索塔

概述

南京长江三桥主桥为双塔双索钢箱梁斜拉桥 , 其主塔为国内首次采用的 “人” 字形钢结构索塔, 主跨为648 m , 塔柱高 215 m , 设4 道横梁, 其中下塔柱及下横梁为钢筋混凝土结构 , 下横梁以上部分为钢结构索塔柱 。除钢混结合段外 , 每个钢索塔共分为 21 个节段, 每节段长 7.7 ～ 11.42 m , 节段间连接采用端面金属接触, M24 高强螺栓连接。钢索塔总重约 12 000t 。由于特大桥钢索塔施工在我国尚属首例 , 且钢索塔的现代施工工艺对测量的精度和施工控制提出了相当高的要求。故本文对南京长江三桥钢索塔施工测量的关键技术进行了探讨。

1施工控制网

钢索塔施工模式一般分为机加工厂房内节段制作加工和桥位现场吊装。因此, 钢索塔的施工控制网分为预拼装测量微型控制网和钢索塔拼装专用控制网。

1.1 预拼装测量微型控制网

进行钢索塔预拼装测量, 首先, 必须建立精密测量控制网, 如图2所示。将需匹配的钢索塔节段以每两节为单位架设在长6.8 m 、宽5.0 m 、高0.5 m 的钢结构胎架上, 微型控制网的坐标系建立方法如下:坐标原点为钢结构胎架的几何中心点, X轴为过坐标原点O 与胎架一条边垂直的主轴线OA 。全网网型为大地四边形,共A、B、C、D4个控制点, 均为观测墩加强制对中基座, AB、BC、CD、DA各边长均50 m 左右。按边角网严密平差后,各点点位中误差均小于±0.35 mm。高程控制网测量采用在胎架几何中心O 点处架设精密水准仪, 测定各混凝土观测墩对中基座顶面的高差, 假设基准点A的高程为1 m, 推算出各基准点的高程值。

1.2 钢索塔拼装专用控制网

因为钢索塔关键部位定位精度要求特高, 大桥首级控制网已不能满足钢索塔拼装测量的精度要求。所以必须根据大桥现场施工条件要求, 建立相应的钢索塔施工专用控制网, 并采取措施提高控制网的精度。综合考虑南京长江三桥的实际情况, 在主塔混凝土部分(下塔柱及下横梁)完成后, 通过岸上施工控制网在主塔下横梁上布设平面和高程控制点, 与原主桥首级控制网和首级加密控制网中的若干点组成钢索塔拼装专用控制网。

1.2.1 钢索塔拼装平面控制网

南京长江三桥钢索塔拼装平面专用控制网分为南、北主塔两个控制网体系(如图3), 每个控制网有8 个控制点,各有6 个已知点,其中NT04 、NT06 、JM03 、JM05 为2 个控制网公用点(主桥首级平面控制点);T8、T9、JM02、JM04为两岸15、18辅助墩上建立主桥首级加密控制点;未知点HL1、HL2、T6 、T7 分别为新建在南(北)塔下横梁上的4 个控制点。全网采用边角网形式, 按国家二等三角测量的精度要求实施

1.2.2 钢索塔高程控制网

结合桥梁现场施工进度, 当主塔钢套箱基础出水后, 在桥轴线方向上建立4个二等水准点, 其中NTS 、BTS 分别位于南北主塔基础上,JM01 位于13过渡墩顶面上, JM02位于18辅助墩上, 与主桥首级高程控制网中的控制点NT01 、NT02 、NT03 、NT04一起构成钢索塔高程专用控制网 。其中NT03-NT04 段采用经纬仪倾角法跨河水准;JM01-NTS 、NTS-BTS 、BTS-JM02 、JM02-NT02 采用精密三角高程跨河水准;NT01-JM01采用悬挂钢尺法传递高程;NT01-NT03、NT02-NT04采用陆上水准。全网达到国家二等水准的精度, 同时桥轴线上JM01、NTS、BTS 、JM02 相邻控制点间的精度控制在±2 mm 以内_。

2预拼装测量

为了检验机加工完成后的钢索塔节段的接口匹配状态、金属接触情况、塔柱线形等, 考察制造工艺的合理性及拼装的可靠性, 需要在机加工厂房模拟桥位现场进行相邻两节段间的预拼装。

2.1 预拼装温度测量

钢结构膨胀系数较大, 受温度影响结构变形显著;为了保证预拼装的钢索塔节段各部分温差不超过2 ℃,同时预拼装测量过程中环境温差在2 ℃以内, 所有预拼装测量工作都在凌晨3:00～5:00进行, 并且采用点温计进行温度测量, 温度测量内容包括:

(1)壁板温度测量。温度测点分别选取均匀分布于壁板A 、B 、C 、D 外侧的1 、2 、3 点处,其3 点的温度平均值为该壁板的温度, 记为TA、TB、TC、TD。同理测得腹板E 、F 的温度为TE、TF。

(2)内环境温度测量。分别测量3个腹腔中的M1、M2、M3处的空气温度,其温度平均值即为内环境温度值,记为TM。

(3)外环境温度测量。将点温计测针分别置于塔外空气中的N1、N2、N3、N4处,其4 点温度的平均值即为外环境温度值,记为TN。当TA、TB、TC、TD、TE、TF、TM、TN之间的温差小于2 ℃时,即认为此时处于均温状态,可以进行立式匹配测量。

2.2 节段断面检测及测量点布设

钢索塔节段断面检测在机加工车间内用精密工业测量仪器Tracker Ⅱ型三维激光跟踪仪测量系统完成并提供数据。与此同时在钢索塔节段壁板上进行测量点的布设(如图6), 一般选在特征点或轴线上,采用洋冲眼作为标记。考虑到在桥位现场拼装测量时仍需使用预拼装的测量标志, 从而贴上直径为15 mm的圆形荧光纸作为拼装测量标志, 便于桥位现场的夜间施测。

2.3 胎架水平度检测

预拼装测量的主要目的是要获得预拼装节段的垂直度及其壁板上的测量点坐标, 而由于胎架本身的水平度α对测量结果会产生直接的影响, 所以每次预拼装测量前都要先测定胎架在预拼装坐标系的X 轴和Y 轴方向的水平度。用检定过的钢尺量取胎架某一边上P1、P2之间的距离为S ,将铟瓦水准尺立在P1、P2点之上, 测出P1、P2点的高差h, 则得到该边在Y方向的水平度:αY=h/ s, 同理可以测出其余各边的水平度。

2.4 拼接处错边量

直接采用游标卡尺量取下节段上端面轴线点和上节段下端面轴线点之间的距离。

3 拼装测量

由于钢索塔节段在机加工厂房加工完成后, 几何形态已经确定, 在现场钢索塔拼装过程中不能对其线形进行局部调整, 且钢索塔各节段间采用高强螺栓连接, 传力方式为金属接触传力。故在南京三桥的桥位现场只是进行钢索塔节段拼装, 其重点在于控制钢索塔节段的姿态、 整体的垂直度。

3.1 钢混结合段(T0 段)定位测量

由于T0 段平面定位和顶面标高偏差精度要求小于±2 mm。故T0段的定位测量只能采用内控法, 即在塔柱内部或距离塔柱很近的控制点架设全站仪施测。以北塔为例, 利用下横梁上布设的两个平面控制点HL1 、HL2 和高程控制点BTS1 ,采用内控法定位T0 段。T0 段定位的关键在于其钢结构部分的定位。而钢结构从下到上分为底座定位件、 底座、 锚固箱三部分。故T0 段定位包括底座定位件及底座定位、锚固箱定位。

底座定位件及底座定位测量

结合底座定位件及底座定位的施工流程(见图12),其定位的关键在于轴线点的测设和顶面倾斜度的调整, 在底座顶面四边纵横轴线点X1、X2、Y1、Y2上布设洋冲眼(见图12)以调整平面位置。调整过程如下:

(1)初步调整:HL1、HL2点架设全站仪, 后视NT04 ,极坐标法调整底座端口的平面位置,偏差在5 mm 左右即可。

(2)在底座顶面架设精密水准仪, 测量特征点A 、B 、C 、D 的高程,同时用精密钢尺量距法量取AB 、CD 的距离,反算出顶面倾角,并对偏差进行调整, 直至满足设计要求。

(3)重复上述两步操作, 直至满足设计要求。4.1.2 锚固箱定位底座定位完成后即浇注底座混凝土, 混凝土凝固后进行锚固箱的定位。锚固箱定位方法和底座定位件及底座定位方法相似。

3.2 T1 段拼装测量

T1 段位于索塔钢结构部分的最底层,其定位精度要求和T0 段相当,是钢索塔拼装的关键部分。白天利用拖拽绳配合塔吊进行T1 段的初步吊装,通过设置于T0 段上端口的定位匹配件定位T1 与T0 间的相互关系, 打入不低于20%螺栓孔数量的拼接板冲钉;然后进行塔段间接触率的检查, 安装高强螺栓并进行初拧。等到夜间22 :00 左右塔柱处于均温状态时进行拼装测量。其测量内容如下:

(1)内控法测量内侧壁板上标志点坐标在HL1 、HL2 点架设全站仪,后视NT04 ,极坐标法测量上、下游塔柱内侧壁板的8 个测量点的坐标。

(2)外控法测量岸侧壁板上标志点坐标及顶面纵横轴线点坐标在JM02 处架设全站仪,后视NT04 点,极坐标法测定上、下游塔柱岸侧壁板上8 个测量点的坐标(测量前要测定现场的大气折光系数K值,并对全站仪进行相应改正)。由于顶面轴线点是用来控制X 、Y 方向(即横桥向、顺桥向方向)的偏移量, 因此Y1、Y2点只需测出Y坐标值, X1、X2测出X 坐标值即可。

(3)顶面端口顺桥向轴线之间的水平距离在塔段顶面设置全站仪直接测量上下游中轴线 Y1-Y1、Y2-Y2之间的距离。由于塔柱壁板为宽仅6 cm 左右的钢板,无法在节段顶面端口架设全站仪和棱镜进行测距, 为此专门设计加工了专用强制对中底盘, 用高强螺栓将其与塔柱壁板紧密连接, 以取代常规测量中使用的强制对中底盘。现场测量时, 将全站仪和棱镜架设于专用强制对中底盘上进行往返测距 , 两测回取平均。这时测得的距离 S′实际上只是上下游对中底盘之间的距离,而非节段顶面顺桥向轴线间的距离。因此必须求出轴线与对中底盘中心之间的距离 L 。其方法为小角度法 :将 TCA2003 全站仪和棱镜分别置于专用对中底盘中心 O1 、 O2O1 、 O2 两点, 测出节段顶面两对中底盘中心之间的距离 L , 接着测出节段顶面顺桥向轴心点 Y1 与对中底盘中心之间的小角度 θ。

4 结束语

南京三桥钢索塔的各项数据指标均优于钢索塔验收标准, 说明所采用的钢索塔施工测量技术完全满足了设计、施工的需要, 从而得出了以下结论:

(1)钢索塔预拼装测量检验了钢索塔各节段的制作加工情况, 获取了已匹配节段的状态, 并指导后继节段在机加工厂房内的加工和桥位施工现场钢索塔的拼装。

(2)为了保证预拼装测量过程中的钢索塔节段各部分温差不超过2 ℃,且环境温差在2 ℃以内,因此预拼装所有测量工作都应选在凌晨3∶00 ～5∶00 进行;同时, 钢索塔拼装测量应选在同一时间段。

(3)钢索塔关键部位定位精度要求特高, 大桥首级控制网已不能满足拼装测量的精度要求。在此情况下, 根据大桥现场施工条件要求建立相应的钢索塔施工专用控制网, 并采取措施提高控制网的精度。

(4)钢索塔拼装施工现场观测条件复杂, 单一的观测手段很难满足钢索塔不同节段拼装的需要, 因此针对不同节段、不同施工条件, 需要采用内控法、外控法及内外控结合的测量方法。 ^[1] 

概述

索塔是斜拉桥的基本承重构件与重要组成部分，它不但要承受自重及通过斜拉索传递来的主梁桥面系的重量，还要承受由桥面系竖向荷载与水平荷载引起。随着斜拉桥跨径记录不断刷新，索塔的巨大弯矩高度也被不断突破，相应的索塔锚固形式也越来越多。苏通大桥主跨为 1 088 m，主桥索塔锚固区采用了形式新颖，技术含量高的钢锚箱式钢 － 混组合结构。锚固区用直径 22 mm、长 200 mm 的剪力钉，剪力钉在竖向间距为 15 cm，水平间距为 20 cm( 两端为 15 cm) ，索塔塔壁为 C50 混凝土。该钢 － 混组合结构的构造和受力状态均较为复杂，且索塔两侧斜拉索的拉力不平衡，塔柱自身受外力、温度、风力等外界环境因素影响，致使。如果塔体发生的偏移量索塔发生摆动和位移变形超出了规定限度，就有可能会破坏索塔结构受力，严重时还会危及桥梁安全。为查清钢锚箱作用力的传递机理，详细分析外界环境因素引起的索塔变形，以便准确评估索塔锚固区及索塔本身的安全性。开展了原型实测研究，监测对象为北索塔锚固区。

众所周知，温度、风力等气候因素的作用除引发钢 － 混组合结构材料的化学反应影响结构的耐久性外，更重要的是它们产生的温度效应严重影响了其受力特性而危及结构的安全。高频度的观测数据表明，温度对锚固区的干扰非常明显，而且不同的温度变化( 短时的日照辐射和长时的季节性温差) 引起的应力响应的形式和幅度存在一定差异。缓慢变化的季节性温差荷载只在结构中产生温度位移，不产生温度应力，而短时急剧变化的日照辐射产生的温度应力对塔柱水平位移影响尤其显著。因此，及时了解温度导致索塔的变形情况对准确评估其的安全性至关重要。自 Mallat提出多分辨率分析的概念以来，利用小波分解与重构方法滤波降噪一直是国内外学者研究的热点。Mallat又提出奇异性检测理论，从而可利用小波变换模极大值方法进行去噪。

Donoho提出非线性小波变换阈值去噪法，主要适用于信号中混有白噪声的情况。Coifman在阈值法基础上提出平移不变量提小波去噪法，它是对阈值法的一种改进。田鹏等出一种基于小波消噪的时序分析改进法; 刘青松等提出一种基于小波去噪和数据融合的多传感器数据重建算法，使数据处理精度进一步提高。因本研究中各温度影响并不是单一作用在锚固区，故在去除温度噪声时，结合同步气象观测资料，针对不同时段各噪声强度的差异，采用基于时段尺度的分层去噪技术逐级分离各温度产生的噪声，提取锚固区受力的特征值，为锚固区传力机理研究提供更准确可靠的实测数据，同时也可得出由于温度影响产生的索塔变形情况。

1锚固区应力观测目的与观测点布置

苏通大桥采用的索塔锚固区钢锚箱结构是将斜拉桥钢箱梁和桥面恒载及其所承受的所有外荷载传递到索塔的重要结构，而索塔本身又需安全承受强大的索力作用。确保斜拉索、索导管及索塔锚固区的安全至关重要。钢锚箱与索塔之间的竖向剪力主要依靠端板上剪力钉传递。显然，钢锚箱与混凝土塔壁之间约束作用的大小，与其正应力及剪力钉的刚度、强度间距有直接关系。此外，钢锚箱与混凝土塔壁连续粘结面积很大( 宽 2． 7 m、长达 73． 6 m) ，混凝土由荷载、干燥收缩、日照辐射等引起的变形受到钢锚箱的约束作用，应力响应较复杂。此外，设计时钢锚箱承受的水平力是由其两侧的拉板承担的。但实际上必然有一部分水平力由索塔钢筋混凝土分摊，这部分力对容易产生裂缝的钢 － 混组合结构是十分不利的。

为了查清锚固区传力机理，在工程实施过程中开展了数值模拟分析、剪力钉模型试件和单节段钢锚箱足尺模型的加载试，这些研究为原型监测工作奠定了好的基础。根据索塔锚固区的结构形式和受力特点，底部斜拉索与水平面夹角最大( J5#斜拉索与水平面的夹角为66． 36°) ，此外由于各节段钢锚箱之间竖向连接在一起，首节钢锚箱还承受了一部分上覆钢锚箱的竖向力，故首节钢锚箱底座和底部锚固区需要承受较大的竖向力; 顶部斜拉索与水平面的夹角最小，其索力最大( J34#斜拉索与水平面的夹角为 24． 6°，索力约为 8 528kN) ，故顶部索塔锚固区受到的水平方向的拉力最大。据此，选择首节钢锚箱底座、底部锚固区和顶部锚固区作为重点监测部位。为了查清由剪力钉、索导管以及钢锚箱端板与塔壁混凝土的摩擦作用所传递的竖向分力及其分布，验证剪力钉沿塔高方向分担力的状况和大小，将中部锚固区也作为代表性监测部位。

在监测点布置时，利用结构的对称性，但也考虑到锚固区受力的不对称性; 以竖向力的传递为监测重点，但也考虑到水平向受拉问题，同时布置了一些三向应力测点; 重点关注竖向力沿高度方向的分布，对于代表性部位，也需要查清其沿塔壁厚度方向的分布; 对于首节钢锚箱底座，在查清正应力平面分布的同时，也重视力的扩散途径。根据这些原则，首节钢锚箱底座和底部锚固区( 对应的索号为 J4 和 J5) 布置 87 个测点，中部锚固区( 对应的索号为 J19) 布置 26 个测点，顶部锚固区( 对应的索号为 J33) 布置 52 个测点。

2 锚固区应力影响因素分析

2. 1 锚固区应力与温度

苏通大桥索塔高 300． 4 m，在塔的不同高度，气象条件和应力响应存在差异。试验数据取自高度为220．9 m ～224．4 m 处的底部南侧锚固区的a 和b 测点与北侧锚固区的g 和h 测点，测点位置见图1，a(g)和b(h)测点与塔外壁的距离分别为89 cm 和14 cm。对比气象资料，从温度和风力两方面分析引起索塔变形的主要影响因素。

选择温度变化不大，风速变化较大(0．6 m /s ～16．8 m /s)，且恒载维持不变的06 年12 月15 日3:32到06 年12 月23 日21:32 时段的监测数据，对比分析气象因素对索塔锚固区不同部位的影响结果。南侧和北侧锚固区应力与温度的观测结果见图2 和图3，S_a－S_h代表各测点的应力，T_a－T_h代表各测点处的混凝土温度，T_e为环境温度。南侧锚固区，索塔外壁的混凝土温度对日照辐射很敏感，而索塔内壁则迟钝; 即使日照辐射较弱，锚固区应力仍表现出对日照辐射的强敏感性。其中，外壁b 测点的压应力与温度呈正相关性，这反映了日照辐射产生的温度应力;内壁a 测点的压应力与温度呈负相关性，反映了高塔因日照辐射而向北倾斜产生的弯拉作用使南壁处于受拉状态。对于此说明如下: 日照辐射在索塔南壁产生的应力由两部分组成，与南侧锚固区相比，图3 表示:北侧锚固区索塔外壁的混凝土温度对日照辐射的敏感性较弱，索塔内壁同样是迟钝的。同时，外壁h 测点和内壁g 测点的压应力与温度都呈正相关性，且外壁测点的压应力明显的大于内壁测点压应力，这反映了日照辐射导致的弯拉作用使高塔北壁处于受压状态。此说明如下: 日照辐射在索塔北壁产生的应力由两部分组成，即σ_t+σ_b，σ_t为温度应力，σ_b为由弯曲派生的应力。当温升时，σ_t为正值，σ_b也为正值。故索塔外壁和内壁的压应力与温度都呈正相关性。只是索塔外壁温升较大，内壁温升不明显，且弯拉作用在外壁产生的压应力大于内壁，导致S_g<S_h。锚固区南北两侧的应力变化情况充分说明，高耸索塔在日照辐射作用下产生了由南向北的倾斜变形，可称其为“背日葵”现象。

2.2 锚固区应力与风荷载

风速的随机性较大，无法得出应力和风速之间的完整关联性，即使风速达到16．8 m /s，锚固区应力仍未见明显响应。故可认为锚固区应力的波动主要由温度引起的。同时也说明索塔刚度足够大，上塔柱应力变化受风的影响小。在进行静力分析时可以将其与其他偶然因素合并考虑，这些偶然荷载产生的噪声干扰往往表现为一些高频信号。

2．3 监测结果验证

河海大学岳东杰 利用基于TCAZO03 的索塔变形自动监测系统，通过周期性地测量设置在塔柱上的监测棱镜，求取其坐标差，并结合环境量、时间等对索塔的变形规律及挠度进行分析。从而掌握索塔在日照、温差、风力等外界条件变化影响下的摆动变形规律。图5 为2006 年9 月3 日7:30 到9 日19:30 连续观测到的首节钢锚箱附近3 个测点在纵桥向的索塔变形与温度对比的时程曲线。从图5 可知，索塔变形与温度呈现出很好的正相关性，随着温度的升高，变形不断增大，且高度越高，变形也会越大。这一监测结果和本文锚固区应力监测中得到的温度对索塔造成的影响是一致的。

3 锚固区应力特征提取

从锚固区应力与温度和风荷载的关系可知，温度是导致索塔变形的主要因素。为了提取出锚固区真是的受力特征，采用db4 小波基函数，根据不同时段各噪声强度的差异，选择合适的阈值，对2007 年5 月1 日0∶00到07 年6 月30 日24∶00两个月的监测数据进行分时段的小波多尺度去噪处理。T_e为环境温度，从两时程曲线可知，S_d与T_e有很好的负相关性。S_dt1和S_dt2为选用不同的分解层数去噪后的时程曲线。

在7# －34#索安装过程中，分解层次越高，信噪比SNR 越大，均方误差MSE 越小，但信号的光滑性指标李氏指数α 在分解层次达到4层时最高，表明该状态下得到的消噪信号最光滑。综合考虑消噪效果和小波分解重构复杂度，分解层次4 层已能达到信号提取的消噪要求。在几个工况中，数据量相对较少，只需分解1 层或2 层就可达到消噪要求。经过分时段分层去噪后的曲线S_dt2为最终提取到的锚固区真实应力值，S_e为提取出由温度引起的应力值。

4 结论

(1)高耸构筑物较一般构筑物受力更复杂，受环境影响更严重。监测数据中包含的大量噪声严重干扰构筑物实际受力情况分析和预测。本文以高耸构筑物的典型代表高达300．4 m 苏通大桥索塔为研究对象，将小波多尺度去噪应用于高耸构筑物实测数据的处理，在实施时结合同步气象观测资料，根据详细和准确的施工时间表分时段分层进行噪声的分离，变形特征的提取，为这种特殊构筑物的安全性评价提供了科学依据。

(2)苏通大桥索塔锚固区受气象因素影响很大。在各气象因素中，风的影响未得到可信的结论，而温度的影响强烈并有规律。温度对锚固区应力的影响方式被发现的有3 种:即日照辐射、周期性气温变化和季节性气温变化。其中，日照辐射既可导致温度应力变化，也使索塔产生倾斜变形，并在锚固区派生弯拉应力，这对锚固区的受力状态有很大影响。

(3)桥梁索塔的变形非常复杂，变形原因更复杂，本文虽然结合当时温度和风力等外界参数对索塔的变形进行了分析，但也仅仅是从外部对索塔进行变形趋势的判断和振动特征的提取，而来自索塔内部的影响因素却未涉及，这也是本研究方向以后需要加强的。 ^[2]