自錨式懸索橋纜索體系施工幾個(gè)問題的探討

郭漢香

（中鐵二十四局集團(tuán)上海鐵建工程有限公司，上海 200070）

0 前言

自錨式懸索橋不需要像普通懸索橋那樣設(shè)置地錨,而是直接將主纜錨固在加勁梁的兩端,懸索受拉，加勁梁受壓，形成內(nèi)部自身平衡體系，結(jié)構(gòu)工作效率高，與斜張橋有異曲同工之理。該橋型為不方便建造錨碇的地方修建懸索橋提供了一種解決方法，也使這種美觀的橋型成為中小跨徑內(nèi)非常具有競爭力的橋型,近年來正得到大量應(yīng)用。

自錨式懸索橋與一般懸索橋的主纜一樣均為柔性索結(jié)構(gòu),具有主纜幾何非線性對結(jié)構(gòu)影響相同的屬性。但是，自錨式懸索橋特殊的自身受力平衡結(jié)構(gòu)體系，它不能借助外力來平衡自身內(nèi)部的力,故平衡對稱原理作為自錨式懸索橋的基本原理是設(shè)計(jì)和施工的基礎(chǔ)。因此，自錨式懸索橋纜索體系施工技術(shù)有別與一般懸索橋，對懸索施工控制中關(guān)鍵的計(jì)算架設(shè)參數(shù)、修正控制參數(shù)，以及確定頂推階段和頂推量提出了更高的精度要求。本文以寧波市慶豐橋-三跨連續(xù)自錨式懸索橋，全橋長487.7 m，跨徑組合為108.85m＋280 m＋108.85m為工程背景，對纜索體系施工中架設(shè)參數(shù)計(jì)算的平衡條件選取、貓道荷載和溫度效應(yīng)對主纜的影響、預(yù)偏量及索鞍頂推的實(shí)質(zhì)等問題作一些探討。

1 平衡條件的選取

架設(shè)參數(shù)的計(jì)算主要采用懸索力學(xué)的解析法和幾何非線性有限元法兩種方法。在這兩種計(jì)算方法中,都涉及到成橋狀態(tài)或基準(zhǔn)索股架設(shè)狀態(tài)的平衡條件的選取。其中成橋狀態(tài)的平衡條件是設(shè)計(jì)所要求的,如在計(jì)算中不體現(xiàn)這一條件,則算出的結(jié)果將不滿足設(shè)計(jì)要求,而基準(zhǔn)索股架設(shè)狀態(tài)的受力平衡條件事關(guān)架設(shè)精度控制的難易。

成橋狀態(tài)平衡條件:一是對于主索鞍,要求鞍座位于索塔中心,以達(dá)到設(shè)計(jì)跨徑,要求中、邊跨索力水平分力相等(索力并不相等,依靠鞍槽內(nèi)的摩擦力防止滑移),以確保索塔豎直,塔根彎矩最小,防止徐變現(xiàn)象加大塔頂?shù)钠?影響橋面線形；二是對于散索鞍,由于它鉸支在錨梁上,且錨跨索股分散布置,要求散索鞍軸線位于邊跨主纜和錨跨主纜的角平分線上,錨跨索股軸線上的分力之和與邊跨主纜索力相等,避免滾座受剪。解析法計(jì)算時(shí),利用了這些平衡條件建立方程,因而計(jì)算出的成橋狀態(tài)自然滿足這些平衡條件;有限元法計(jì)算時(shí),平衡條件是包括纜索、索塔及加勁梁等構(gòu)件的整體平衡,要體現(xiàn)中、邊跨索力水平分力相等這一條件,應(yīng)規(guī)定塔頂對鞍座沒有約束這一條件。

基準(zhǔn)索股架設(shè)時(shí)的平衡條件有兩種,它們是計(jì)算預(yù)偏量的依據(jù),不同的平衡條件,計(jì)算出的預(yù)偏量將會(huì)不同。第一種條件是要求索股在鞍槽內(nèi)不滑動(dòng),即要求主纜在主索鞍兩端索力相等,每束索股在散索鞍兩端索力相等;第二種條件是要求索鞍不滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng),即要求主索鞍兩端主纜索力的水平分力相等,散索鞍兩端索股索力的軸向分力之和相等。第一種條件調(diào)索容易,但隨著主纜的架設(shè),塔頂上的不平衡水平力逐漸增大,塔頂逐漸產(chǎn)生偏位;散索鞍雖在主纜架設(shè)過程中被臨時(shí)固定的,但釋放后將會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。總而言之,如采用第一種平衡條件,將使架設(shè)跨徑變化較大,降低了施工精度。第二種條件可確?？鐝阶兓苄?(這種變化是由貓道荷載和溫度的隨機(jī)變化而引起,且不可避免),雖然索鞍兩端主纜索力不相等,但索股入槽后,可通過強(qiáng)大的摩擦力來限制滑動(dòng),因而可采用第二種條件。

2 貓道荷載的影響

在主纜架設(shè)過程中,貓道以三跨分離式錨固在塔頂及錨碇上,其自重荷載以及作用其上的施工荷載,均通過承重索作用在索塔和錨梁上。為減小貓道荷載對主纜架設(shè)的影響,貓道設(shè)計(jì)時(shí)要求貓道形成后中、邊跨承重索的索力水平分力相等,但由于施工誤差和臨時(shí)荷載的變化,中、邊跨承重索的索力水平分力常常不相等,致使塔頂產(chǎn)生偏位,從而影響主纜的架設(shè)線形。因此,計(jì)算貓道荷載對主纜架設(shè)的影響的關(guān)鍵是計(jì)算出貓道作用于塔頂?shù)牟黄胶馑搅Γ瑢⒋瞬黄胶馑搅σ胍鸭茉O(shè)了部分主纜的整體結(jié)構(gòu)中,計(jì)算其對已架設(shè)主纜線形的影響。在主纜架設(shè)過程中,通過監(jiān)測貓道的線形來確定貓道對索塔的作用。貓道線形發(fā)生變化一般是由溫度及臨時(shí)荷載引起,貓道線形和溫度以及臨時(shí)荷載的分布可以通過測量獲得,臨時(shí)荷載的大小根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。主纜纏絲及索夾安裝完后,貓道被解除約束,改吊在主纜上,貓道荷載將以均布荷載形式作用在主纜上。由于此時(shí)貓道上用于架設(shè)主纜的某些臨時(shí)設(shè)施已拆除,須重新計(jì)算貓道荷載的集度。

3 溫度效應(yīng)的影響

主纜架設(shè)過程中,其垂度對溫度變化非常敏感,溫度測試方法和溫度效應(yīng)的準(zhǔn)確計(jì)算對保證主纜的架設(shè)精度有極為重要的作用。目前對于溫度效應(yīng)的計(jì)算多采用簡化計(jì)算方法,認(rèn)為垂度改變量與溫度改變量成正比,即:

式中,β為計(jì)算系數(shù),對于中跨β=16 n/3,對于邊跨β=16 n/(3cos3θ)。實(shí)際上,溫度改變引起主纜垂度改變的同時(shí),索力也發(fā)生改變,升溫垂度增加,索力小;降溫垂度減小,索力增加。索力的改變又引起彈性伸長的改變。由于邊跨垂度較小,索力對垂度的變化更敏感,導(dǎo)致邊跨水平分力的變化量大于中跨水平分力的變化量。當(dāng)索股架設(shè)數(shù)量足夠多時(shí),不平衡水平力將使塔頂產(chǎn)生偏位。因此,溫度效應(yīng)計(jì)算時(shí),應(yīng)計(jì)入索力改變引起的非線性效應(yīng),可根據(jù)無應(yīng)力長度恒定不變的原理,按懸鏈線公式計(jì)算。

式中,S0為20℃時(shí)的無應(yīng)力長度,且已知;SH為索力引起的彈性伸長;St為溫差引起的伸長量。

有應(yīng)力總長公式又為:S′=2sh(cL/2/c(中跨)及S′=[sh(cL+a)-sha]/c(邊跨)，由兩者相等可迭代計(jì)算出懸鏈線參數(shù)c,再由以下公式:

以上公式中,跨徑L包含主纜溫度改變引起的塔頂偏位。

4 預(yù)偏量和索鞍頂推的實(shí)質(zhì)

基準(zhǔn)索股架設(shè)之前的預(yù)偏量是針對成橋設(shè)計(jì)跨徑的鞍座偏移量,而不是相對于索塔中心的鞍座偏移。預(yù)偏量設(shè)置的多少不會(huì)影響成橋時(shí)的跨徑,只是影響基準(zhǔn)索股的架設(shè)標(biāo)高和架設(shè)時(shí)的索力。設(shè)置預(yù)偏量實(shí)際上有雙重作用,一是減小施工難度,確保架設(shè)精度;二是確保索塔的安全。如果不設(shè)預(yù)偏量或預(yù)偏量設(shè)置很小,在主纜架設(shè)過程中,邊跨索力水平分力將遠(yuǎn)大于中跨索力水平分力,索股在鞍槽內(nèi)的固定難度大,隨著索股的架設(shè),塔頂逐漸偏向邊跨側(cè),塔根彎矩很大,同時(shí)主纜的跨徑和標(biāo)高變化較大,無法控制施工精度。如果設(shè)置合適的預(yù)偏量,可使主纜架設(shè)容易且易于控制精度,雖然在吊桿張拉加載過程中,中跨索力水平分力又會(huì)逐漸大于邊跨索力水平分力,導(dǎo)致塔頂逐漸向跨中偏移,塔根反向彎矩很大,但通過分階段地頂推鞍座在塔頂上的預(yù)偏量,可確保索塔的安全。

在吊桿張拉加載過程中,如果鞍座與塔頂不固接,且鞍座與塔頂之間沒有摩擦,鞍座將會(huì)自動(dòng)地逐漸向中跨滑移,而索塔保持豎直狀態(tài)。實(shí)際施工過程中,為防止鞍座克服了摩擦力后,突然地產(chǎn)生大量滑移,鞍座和塔頂是臨時(shí)固接的。由于索塔具有一定的抗推剛度,塔頂?shù)钠粚⑸孕∮诎白淖杂苫屏?顯然,如果索塔的抗推剛度無窮大,塔頂將不產(chǎn)生偏位;如果不計(jì)索塔的抗推剛度,塔頂?shù)钠粚⒌扔诎白淖杂苫屏?。?dāng)計(jì)算表明某一吊桿張拉施工段將會(huì)使塔頂?shù)钠涣看笥谠试S偏位時(shí),須在下一吊桿張拉施工段加載之前及時(shí)地頂推鞍座。隨著鞍座的頂推,索塔逐漸恢復(fù)豎直,作用在主索鞍上的不平衡水平力逐漸減至零。頂推至索塔恢復(fù)豎直所需的頂推量,應(yīng)等于此階段鞍座的自由滑移量,由于此階段塔頂?shù)钠簧孕∮诎白淖杂苫屏?所以此階段的頂推量稍大于索塔的偏位,因此邊跨跨徑有所增加,中跨跨徑有所減小,跨徑的變化量即等于頂推量與索塔偏位之差。實(shí)際施工過程中,為減少頂推次數(shù),當(dāng)鞍座頂推至塔頂恢復(fù)豎直后,常常繼續(xù)頂推,直至塔頂偏向邊跨側(cè)一定允許值。

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