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大跨度悬索桥的基准索股调整

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第3 1卷,第1期 中 国 铁 道 科 学 Vo1.31 No.1 2 0 1 0年1月 CHINA RAILWAY SCIENCE January,2010 文章编号:i001~4632(2010)01—0038—06 大跨度悬索桥的基准索股调整 谭红梅,袁帅华,肖汝诚 (同济大学土木工程学院,上海200092) 摘要:为提高大跨度悬索桥基准索股的施工精度,基于悬链线理论提出2种调索方法。一是根据控制点 的里程和标高,计算调整基准索股的总无应力长度及对应主塔偏位和施工温度的跨中点理论标高,然后将该跨 索股的理论无应力长度转换成该跨调整端索鞍处的有应力长度,即索长调整量的精确解,该方法由于考虑主塔 偏位、基准索股的实际跨径和温度等的影响,计算精度高。二是基于悬链线线形方程推导出的中、边跨悬链线 简化调索公式。将上述2种方法及传统的抛物线调索公式法应用于珠江黄埔大桥的基准索股的调索计算中,结 果表明:对于中跨,悬链线简化调索公式的计算精度高于传统的抛物线调索公式,两者相差约3 ;对于边跨, 两者精度相差不大;两者相对于索长调整量精确计算法的误差均不超过5 ,均可应用于实桥的调索分析。应用 本文提出的2种方法进行珠江黄埔大桥基准索股的施工监控,最终取得了理想线形,验证了这2种方法的正确 性。 关键词:大跨度悬索桥;基准索股;调索;施工监控;悬链线;调索公式 中图分类号:U448 文献标识码:A 基准索股的线形控制是悬索桥施工控制的关键 形测量数据(塔偏位、索股温度、控制点里程和标 环节。其核心是索长调整量的计算,即根据需要调 高)齐全后,马上提供各跨的索长调整量。为此, 整的垂度量af计算索长调整量AS(即放松量或 本文研究在短时间内根据现场索股线形测量数据计 收紧量)。目前工程中常采用的计算思路是:先建 算索长调整量的方法。 立AS和af的关系式,然后根据控制点的实际垂 度差(一般选择调整跨的索股跨中固定点作为控制 1 基准索股索长调整量的精确计算法 点)求出索长的调整量,施工期间的温度和索塔偏 位在修正计算结果时加以考虑[1]。 1.1计算思路及流程 文献E2-]一文献[4]根据悬索的抛物线线形 本文提出的索长调整量精确计算法是将索塔偏 方程,推导出了AS/Af的调索公式,并运用于基 位、温度等实际测量值作为已知参数,通过编制程 准索股的调整。然而基准索股在架设阶段处于自由 序,自动计算对应阶段的索长调整量。 悬挂状态,其线形为悬链线,采用基于抛物线的调 计算思路是:根据素塔偏位值计算基准索股的 索公式计算调索值,必然给调索带来误差。目前, 实际跨径,然后根据控制点的里程和标高以及索股 悬链线理论已较广泛地应用于悬索桥的成桥状态和 的平均温度,计算该跨基准索股的总无应力长度 施工状态的整体线形和内力计算[5 ,但应用于施 (包括该跨内鞍座上的索股长度)及对应于该塔偏 工中调索计算的文献很少见。文献[13]对此进行 位和温度下跨中点的理论标高,最后求与该跨索股 了探讨,并推导了跨中标高与索原长之间的微分关 理论无应力长度的差,并转换成该跨调整端索鞍处 系式。该公式具有较高的精度,但太繁琐,不便于 的有应力长度,即是该跨所需的索长调整量。 现场的调索工作。在实际工程的基准索股调整过程 计算的关键在于根据实测的温度、索塔偏位 中,上下游中、边跨的整体调索往往需要2~3 h, 值、控制点处的里程和高程值求取该跨索股的无应 为了节省整个基准索股调整的时间,需要在索股线 力长度。本文采用荷载沿无应力长度均布的弹性悬 收稿El期:2009—04—01;修订13期:2009—07—21 基金项目:国家“八六三”计划项目(2006AAllZ120) 作者简介:谭红梅(1981一),女,湖南安仁人,博士研究生。 第1期 大跨度悬索桥的基准索股调整 39 链线模型 ” 计算索股的无应力长度。 弹性悬链线模型如图1所示,代表公式为 者计算的无应力长度相差很小,验证了本文方法的 正确性。 z一 [arsh FH)-arsh( )]+ FHS。 ElA WSo Fv,一 吉)+ [焉~ 醑] (2) 式中:z和h分别为悬索的水平和竖直投影长度; F 和Fv 分别为索左端索力在水平和竖直方向的 分力;S。为悬索的无应力长度;E为悬索的弹性 模量;A为悬索的横截面积;W为悬索的自重。 图1弹性悬链线计算简图 具体计算如下:①先假定基准索股最左端的索 分力Fn和FV,,根据第1索段的水平长度z 和 式(1)迭代求解该索段的无应力长度S。 ,然后将 5。 代人式(2)求得该段索股的竖向投影长度h , 并求出下一索段的竖向分力F —Fv 一w;②逐 段计算各索段的无应力长度和竖向投影长度,包括 跨中控制点的标高H:;③计算该跨索股最右端的 标高H ,将Hz和H 分别与实际测量值比较,若 误差不满足要求,则根据影响矩阵法L】 修正FH和 Fv,的值,然后回到步骤①重新进行计算;若误差 满足要求,则此时计算的各索段无应力长度总和就 是索股的实际无应力长度。 索长调整量的精确计算法的计算流程如图2所 示。根据该计算流程,基于Visual Fortran语言编 写索股调整精确计算程序。 1.2验证算例 验证本文精确计算法的关键在于验证其无应力 长度计算的精度。现以文献EnJ的算例1(索股 变形后沿其有应力长度均布的线荷载q一100 kN・ m )作为验证算例,本文精确计算法的计算结果 和文献Ell3的比较见表1。从表1可以看出,两 图2基准索股调整量精确计算流程 表1无应力长度计算结果比较 2基于悬链线方程的基准索股简化调 索方法 以悬索左端点为原点,设悬索走向的水平方向 为z轴正向,垂直向上为Y轴正向,建立直角坐 标系。根据准悬链线模型吲,悬索的线形方程为 1 Y一 ch( +c1)+c2 (3) L 其中C—q/FH 式中:c 和cz为与边界条件有关的参数。 则悬索的有应力索长为 s—I、J 5 /, F 一 [L sh(cl+C1)一sh(c )] (4) 中国铁道科学 第3l卷 2.1中跨调索公式 函数,即 中跨调索计算简图如图3所示。将中跨的两端 点坐标(0,0)和(z,O)代人式(3)得 1 Esh(c/+f1)一sh(c1)] s一_c(11) 1I  一一一  h(譬) 厂一告一.y L{ 1 = 一 ch(譬 )+ (12) 将边跨即不等高悬索的索长和跨中垂度看作是 参数C和C 的函数,则索长与跨中垂度的微分关 \\ {—/3 系可表达为 f , l 上 d厂 一 (13)…  图3 中跨基准调索计算简图 上 3 C。a f1 3 c 求解得 将式(5)代人式(4),得到中跨索股有应力 索长为 ds 2(N2一..,MchM 1) s一号sh(筹) (6) [ + \/M chM一 )]__M 跨中处的纵坐标即垂度为 (14) 厂一一 l z一 1一 f f1  、厶,ch(譬) (7) 其中N:== hc ,M一 /2 可见中跨索长S及跨中处的垂度厂都是关于C 上式即为边跨的基于悬链线的简化调索公式。 的函数,则索长与跨中垂度之间的微分关系式为 2.3索长调整量计算 dS一dS/—dc (8)已知垂度差后,需调整跨索长的调整量为 —d , dZ/d c 、 △s一 dS△厂 (15) 求解得 dS一 2d oh五(d /2 )-- 4 sh (d/2) (9) d厂 2+ sh( /2)一2ch( /2) 、 3算例分析 上式即为中跨的基于悬链线的简化调索公式。 2.2边跨调索公式 以图5所示的成桥后主跨为l 108 m的广州市 边跨对应的是不等高悬索,如图4所示。其两 珠江黄埔大桥为例,进行基准索股调整计算。 端点坐标为(O,O),(z,^),将其代人线形方程 式(3)得 r (fcz一~ ch(  )~ 图5算例总体布置图 边跨索长和跨中垂度可表达为参数C和C 的 3.1 3种调索方法比较 算例基准索股参数如下:截面积为2.697× 1O m2,线荷载为0.211 7 kN・m (对于大多 数悬索桥,空缆状态的有应力长度大约是其无应力 长度的100.1 ,故q近似采用索股沿无应力长度 均布的线荷载值),弹性模量为202 GPa。 根据基准索股的基本参数、索鞍预偏量(左、 图4边跨基准调索计算简图 右主索鞍分别向左、右边跨预偏1.242和1.615 第1期 大跨度悬索桥的基准索股调整 41 m)和索鞍实际标高,计算基准索股的空缆状态, 也就是基准索股调整的目标状态。中跨空缆状态时 中跨索股两端的切点坐标如图5所示,索弦长为 1 105.622 rfl,跨中垂度为99.221 m;索股水平力 为329.259 kN。 假定跨中标高高于理论状态0.5 rn(即垂度差 △厂===0.5 m),分别用3种方法计算中跨索长调整 量AS。 1)依据常用的抛物线调索公式 计算 ===萼 478 6 AS一—A S△厂一0.239 3 m 2)根据本文给出的基于悬链线的简化调索公 式(式(9))计算 .O0O 643, 46 51, 则AS= ̄fAf一0.232 6 m。 3)运用本文精确计算法计算 目标状态时,总索长S一1 129.020 4 rfl。当垂 度差为0.5 rfl时的总索长S 一1 128.788 6 m,两 者的差值就是需要调整的索长AS—S~S 一 0.231 8 m。 比较3种方法的计算结果可知:当垂度差为 0.5 m时,基于悬链线的简化调索公式计算的索长 调整量更接近精确法。不同垂度差下,2种调索公 式确定的中跨索长调整量与精确法的误差见表2。 表2中跨索长调整量比较 从表2可见,中跨垂度差小于1 m时,基于悬 链线的简化调索公式的误差不超过1 9/6,而基于抛 物线的调索公式的误差在3 左右。前者的计算精 度显然高于后者,但两者都适用于实际工程。 同理可对该桥边跨的基准索股调整进行计算。 边跨的相关参数为:索弦长343.190 5 m,两端点 高差一144.160 7 m,跨中垂度10.389 9 ITI,索股 水平力325.433 5 kN。计算过程同中跨,计算结 果见表3。 表3边跨索长调整量比较 由表3可知,对于边跨的基准索股调整,应用 悬链线的简化调索公式和抛物线调索公式的计算结 果与精确法计算结果均有一定的误差,两者的精度 相差不大;随着垂度差的增大,两者的误差均增 加,这是由于公式中参数的取值不是基于目前状 态,而是基于目标状态。虽然基于悬链线的简化调 索公式和基于抛物线的调索公式的计算结果相对误 差较大,达到了5 ,但对于具体的施工,其绝对 误差仍然满足施工要求。 3.2实桥基准索股调整 以珠江黄埔大桥南汊悬殊桥为例,其主缆各索 股布置如图6所示,应用本文提出的2种调索方法 进行基准索股调整。 由上述可知,悬链线简化调索公式相对于精确 法调索计算法的误差很小,因而在实桥基准索股调 整过程中,为简化操作,当垂度误差较大,大于 0.2 rn时,采用悬链线简化调索公式计算基准索股 调整量进行调索,当垂度差较小,小于0.2 m时, 采用精确调整计算法。 基准索股的调整按照先中跨后边跨的顺序进 行。对每一跨进行调索时,固定索股一端在索鞍内 的位置,测量该跨中点的标高,然后根据垂度误 差,选择使用基于悬链线的简化调索方法或精确调 索法计算该跨另一端(主索鞍或散索鞍)处所需的 索长放松量或收紧量,并进行调索操作。 该桥1 索股最先架设,故选1 索股为基准索 股。普通索股的垂度调整过程与基准索股基本相 同,只是为了施工方便,根据其与基准索股的相对 几何关系(即相对垂度)进行线形调整。在架设主 缆29 索股时,因1 基准索股已受到上面索股的 轻微挤压,为确保后续索股的架设精度,特选定 29 索股作为第2根基准索股。由于气温以及索股 收放操作误差,基准索股的调整~般需要至少连续 3 d的多次反复调整。1 和29 基准索股垂度调整 结束后,进行连续4 d的稳定观测。根据观察结果 统计整理的基准索股的线形数据见表4。 42 中国铁道科学 第31卷 从表4可以看出,各跨绝对垂度差均处于设计 图纸规定的误差范围一20"--40 mm之间,上下游 基准索股的高差均在规范规定的范围内,基准索股 的线形也达到了要求。 4结语 (1)针对悬索桥主缆施工控制的需要,提出了 基准索股索长调整量的精确计算方法,并编写了相 应的计算程序。 (2)推导出了基准索股的中、边跨的基于悬链 线的简化调索公式。并将其与常用的基于抛物线的 图6索股位置图 表4基准索股最终线形数据 调索公式的计算结果进行了比较,结果表明:对于 中跨,前者精度高于后者,两者相差将近3 ;对 于边跨,两者精度相差不大;两者相对于精确法的 误差均不超过5 ,可应用于实桥的调索。 (3)同时将基准索股索长调整量的精确计算法 和基于悬链线的简化调索公式应用于广州珠江黄埔 大桥的基准索股施工监控中,最终取得了理想的线 形,验证了这2种方法的正确性。 参 考 文 献 [1]钟继卫,高建学,王戒躁.大跨度悬索桥基准索股施工控制[J].世界桥梁,2006(2):41—43. 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(TAN Hongmei,XIAO Rucheng.The Analysis and Caculation of Main Cable s Unstressed Length in Suspension Bridge[c]//The Collection of 16th National Bridge Conference Essays,2004:464—469.in Chinese) The Adj ustment of Datum Strand of Long-Span Suspension Bridges TAN Hongmei,YUAN Shuaihua,XIAO Rucheng (School of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China) Abstract:Two methods for strand adj ustment were proposed based on the catenary theory to improve the construction accuracy of the datum strand of long—span suspension bridge.One method was a precise meth— od to calculate the adj ustment length.With this method,when the mileage and height of the control point were measured。the tota1 unstressed length of the datum strand in the adj ustment span,and the theoretical elevation of the midspan corresponding to the deviation of the main tower under the construction tempera— ture were calculated.Then,the theoretical unstressed length of the cable strand in the span was converted into the stressed length of the cable saddle at the adj ustment end of the span,which was the exact solution of cable length adj ustment.This method features with high calculation accuracy because it takes the influ— enee of such factors into account as the deviation of the main tower,the practical span of the datum strand and the temperature variations.The other method was to deduce the simplified catenary cable adj ustment formulas based on the catenary linetype equation.The two methods were used in the datum strand adj ust— ment calculation of Huangpu Bridge over Zhuj iang River,with the traditional parabola adj ustment formu— las.The result shows that,for mid span,the simplified catenary adj ustment formulas present a higher ac— curacy than the conventional parabola formulas,with a 3 relative difference.For side span,the two lcad to almost the same precision.The errors of the two kinds of adj ustment formulas are less than 5 ,com— paring with the precise method for calculating the cable length adj ustment.So,both can be used in strand adj ustment analysis of actual bridge construction.The two methods presented above were used in the da— turn strand construction monitoring of Huangpu Bridge over Zhujiang River.Ideal linetype of the monito— ring data is obtained,which validates the correctness of the two methods. Key words:Long-span suspension bridge;Datum strand;Strand adj ustment;Construction monitoring; Catenary;Strand adj ustment formula (责任编辑吴彬) 

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