超長斜拉索軟硬組合牽引系統(tǒng)安裝受力機理

饒華容，游新鵬

（中交第二航務工程局有限公司，長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430014）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，一批跨大江、跨海灣特大跨斜拉橋逐步開工建設，且跨度越來越大，作為斜拉橋主要受力構件的斜拉索也隨之加長、加重，軟、硬組合牽引工藝在斜拉索安裝中得到了廣泛的應用。本文以蘇通大橋為例對軟、硬組合牽引系統(tǒng)受力機理進行分析，論述軟、硬組合牽引系統(tǒng)施工關鍵技術。蘇通大橋主橋是雙向6車道的雙索面鋼箱梁斜拉橋，主跨為1 088 m，是目前世界上已建成的最大跨度斜拉橋。其索塔高達300.4 m，最長斜拉索達577 m，重達59 t。

2 概述

蘇通大橋超長索的施工采用梁端軟硬組合牽引、梁端張拉的方法，其主要施工程序為：橋面吊索桁車整體提升索盤上橋面→橋面卷揚機牽引斜拉索橋面展開→斜拉索塔端掛設→橋面卷揚機、連續(xù)千斤頂及張拉千斤頂分別依靠鋼絲繩、鋼絞線和張拉桿牽引梁端錨頭入索套管錨固→梁端進行張拉及塔端調索。

斜拉索梁端牽引的角度調整系統(tǒng)通過安置在橋面吊機上的組合牽引系統(tǒng)輔助完成，減輕了懸臂端臨時荷載的重量，同時也減小了作業(yè)空間。牽引系統(tǒng)如圖1所示。

斜拉索牽引主要分成5個步驟：

第一步：在梁端錨頭處安裝夾具、吊具，卷揚機牽引梁端錨頭前行，汽車吊提升梁端錨頭上導向滾輪及導向架。

第二步：卷揚機牽引梁端錨頭至橋面吊機處后，安裝組合張拉桿及軟牽引裝置，安裝提升夾具，連接角度調整手拉葫蘆及50 t汽車吊，調整角度。

圖1 梁端牽引系統(tǒng)示意圖

第三步：橋面卷揚機滑車組牽引斜拉索前行，當張拉桿中心線同索套管重合后改換連續(xù)千斤頂牽引斜拉索。

第四步：連續(xù)千斤頂牽引張拉桿出900 t穿心千斤頂后，移走50 t汽車吊，拆除卷揚機牽引裝置，30 t手拉葫蘆2在夾具2處提升斜拉索調整角度，拆除連續(xù)千斤頂安裝張拉螺母。

第五步：30 t手拉葫蘆1、2、3調整角度，900 t穿心千斤頂牽引斜拉索直至所有加長張拉桿出千斤頂面，拆除所有加長張拉桿，至此斜拉索梁端掛設完成。

3 牽引過程仿真分析

3.1 斜拉索脫離橋面前分析

斜拉索在展開及塔端掛設完成后，斜拉索所在的狀態(tài)為塔端錨固，梁端錨頭由卷揚機牽引向梁端錨固點移動。隨著錨頭的移動，本來由小車支承的斜拉索逐漸脫開，直到所有的斜拉索完全脫離橋面[1]。

圖2為牽引過程示意圖，（a）為拉索脫離地面前的狀態(tài)；（c）為拉索脫離地面后的狀態(tài)；（b）則是狀態(tài)（a）和（c）的臨界狀態(tài)，拉索剛好脫離地面，并且索右端點的斜率恰好為0。

圖2 牽引過程示意圖

下面以蘇通大橋J34號索為例分別對這3種狀態(tài)進行解析。

由于懸空段拉索與水平地面接觸時，接觸點位置x0不斷變化，但x0處斜率始終為0，為方便求解，設懸空段拉索的線形方程[2]為：

由塔端錨固位置的邊界條件可得：在x0處的邊界條件已自然滿足。

懸空段拉索的無應力長度[3]為：

忽略地面摩擦力，則地面段拉索的無應力長度為：

根據(jù)拉索的無應力長度不變，可得：

式中：S0為拉索設計無應力總長；h為拉索豎直投影長度；L為拉索水平投影長度；H為拉索牽引力水平分力；q為拉索線密度；E為拉索彈性模量；A為拉索鋼絲截面積。

下面確定臨界狀態(tài)的線形參數(shù)及對應的牽引位置。

令x0=L=L0，則解得L0=518.516 m，K=641.277 m，H=646.407 kN。

因此，索剛好脫離地面時，索牽引到距塔端518.516 m的位置。

3.2 斜拉索脫離橋面之后分析

對斜拉索脫離橋面之后，安裝組合張拉桿以及軟牽引用鋼絲繩，采用吊車以及組合牽引系統(tǒng)的手拉葫蘆輔助，逐步調整角度，進入索道管，到達錨固位置，安裝張拉千斤頂。采用3-D有限元軟件MIDAS對過程進行仿真分析。

3.2.1 計算模型及工況分析

模型中斜拉索采用索單元進行模擬，張拉桿采用梁單元進行模擬，斜拉索和張拉桿的材料和截面特性如表1。

表1 計算模型中采用材料截面特性表

根據(jù)斜拉索牽引實際狀態(tài)，將牽引全過程劃分為如表2工況。

3.2.2 結果

各階段斜拉索索力牽引力及手拉葫蘆吊點反力結果見表3?？梢钥闯?，在調整角度階段采用手拉葫蘆將張拉桿和斜拉索連接處吊起，斜拉索索力有所減小。斜拉索索力減小的時候，牽引力還是略有增加。牽引到位時需要牽引力為928 kN，最大的吊點反力為牽引到位時的268 kN。

表2 分析工況表

表3 斜拉索索力牽引力及手拉葫蘆吊點反力kN

4個階段張拉桿應力圖如圖3所示。

圖3 張拉桿應力圖

可以看出，角度調整對張拉桿受力的影響很小，此時張拉桿內的應力水平很低。

4 角度調整影響分析

張拉桿進入索道管時，角度調整同時進行，在角度調整以及牽引進入索道管的過程中，手拉葫蘆所需要的起吊力不斷發(fā)生變化，對4個工況進行了模擬（見表4）。

通過計算分析，可以得到4個工況對應的吊點反力，即手拉葫蘆處的吊點反力變化如圖4所示。

可以看出，手拉葫蘆處吊點反力在牽引到位時最大，中間的調整階段吊點反力隨著張拉桿進入索道管逐漸變大，吊點反力最大達到268 kN。

表4 角度調整影響分析工況

圖4 張拉桿角度調整吊點反力示意圖

角度調整對斜拉索索力及牽引力的影響見表5。

斜拉索索力與張拉桿牽引距離有關系，在張拉桿到達指定千斤頂安裝位置時，斜拉索平均索力為982 kN。牽引力也隨著牽引的進行逐漸增大，最大牽引力為928 kN。

各階段張拉桿應力如圖5所示，可以看出張拉桿在牽引過程中應力水平始終在較低的水平。

表5 各工況斜拉索索力以及牽引力結果

圖5 張拉桿應力圖

5 結論

蘇通長江公路大橋于2007年6月10日順利合龍，仿真分析理論計算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實測情況基本吻合，通過仿真分析以及現(xiàn)場實測情況證實：

（1）軟、硬組合牽引工藝滿足超長索安裝需要，該系統(tǒng)用于超長索牽引可行。

（2）本例中斜拉索安裝硬牽引系統(tǒng)（張拉桿）在整個牽引過程中應力水平較低，可確保硬牽引施工安全；軟牽引過程中，牽引力與吊點反力逐步增大，牽引到位時，牽引力為928 kN，吊點反力為268 kN，現(xiàn)有軟牽引及角度調整設備完全能夠滿足施工需求。

（3）角度調整與牽引同時進行，角度調整對硬牽引（張拉桿）受力影響較小。

[1]陳明憲.斜拉橋建造技術[M].人民交通出版社，2004.

[2]（美）斯科臺克（Schodek，D.L.）.建筑結構分析方法及其設計應用[M].羅福午，楊軍，曹俊，譯.北京：清華大學出版社，2005.

[3]路志浩，陳以一.一般情況下小垂度索的剛度方程及其應用[J].力學季刊，2000，21（2）.