[科普中國]-索塔

索塔的施工概述

南京長江三橋主橋為雙塔雙索鋼箱梁斜拉橋 , 其主塔為國內首次采用的 “人” 字形鋼結構索塔, 主跨為648 m , 塔柱高 215 m , 設4 道橫梁, 其中下塔柱及下橫梁為鋼筋混凝土結構 , 下橫梁以上部分為鋼結構索塔柱 。除鋼混結合段外 , 每個鋼索塔共分為 21 個節(jié)段, 每節(jié)段長 7.7 ～ 11.42 m , 節(jié)段間連接采用端面金屬接觸, M24 高強螺栓連接。鋼索塔總重約 12 000t 。由于特大橋鋼索塔施工在我國尚屬首例 , 且鋼索塔的現(xiàn)代施工工藝對測量的精度和施工控制提出了相當高的要求。故本文對南京長江三橋鋼索塔施工測量的關鍵技術進行了探討。

1施工控制網鋼索塔施工模式一般分為機加工廠房內節(jié)段制作加工和橋位現(xiàn)場吊裝。因此, 鋼索塔的施工控制網分為預拼裝測量微型控制網和鋼索塔拼裝專用控制網。

1.1 預拼裝測量微型控制網

進行鋼索塔預拼裝測量, 首先, 必須建立精密測量控制網, 如圖2所示。將需匹配的鋼索塔節(jié)段以每兩節(jié)為單位架設在長6.8 m 、寬5.0 m 、高0.5 m 的鋼結構胎架上, 微型控制網的坐標系建立方法如下:坐標原點為鋼結構胎架的幾何中心點, X軸為過坐標原點O 與胎架一條邊垂直的主軸線OA 。全網網型為大地四邊形,共A、B、C、D4個控制點, 均為觀測墩加強制對中基座, AB、BC、CD、DA各邊長均50 m 左右。按邊角網嚴密平差后,各點點位中誤差均小于±0.35 mm。高程控制網測量采用在胎架幾何中心O 點處架設精密水準儀, 測定各混凝土觀測墩對中基座頂面的高差, 假設基準點A的高程為1 m, 推算出各基準點的高程值。

1.2 鋼索塔拼裝專用控制網

因為鋼索塔關鍵部位定位精度要求特高, 大橋首級控制網已不能滿足鋼索塔拼裝測量的精度要求。所以必須根據大橋現(xiàn)場施工條件要求, 建立相應的鋼索塔施工專用控制網, 并采取措施提高控制網的精度。綜合考慮南京長江三橋的實際情況, 在主塔混凝土部分(下塔柱及下橫梁)完成后, 通過岸上施工控制網在主塔下橫梁上布設平面和高程控制點, 與原主橋首級控制網和首級加密控制網中的若干點組成鋼索塔拼裝專用控制網。

1.2.1 鋼索塔拼裝平面控制網

南京長江三橋鋼索塔拼裝平面專用控制網分為南、北主塔兩個控制網體系(如圖3), 每個控制網有8 個控制點,各有6 個已知點,其中NT04 、NT06 、JM03 、JM05 為2 個控制網公用點(主橋首級平面控制點);T8、T9、JM02、JM04為兩岸15、18輔助墩上建立主橋首級加密控制點;未知點HL1、HL2、T6 、T7 分別為新建在南(北)塔下橫梁上的4 個控制點。全網采用邊角網形式, 按國家二等三角測量的精度要求實施

1.2.2 鋼索塔高程控制網

結合橋梁現(xiàn)場施工進度, 當主塔鋼套箱基礎出水后, 在橋軸線方向上建立4個二等水準點, 其中NTS 、BTS 分別位于南北主塔基礎上,JM01 位于13過渡墩頂面上, JM02位于18輔助墩上, 與主橋首級高程控制網中的控制點NT01 、NT02 、NT03 、NT04一起構成鋼索塔高程專用控制網 。其中NT03-NT04 段采用經緯儀傾角法跨河水準;JM01-NTS 、NTS-BTS 、BTS-JM02 、JM02-NT02 采用精密三角高程跨河水準;NT01-JM01采用懸掛鋼尺法傳遞高程;NT01-NT03、NT02-NT04采用陸上水準。全網達到國家二等水準的精度, 同時橋軸線上JM01、NTS、BTS 、JM02 相鄰控制點間的精度控制在±2 mm 以內。

2預拼裝測量為了檢驗機加工完成后的鋼索塔節(jié)段的接口匹配狀態(tài)、金屬接觸情況、塔柱線形等, 考察制造工藝的合理性及拼裝的可靠性, 需要在機加工廠房模擬橋位現(xiàn)場進行相鄰兩節(jié)段間的預拼裝。

2.1 預拼裝溫度測量

鋼結構膨脹系數較大, 受溫度影響結構變形顯著;為了保證預拼裝的鋼索塔節(jié)段各部分溫差不超過2 ℃,同時預拼裝測量過程中環(huán)境溫差在2 ℃以內, 所有預拼裝測量工作都在凌晨3:00～5:00進行, 并且采用點溫計進行溫度測量, 溫度測量內容包括:

(1)壁板溫度測量。溫度測點分別選取均勻分布于壁板A 、B 、C 、D 外側的1 、2 、3 點處,其3 點的溫度平均值為該壁板的溫度, 記為TA、TB、TC、TD。同理測得腹板E 、F 的溫度為TE、TF。

(2)內環(huán)境溫度測量。分別測量3個腹腔中的M1、M2、M3處的空氣溫度,其溫度平均值即為內環(huán)境溫度值,記為TM。

(3)外環(huán)境溫度測量。將點溫計測針分別置于塔外空氣中的N1、N2、N3、N4處,其4 點溫度的平均值即為外環(huán)境溫度值,記為TN。當TA、TB、TC、TD、TE、TF、TM、TN之間的溫差小于2 ℃時,即認為此時處于均溫狀態(tài),可以進行立式匹配測量。

2.2 節(jié)段斷面檢測及測量點布設

鋼索塔節(jié)段斷面檢測在機加工車間內用精密工業(yè)測量儀器Tracker Ⅱ型三維激光跟蹤儀測量系統(tǒng)完成并提供數據。與此同時在鋼索塔節(jié)段壁板上進行測量點的布設(如圖6), 一般選在特征點或軸線上,采用洋沖眼作為標記?？紤]到在橋位現(xiàn)場拼裝測量時仍需使用預拼裝的測量標志, 從而貼上直徑為15 mm的圓形熒光紙作為拼裝測量標志, 便于橋位現(xiàn)場的夜間施測。

2.3 胎架水平度檢測

預拼裝測量的主要目的是要獲得預拼裝節(jié)段的垂直度及其壁板上的測量點坐標, 而由于胎架本身的水平度α對測量結果會產生直接的影響, 所以每次預拼裝測量前都要先測定胎架在預拼裝坐標系的X 軸和Y 軸方向的水平度。用檢定過的鋼尺量取胎架某一邊上P1、P2之間的距離為S ,將銦瓦水準尺立在P1、P2點之上, 測出P1、P2點的高差h, 則得到該邊在Y方向的水平度:αY=h/ s, 同理可以測出其余各邊的水平度。

2.4 拼接處錯邊量

直接采用游標卡尺量取下節(jié)段上端面軸線點和上節(jié)段下端面軸線點之間的距離。

3 拼裝測量由于鋼索塔節(jié)段在機加工廠房加工完成后, 幾何形態(tài)已經確定, 在現(xiàn)場鋼索塔拼裝過程中不能對其線形進行局部調整, 且鋼索塔各節(jié)段間采用高強螺栓連接, 傳力方式為金屬接觸傳力。故在南京三橋的橋位現(xiàn)場只是進行鋼索塔節(jié)段拼裝, 其重點在于控制鋼索塔節(jié)段的姿態(tài)、 整體的垂直度。

3.1 鋼混結合段(T0 段)定位測量

由于T0 段平面定位和頂面標高偏差精度要求小于±2 mm。故T0段的定位測量只能采用內控法, 即在塔柱內部或距離塔柱很近的控制點架設全站儀施測。以北塔為例, 利用下橫梁上布設的兩個平面控制點HL1 、HL2 和高程控制點BTS1 ,采用內控法定位T0 段。T0 段定位的關鍵在于其鋼結構部分的定位。而鋼結構從下到上分為底座定位件、 底座、 錨固箱三部分。故T0 段定位包括底座定位件及底座定位、錨固箱定位。

底座定位件及底座定位測量

結合底座定位件及底座定位的施工流程(見圖12),其定位的關鍵在于軸線點的測設和頂面傾斜度的調整, 在底座頂面四邊縱橫軸線點X1、X2、Y1、Y2上布設洋沖眼(見圖12)以調整平面位置。調整過程如下:

(1)初步調整:HL1、HL2點架設全站儀, 后視NT04 ,極坐標法調整底座端口的平面位置,偏差在5 mm 左右即可。

(2)在底座頂面架設精密水準儀, 測量特征點A 、B 、C 、D 的高程,同時用精密鋼尺量距法量取AB 、CD 的距離,反算出頂面傾角,并對偏差進行調整, 直至滿足設計要求。

(3)重復上述兩步操作, 直至滿足設計要求。4.1.2 錨固箱定位底座定位完成后即澆注底座混凝土, 混凝土凝固后進行錨固箱的定位。錨固箱定位方法和底座定位件及底座定位方法相似。

3.2 T1 段拼裝測量

T1 段位于索塔鋼結構部分的最底層,其定位精度要求和T0 段相當,是鋼索塔拼裝的關鍵部分。白天利用拖拽繩配合塔吊進行T1 段的初步吊裝,通過設置于T0 段上端口的定位匹配件定位T1 與T0 間的相互關系, 打入不低于20%螺栓孔數量的拼接板沖釘;然后進行塔段間接觸率的檢查, 安裝高強螺栓并進行初擰。等到夜間22 :00 左右塔柱處于均溫狀態(tài)時進行拼裝測量。其測量內容如下:

(1)內控法測量內側壁板上標志點坐標在HL1 、HL2 點架設全站儀,后視NT04 ,極坐標法測量上、下游塔柱內側壁板的8 個測量點的坐標。

(2)外控法測量岸側壁板上標志點坐標及頂面縱橫軸線點坐標在JM02 處架設全站儀,后視NT04 點,極坐標法測定上、下游塔柱岸側壁板上8 個測量點的坐標(測量前要測定現(xiàn)場的大氣折光系數K值,并對全站儀進行相應改正)。由于頂面軸線點是用來控制X 、Y 方向(即橫橋向、順橋向方向)的偏移量, 因此Y1、Y2點只需測出Y坐標值, X1、X2測出X 坐標值即可。

(3)頂面端口順橋向軸線之間的水平距離在塔段頂面設置全站儀直接測量上下游中軸線 Y1-Y1、Y2-Y2之間的距離。由于塔柱壁板為寬僅6 cm 左右的鋼板,無法在節(jié)段頂面端口架設全站儀和棱鏡進行測距, 為此專門設計加工了專用強制對中底盤, 用高強螺栓將其與塔柱壁板緊密連接, 以取代常規(guī)測量中使用的強制對中底盤。現(xiàn)場測量時, 將全站儀和棱鏡架設于專用強制對中底盤上進行往返測距 , 兩測回取平均。這時測得的距離 S′實際上只是上下游對中底盤之間的距離,而非節(jié)段頂面順橋向軸線間的距離。因此必須求出軸線與對中底盤中心之間的距離 L 。其方法為小角度法 :將 TCA2003 全站儀和棱鏡分別置于專用對中底盤中心 O1 、 O2O1 、 O2 兩點, 測出節(jié)段頂面兩對中底盤中心之間的距離 L , 接著測出節(jié)段頂面順橋向軸心點 Y1 與對中底盤中心之間的小角度 θ。

4 結束語南京三橋鋼索塔的各項數據指標均優(yōu)于鋼索塔驗收標準, 說明所采用的鋼索塔施工測量技術完全滿足了設計、施工的需要, 從而得出了以下結論:

(1)鋼索塔預拼裝測量檢驗了鋼索塔各節(jié)段的制作加工情況, 獲取了已匹配節(jié)段的狀態(tài), 并指導后繼節(jié)段在機加工廠房內的加工和橋位施工現(xiàn)場鋼索塔的拼裝。

(2)為了保證預拼裝測量過程中的鋼索塔節(jié)段各部分溫差不超過2 ℃,且環(huán)境溫差在2 ℃以內,因此預拼裝所有測量工作都應選在凌晨3∶00 ～5∶00 進行;同時, 鋼索塔拼裝測量應選在同一時間段。

(3)鋼索塔關鍵部位定位精度要求特高, 大橋首級控制網已不能滿足拼裝測量的精度要求。在此情況下, 根據大橋現(xiàn)場施工條件要求建立相應的鋼索塔施工專用控制網, 并采取措施提高控制網的精度。

(4)鋼索塔拼裝施工現(xiàn)場觀測條件復雜, 單一的觀測手段很難滿足鋼索塔不同節(jié)段拼裝的需要, 因此針對不同節(jié)段、不同施工條件, 需要采用內控法、外控法及內外控結合的測量方法。1

索塔錨固區(qū)變形特征概述索塔是斜拉橋的基本承重構件與重要組成部分，它不但要承受自重及通過斜拉索傳遞來的主梁橋面系的重量，還要承受由橋面系豎向荷載與水平荷載引起。隨著斜拉橋跨徑記錄不斷刷新，索塔的巨大彎矩高度也被不斷突破，相應的索塔錨固形式也越來越多。蘇通大橋主跨為 1 088 m，主橋索塔錨固區(qū)采用了形式新穎，技術含量高的鋼錨箱式鋼 － 混組合結構。錨固區(qū)用直徑 22 mm、長 200 mm 的剪力釘，剪力釘在豎向間距為 15 cm，水平間距為 20 cm( 兩端為 15 cm) ，索塔塔壁為 C50 混凝土。該鋼 － 混組合結構的構造和受力狀態(tài)均較為復雜，且索塔兩側斜拉索的拉力不平衡，塔柱自身受外力、溫度、風力等外界環(huán)境因素影響，致使。如果塔體發(fā)生的偏移量索塔發(fā)生擺動和位移變形超出了規(guī)定限度，就有可能會破壞索塔結構受力，嚴重時還會危及橋梁安全。為查清鋼錨箱作用力的傳遞機理，詳細分析外界環(huán)境因素引起的索塔變形，以便準確評估索塔錨固區(qū)及索塔本身的安全性。開展了原型實測研究，監(jiān)測對象為北索塔錨固區(qū)。

眾所周知，溫度、風力等氣候因素的作用除引發(fā)鋼 － 混組合結構材料的化學反應影響結構的耐久性外，更重要的是它們產生的溫度效應嚴重影響了其受力特性而危及結構的安全。高頻度的觀測數據表明，溫度對錨固區(qū)的干擾非常明顯，而且不同的溫度變化( 短時的日照輻射和長時的季節(jié)性溫差) 引起的應力響應的形式和幅度存在一定差異。緩慢變化的季節(jié)性溫差荷載只在結構中產生溫度位移，不產生溫度應力，而短時急劇變化的日照輻射產生的溫度應力對塔柱水平位移影響尤其顯著。因此，及時了解溫度導致索塔的變形情況對準確評估其的安全性至關重要。自 Mallat提出多分辨率分析的概念以來，利用小波分解與重構方法濾波降噪一直是國內外學者研究的熱點。Mallat又提出奇異性檢測理論，從而可利用小波變換模極大值方法進行去噪。

Donoho提出非線性小波變換閾值去噪法，主要適用于信號中混有白噪聲的情況。Coifman在閾值法基礎上提出平移不變量提小波去噪法，它是對閾值法的一種改進。田鵬等出一種基于小波消噪的時序分析改進法; 劉青松等提出一種基于小波去噪和數據融合的多傳感器數據重建算法，使數據處理精度進一步提高。因本研究中各溫度影響并不是單一作用在錨固區(qū)，故在去除溫度噪聲時，結合同步氣象觀測資料，針對不同時段各噪聲強度的差異，采用基于時段尺度的分層去噪技術逐級分離各溫度產生的噪聲，提取錨固區(qū)受力的特征值，為錨固區(qū)傳力機理研究提供更準確可靠的實測數據，同時也可得出由于溫度影響產生的索塔變形情況。

1錨固區(qū)應力觀測目的與觀測點布置蘇通大橋采用的索塔錨固區(qū)鋼錨箱結構是將斜拉橋鋼箱梁和橋面恒載及其所承受的所有外荷載傳遞到索塔的重要結構，而索塔本身又需安全承受強大的索力作用。確保斜拉索、索導管及索塔錨固區(qū)的安全至關重要。鋼錨箱與索塔之間的豎向剪力主要依靠端板上剪力釘傳遞。顯然，鋼錨箱與混凝土塔壁之間約束作用的大小，與其正應力及剪力釘的剛度、強度間距有直接關系。此外，鋼錨箱與混凝土塔壁連續(xù)粘結面積很大( 寬 2． 7 m、長達 73． 6 m) ，混凝土由荷載、干燥收縮、日照輻射等引起的變形受到鋼錨箱的約束作用，應力響應較復雜。此外，設計時鋼錨箱承受的水平力是由其兩側的拉板承擔的。但實際上必然有一部分水平力由索塔鋼筋混凝土分攤，這部分力對容易產生裂縫的鋼 － 混組合結構是十分不利的。

為了查清錨固區(qū)傳力機理，在工程實施過程中開展了數值模擬分析、剪力釘模型試件和單節(jié)段鋼錨箱足尺模型的加載試，這些研究為原型監(jiān)測工作奠定了好的基礎。根據索塔錨固區(qū)的結構形式和受力特點，底部斜拉索與水平面夾角最大( J5#斜拉索與水平面的夾角為66． 36°) ，此外由于各節(jié)段鋼錨箱之間豎向連接在一起，首節(jié)鋼錨箱還承受了一部分上覆鋼錨箱的豎向力，故首節(jié)鋼錨箱底座和底部錨固區(qū)需要承受較大的豎向力; 頂部斜拉索與水平面的夾角最小，其索力最大( J34#斜拉索與水平面的夾角為 24． 6°，索力約為 8 528kN) ，故頂部索塔錨固區(qū)受到的水平方向的拉力最大。據此，選擇首節(jié)鋼錨箱底座、底部錨固區(qū)和頂部錨固區(qū)作為重點監(jiān)測部位。為了查清由剪力釘、索導管以及鋼錨箱端板與塔壁混凝土的摩擦作用所傳遞的豎向分力及其分布，驗證剪力釘沿塔高方向分擔力的狀況和大小，將中部錨固區(qū)也作為代表性監(jiān)測部位。

在監(jiān)測點布置時，利用結構的對稱性，但也考慮到錨固區(qū)受力的不對稱性; 以豎向力的傳遞為監(jiān)測重點，但也考慮到水平向受拉問題，同時布置了一些三向應力測點; 重點關注豎向力沿高度方向的分布，對于代表性部位，也需要查清其沿塔壁厚度方向的分布; 對于首節(jié)鋼錨箱底座，在查清正應力平面分布的同時，也重視力的擴散途徑。根據這些原則，首節(jié)鋼錨箱底座和底部錨固區(qū)( 對應的索號為 J4 和 J5) 布置 87 個測點，中部錨固區(qū)( 對應的索號為 J19) 布置 26 個測點，頂部錨固區(qū)( 對應的索號為 J33) 布置 52 個測點。

2 錨固區(qū)應力影響因素分析2. 1 錨固區(qū)應力與溫度

蘇通大橋索塔高 300． 4 m，在塔的不同高度，氣象條件和應力響應存在差異。試驗數據取自高度為220．9 m ～224．4 m 處的底部南側錨固區(qū)的a 和b 測點與北側錨固區(qū)的g 和h 測點，測點位置見圖1，a(g)和b(h)測點與塔外壁的距離分別為89 cm 和14 cm。對比氣象資料，從溫度和風力兩方面分析引起索塔變形的主要影響因素。

選擇溫度變化不大，風速變化較大(0．6 m /s ～16．8 m /s)，且恒載維持不變的06 年12 月15 日3:32到06 年12 月23 日21:32 時段的監(jiān)測數據，對比分析氣象因素對索塔錨固區(qū)不同部位的影響結果。南側和北側錨固區(qū)應力與溫度的觀測結果見圖2 和圖3，Sa－Sh代表各測點的應力，Ta－Th代表各測點處的混凝土溫度，Te為環(huán)境溫度。南側錨固區(qū)，索塔外壁的混凝土溫度對日照輻射很敏感，而索塔內壁則遲鈍; 即使日照輻射較弱，錨固區(qū)應力仍表現(xiàn)出對日照輻射的強敏感性。其中，外壁b 測點的壓應力與溫度呈正相關性，這反映了日照輻射產生的溫度應力;內壁a 測點的壓應力與溫度呈負相關性，反映了高塔因日照輻射而向北傾斜產生的彎拉作用使南壁處于受拉狀態(tài)。對于此說明如下: 日照輻射在索塔南壁產生的應力由兩部分組成，與南側錨固區(qū)相比，圖3 表示:北側錨固區(qū)索塔外壁的混凝土溫度對日照輻射的敏感性較弱，索塔內壁同樣是遲鈍的。同時，外壁h 測點和內壁g 測點的壓應力與溫度都呈正相關性，且外壁測點的壓應力明顯的大于內壁測點壓應力，這反映了日照輻射導致的彎拉作用使高塔北壁處于受壓狀態(tài)。此說明如下: 日照輻射在索塔北壁產生的應力由兩部分組成，即σt+σb，σt為溫度應力，σb為由彎曲派生的應力。當溫升時，σt為正值，σb也為正值。故索塔外壁和內壁的壓應力與溫度都呈正相關性。只是索塔外壁溫升較大，內壁溫升不明顯，且彎拉作用在外壁產生的壓應力大于內壁，導致Sg