,确保斜拉索锚垫板位于正确的位置和方向,以及钢锚箱总作垂直度。在钢锚箱制作过程中,引入了精度控制理念,即根据已完成制作的钢锚箱单节段的长度、端面垂直度及预拼装等控制点的测量结果,建立数字化仿真线形控制模型,动态显示已完成的制作线形误差,而且能够及时给出修正信息,预测钢锚箱的总拼装误差,并根据预测结果指导后续节段的加工,实现对钢锚箱总作线形的控制。钢锚箱制作、预拼装控制点布置和测量控制见图3。

其他钢锚箱安装时分组安装控制。每一组钢锚箱

完成后,需要进行竣工测量,测量方法和首节钢锚箱相同,为获得更高精度的测量数据,测量次数应不少于两次,测量时间选在夜间温度稳定期间,同时进行环境监测。钢锚箱安装程序见图4。

图3　钢锚箱制作控制总体示意图

　6期　苏通长江大桥钢锚箱安装控制方法研究　

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②当前阶段钢锚箱完成后,当前阶段安装总体倾斜角度为:

ΔYN-Δδ0N

θ1=

Hi

(4)

图4　其他钢锚箱安装工作程序

③预测分析后续节段安装误差:

ii

ΔYi=(θΔδ1-θ0)・Hi+δi+(0-δ0)(i>N,取

(5)整数)

5.2　钢锚箱安装线形调整钢锚箱安装允许误差值较小,而测量误差、钢锚箱之间连接施工误差等客观存在,调整过程就显得非常重要,调整原则为:控制钢锚箱的总体走势,使得下一组钢锚箱安装时不能向不利方向继续发展。

钢锚箱误差调整通过调整当前阶段钢锚箱顶端面平面角度实现,调整后,后续钢锚箱安装误差预测为:

i

ΔYip=ΔYi-θ(Hi-HN)(i>N,取整数)(6)1・

5　钢锚箱安装过程中误差分析与调整钢锚箱安装过程中极有可能会出现误差超出允许范围的情况,因此,需要进行误差分析和调整。由于安装完成的钢锚箱无法进行调整,调整的主要对象为未安装钢锚箱。

5.1　钢锚箱安装误差分析

(1)当前阶段(N)误差分析。经环境因素修正

6　控制效果

苏通长江大桥钢锚箱分8组安装,每组之间设置12mm厚垫片,通过打磨垫片厚度进行线形调整。实施过程中,北索塔只在8与9、15与16号钢锚箱间打磨了垫片厚度,南索塔在11与12号钢锚箱间打磨了垫片厚度。钢锚箱安装控制效果见图5。从控制效果看,苏通长江大桥钢锚箱安装控制取得了很好的效果。

后,每一次竣工测量后分析的误差为:

θ

ΔY(N1)=Y(N)′-Y(N)

(1)

式中:ΔY(N1)为当前(N)阶段误差;Y(N)′为经环境因素修正后的当前(N)阶段实际线形;Yθ(N)为当前(N)阶段理论线形。

由于几何测量和环境监测数据存在误差,为提高控制精度,要求进行两次或更多次测量,两次测量数据应满足|ΔY(Ni)-ΔY(Ni-1)|≤5mm的要求。经过多次数据采集和误差分析后,当前阶段(N)线形误差为:

ΔY

N

=

1n

n

ΔY(Ni)・∑

1

(2)

(2)预测分析。由于钢锚箱在安装过程中不可避

免地出现倾斜,需预测未来钢锚箱可能出现的最大误差,以通过调整进行纠偏,确保钢锚箱安装过程中倾斜趋势能够得到控制。钢锚箱安装预测分析需知道首节δ钢锚箱安装误差(Δ当前阶段钢锚箱安装误差0)、

(ΔYN)和钢锚箱制作完成后的总体线形误差(δi)。

图5　索塔钢锚箱安装结果

误差预测分析步骤如下:

①制造完成后,当前阶段钢锚箱制作误差(δN)与

首节钢锚箱制作误差(δ0)造成当前阶段总体倾斜角度为:

N

θ0=

参考文献:

[1]　尼尔斯J.吉姆辛.缆索支承桥梁———概念与设计(第2

版)[M].北京:人民交通出版社,2002.

[2]　戴永宁.南京长江第三大桥钢索塔技术[M].北京:人民

δN-δ0Hi

(3)

交通出版社,2005.

[3]　SATOUYoshiyuki.ErectionofTataraBridge[R].IHI

EngineerReview,2003:65～84.

式中:Hi为首节钢锚箱顶部到当前钢锚箱顶部高差。