大跨度悬索桥施工的控制管理

大跨度悬索桥施工的控制管理

摘要：我国近现代悬索桥在20世纪末开始大规模建设，经过20多年的发展，已经取得了举世瞩目的成就，建成了一大批具有代表性、里程碑式的世界知名悬索桥。尤其是进入21世纪以来，我国修建了一系列具有世界高水平的悬索桥，在世界最大跨径的悬索桥前20位中，我国占据了半数，标志着我国的悬索桥建设水平已经跻身于世界先进行列，部分领域已达到世界领先水平，我国的悬索桥建设实现了跨越式的发展。悬索桥具有造型优美、跨越能力强等特点，在桥梁建设中得到广泛应用，特别是随着经济、技术、材料的发展，千米级以上大跨度悬索桥在跨江、跨海时得到了大量采用，桥梁建设已进入一个跨度不断突破的时代。

关键词：大跨度悬索桥；施工管理；措施

引言

本文以大连南部滨海大道工程项目作为研究对象，分析大跨度悬索桥施工控制中的不足之处，并探究大跨度悬索桥施工控制的计算理论，系统分析该工程施工控制管理的措施与方法，全面提高大跨度悬索桥施工的控制管理质量与水平。

1大跨度悬索桥施工控制的主要内容

1.1施工监控数据采集与分析

包含桥塔的弹性模量、面积、实际强度、实际完成三维坐标等资料的收集与测量；锚碇的实际完成三维坐标的测量与变形监测；主缆材料弹性模量与面积、丝股弹性模量与

面积等参数的收集与对成桥影响的分析；加劲梁实际重量、铺装材料容重等参数的收集与分析。

1.2上部结构施工全过程的监控计算

上部结构的施工过程包括猫道施工、主缆架设、索夹安装、加劲梁吊装、加劲梁线形调整与焊接和桥面铺装等过程，监控计算需为施工方案和相应施工措施的制定提供指导。

①桥塔顶位移控制参数分析

通过测试和计算分析，确定边塔各截面的强度控制参数，提出桥塔顶位移的控制指标。

②猫道架设过程的监控计算

根据猫道施工流程，对猫道施工的全过程进行计算分析，提出架设承重索、架设横向通道面层等各阶段的承重索控制线形、桥塔顶的控制位移，提出施工控制建议和措施。

③主缆架设过程的监控计算

包括：主缆索股无应力下料长度计算；索鞍预偏量及基准丝股线形计算；基准丝股线形调整参数及锚跨张力控制；一般索股的监控计算；索夹安装位置监控计算；边塔顶主索鞍顶推方案设计。

④加劲梁施工过程计算

包括：吊索制作长度计算；吊装方案分析及控制计算；各梁段吊装过程的计算；吊装状态线形分析与实测对比分析；合龙方案计算与控制分析；边塔顶主鞍座的顶推计算；无索区加劲梁线形调整控制计算；焊接线形监控计算。

⑤桥面铺装和成桥阶段的监控计算

根据桥面铺装机械和设备情况和拟定的施工流程，计算铺装阶段桥塔、加劲梁的结构内力与变形，提出施工控制建议。

2大跨度悬索桥施工控制管理计算理论

要想提高悬索桥的控制管理质量，就要计算悬索桥的具体施工阶段的控制参数，根据控制参数来确定具体的施工控制手段。现阶段，大跨度悬索桥施工控制管理主要应用有限位移理论，这一理论建立在传统计算理论的基础上，对其进行补充、优化，以此来确保获得更加准确的控制参数。有限位移理论的应用促使桥梁施工结构控制参数更加准确，同时也能够解决弹性理论和挠度理论无法解决的问题。在分析悬索桥的施工结构时，按照假定的单元变形与节点位移之间相同或是不同的关系，来获得控制参与。

悬索桥施工控制管理分为先期控制以及施工过程控制。先期控制主要是其预防检测作用，可以通过最初的测量获得大桥的设计理想状态，在其中主揽起到定性作用，一般悬索桥的主揽安装完成，大桥的基本框架也就成立。要想确定主揽锁夹位置，应用抛物线方程： ，横载水平力为 ，假设已知主揽索夹之间的距离，近期带入方程，即可得到索夹的设计初始位置，在实际的桥梁施工中，要尽可能的还原设计初始状态。当大桥的基本标高基本确定后，就要对后期的施工过程进行控制，主要是进行后期调整，促使施工的各项指无线接近设计要求，在这一过程中，应用有限元方法通过仿真模拟来获得大桥成桥状态下施

工结构的基本参数，将其与设计参数进行比较，通过精度调整，反复修改假，定值，直到计算参数满足精度设计要求为止。

3大跨度悬索桥施工控制管理方法

3.1加强施工控制管理

施工先期，就要建设施工控制体系，以便于实施监控。首先，施工单位要成立施工控制管理领导小组，按照权责发生制，建立质量责任制，落实责任到人，智联管理、控制小组的人员都是专业的质量测量人员，能够把控整体的控制流程，明确职责，切实提高悬索桥的施工控制与质量管理工作效率。在施工控制小组的组建上，要明确领导的权责，一般由项目经理部拟建立内部监理体系，为具体的施工控制以及质量管理工作提供发展方向，并及时指导相关人员的工作，确保施工控制管理工作顺利实施。其次，还要求工程单位建立强有力的现场质量管理组织机构，能够明确施工控制的基本流程，制定相关的质量控制责任制度，能够切实落实施工控制管理工作。组织机构的人员，可以从公司施工控制管理部们中选择，确保人才优势和工作质量。

3.2加强主揽安装控制

大连南部滨海主桥的施工过程中，要加强主缆的安装控制。对其进行控制确保主揽的垂度满足现代设计要求，保证主缆的初始安装位置能够在自重作用下达到设计理想状态。主缆的安装控制包括两个过程，先进行基准索股的安装，将其按照计算出的初始位置参数确定安装位置，然后化以基准索股作为参照完成其余索股的安装，所以，主揽安装中，先要确定基准索股的安装位置，这是施工控制的第一要务；当基准索股安装完成后，应用灰色理论、卡尔曼滤波法等理论观测线形的变化，以此来预测其与索股的安装线形，然后与

最初始的而设计状态进行比较，应用有限位移原理进行适度调整，直至符合设计要求，最后，在进行其余索股架设安装。

3.3加劲梁安装控制

当大桥的主揽安装完成后，该项目主桥的基本框架已经完成，接下来要安装加劲梁，在这一安装阶段要加强施工控制。随时观测并获取主缆线形、桥面标高和塔顶位移的具体参数，计算、预测下一时段的参数数据，观察并确认主索鞍顶推阶段和顶推量，然后进行具体的施工，确保所有的测量参数都无限接近于施工设计的设计理想状态。

3.4加劲梁缆索吊系统创新技术

3.4.1承重系统设计与施工创新技术

由于悬索桥具有大型锚碇及超高索塔的结构特征，因此缆索吊系统锚地和塔架可与悬索桥锚碇及索塔相结合，主索可在锚碇结构上进行固定，塔架可以由索塔代替，缆索吊主索索鞍直接通过轻型矮支架布置于索塔上横梁上，通过设计上的创新不仅可以降低塔架材料和锚固的投入，而且通过利用永久结构增强了缆索吊系统的安全性。此外，缆索吊在运行过程中，主索在中、边跨的水平分力也会随着起吊重物的纵移不断变化，中、边跨主索的水平力差会对索塔产生较大的水平推力，对索塔受力不利，在此将以往鞍槽形式创新设计为在索鞍顶部设置滑轮组的形式，可使主索在其中自由滑动，从而起到平衡中、边跨主索水平张力的作用。在主索架设工艺上，由于加劲梁安装滞后于主缆安装，主索架设是在主缆索股架设完成、拆除猫道门架和边跨猫道横向通道后进行，塔顶上存在塔顶门架。为避免索塔偏载，左、右幅主索按对称由内向外的顺序进行架设。主索在经过塔顶门架时，主索与拽拉器分离，利用塔顶卷扬机和塔吊辅助牵引主索从门架顶部绕过门架，再将主索

与拽拉器连接，经固定在主缆和猫道上的转向滚筒转向后继续牵引。

3.4.2新型起重小车结构设计

起重小车是缆索吊起重系统中的关键构件，由诸多滑轮和上下挂架组成，在吊装加劲梁时直接携带加劲梁在主索上纵向行走，因其频繁行走和起重，要求自身结构安全系数较高。在以往缆索吊系统设计中均采用钢制滑轮，但是由于钢制滑轮本身自重较大，对缆索吊的跨径增加和吊重增大有一定的制约性。通过借鉴其他领域新材料的应用，在缆索吊起重小车结构设计时，采用具有耐磨性好的轻质高强尼纶材料制成的滑轮，不仅可以减轻跑车自重，提高起重能力，而且可以减小钢丝绳与滑轮之间的摩擦，从而降低了对主索钢丝绳的磨损速度和磨损程度，提高了缆索吊系统的整体安全性。轻型起重小车在大跨径缆索吊系统中的作用十分显著，如图1所示。

图1

3.4.3支索器创新设计

在大跨度缆索吊系统设计中，支索器的设置非常必要，且跨度越大，作用越明显。支索器支撑在主索上，用于承托起重索、牵引索，并减小张力，降低吊具配重，防止各索发生绞乱现象。与起重小车不同，支索器自重不能轻型化，如果太轻，则会在放索和收索时发生侧翻，从而导致起重索、牵引索甚至主索相互缠绕，严重时不仅影响施工进度，而且极大地降低了缆索吊系统的施工安全性。通过采用耐磨性好的轻质高强尼纶材料制成的滑轮，加以钢箱混凝土配重块对以往钢制重型支索器进行创新设计，可以很好地解决施工中对钢丝绳的磨损，又可以控制支索器重量不至于发生侧翻现象。此外，支索器间距的合理布置，对缆索吊系统也可以起到一定的积极作用。大跨度缆索吊系统中，支索器采用不

等间距布置，从起重小车向索塔方向布置间距依次增大。

3.4.4信息化控制及全智能监测

以往缆索吊系统由于跨度不大，起重能力较小，采用常规方法通过对讲机进行人工指挥的方式完成对多台动力卷扬机的控制，可以完成加劲梁吊装作业。但是在对安全、技术、标准化、智能化要求高的今天，这种常规方法严重制约着技术的进步，而且精度控制亦难以达到要求。特别在缆索吊系统安装千米级山区峡谷悬索桥时，因更加复杂的气候条件，采用常规的目测观察方法难以保证吊装系统的安全运行，特别是遇到雨雾天气，在两岸不通视的情况下，不足之处更加突出，而且人工指挥多台卷扬机因其明显的滞后性将带来诸多安全隐患。因此引入计算机集成智能控制系统，不仅可以推动缆索吊起吊能力、控制技术的进步，而且拓展了缆索吊系统在桥梁建设领域的应用范围，这将是缆索吊系统革新性的一项创新技术。

计算机集成智能控制系统，即采用信息化手段，利用现已成熟的工业自动控制技术和计算机网络技术，替代原有的人工操作、指挥和控制系统来完成对多台卷扬机的集成控制，开发一套模块化分布式卷扬机集成控制系统，用以实现单台或多台卷扬机的钢丝绳张力、速度、行程等监测和调控功能，减少多台卷扬机协同作业的张力、速度和行程等同步控制误差。通过集成智能处理后形成整套的信息监测控制系统，使缆索吊装系统的运行状况能够在电脑上直观反映，便于施工控制指挥。缆索吊装信息监控系统监测内容见表1。

表1 缆索吊装信息监控内容一览

系统中还能显示故障预警信息，防止意外和突发事件的紧急保护措施，提高了大桥加劲梁吊装的安全系数。

（1）电机零位保护

断电后必须重新启动电源控制才能工作。防止停电后，重新来电卷扬机自动运行。

（2）电机过流、过载保护

当负载过大，电流超过设定值时，过热继电器常闭触点自动断开，切断控制电源而停机。

（3）电机超速保护

当重物从上向下吊运时的速度超过电动机的额定转速时，超速开关常闭触点断开，切断控制电源而停机。

（4）电机欠压保护

总电源采用ＤＷ系列万能式断路器及漏电空气开关，柜体和设备统一独立接地，电气线路按国家规定，采用最完善的三相五线制。

（5）钢丝绳超载保护

当荷载接近设定值时，系统分三次报警；超过设定值，控制器常闭触点断开，切断控制电源而停机。

（6）钢丝绳行程限位保护

当行程接近设定值时，系统分三次报警；超过设定值时，行程指示开关常闭触点断开，切断控制电源停机。

结语

大跨度悬索桥的施工控制管理要依据具体的施工项目来展开施工控制，分析天气、施工工期、施工地域以及施工技术等因素的影响，悬索桥的施工中，要着重对这些变化较快的施工条件进行控制；加强主揽安装控制，要保证主揽在初始位置的安装能够符合设计要求，在数据计算上，一般应用仿真计算的形式对发展情况进行测量，根据具体的测量控制参数，来提出合理的控制措施，以此来提高施工质量，推动悬索桥的发展。

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