空間非對稱獨塔自錨式懸索橋吊索張拉施工研究

程儉廷，張俊平，張力文

(1.廣州誠安路橋檢測有限公司，廣東廣州 510420;2.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州 510006;3.同濟大學(xué)橋梁工程系，上海 200092)

由于自錨式懸索橋施工方法的特殊性，在施工過程中，吊索張拉的順序、索力的大小決定了成橋后的主纜線形和結(jié)構(gòu)受力。因此，為了保證施工期間結(jié)構(gòu)安全、能達到合理的成橋狀態(tài)，需要制定正確的吊索張拉等級和張拉順序。獵德大橋是一座空間非對稱獨塔自錨式懸索橋，其吊索張拉方法不同于以往研究的傳統(tǒng)自錨式懸索橋［1-5］，具有特殊性。為此，本文以獵德大橋為依托，對該橋型的吊索張拉等級、張拉順序進行研究，找出適用于該橋型吊索張拉施工方法。

1 研究背景

獵德大橋跨徑為(47+167+219+47)m，主纜和吊索均為空間布置。加勁梁左邊跨和主跨采用單箱三室流線形扁平鋼箱梁;錨固跨為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)(C50)。主塔采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)(C50)。整個吊索張拉過程通過ANSYS進行仿真分析。主纜與吊索采用Link10單元(拉單元)，加勁梁與主塔采用Beam4單元，支撐結(jié)構(gòu)采用Link10單元(壓單元)。建模時，將加勁梁材料統(tǒng)一等效為鋼結(jié)構(gòu)。邊墩處約束主梁的豎向自由度和扭轉(zhuǎn)自由度;主橋和引橋交接處約束豎向自由度、橫向自由度以及扭轉(zhuǎn)自由度;索塔和鋼箱梁的交界處設(shè)置橫向支座。圖1是結(jié)構(gòu)立面及平面圖，圖2為有限元模型。

2 吊索張拉工況

2.1 張拉等級

自錨式懸索橋在吊索張拉中一般采用逐步分等級張拉吊索迫近成橋索力，由此，梁體在張拉中何時脫模的問題是值得探討的問題。吊索合理張拉狀態(tài)的確定原則是:既要避免由于張拉力過大而出現(xiàn)大應(yīng)力、大位移的情況;又要避免由于張拉力過小而帶來不必要的張拉輪次和施工工時增多。對于吊索張拉力而言，在所建的自錨式懸索橋?qū)嶋H工程中，大致有以下3種方法［4，6］:

1)將脫模前理想吊索力P分級張拉，共分為5級，分別為 0.2P，0.4P，0.6P，0.8P 和 1.0P。在前 3級(0.2P，0.4P，0.6P)執(zhí)行全橋張拉工序，在第4級和第5級(即0.8P和1.0P)執(zhí)行中跨張拉工序。此后，還會對吊索執(zhí)行幾次張拉，這是對吊索的補張拉過程，以調(diào)整張拉力的合理狀態(tài)。

2)完成了吊索安裝的第一遍張拉，可稱之為“安裝張拉”。張拉力大約為理想吊索力P的1/4。安裝張拉結(jié)束時，并非全部吊索都已經(jīng)受拉。逐漸對吊索實行P/4，P/2，3P/4及P等四階段的張拉。

3)確定30%理想索力狀態(tài)、60%理想索力狀態(tài)和100%的理想索力。

綜合以上的吊索張拉力的分級情況，結(jié)合本文研究內(nèi)容，擬定以30%理想索力狀態(tài)、60%理想索力狀態(tài)和100%的理想索力，共三階段進行張拉。

正裝分析模擬吊索施工的思路:以主纜空纜狀態(tài)為起始狀態(tài)，在吊索的下錨固點分批次施加等同于30%加勁梁恒載作用的節(jié)點荷載，并給主纜和吊索單元賦初應(yīng)變值模擬結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力剛度，打開程序應(yīng)力剛化效應(yīng)和大位移控制開關(guān)，計算結(jié)構(gòu)的受力和位移變化情況，并以這個狀態(tài)下吊索的內(nèi)力值作為該理想狀態(tài)下吊索張拉控制值和后繼計算的初始狀態(tài)。具體索力見表1。

圖1 結(jié)構(gòu)立面及平面圖(單位:m)

圖2 有限元模型

2.2 張拉順序

對于一般的雙塔三跨自錨式懸索橋，最常用的做法都是先從主塔開始張拉，因為可以減少接長桿的數(shù)量，而且在張拉過程中，對主纜的影響較少。較短的吊索索力較小，放在較后張拉，可以減少前面張拉對其的影響，并最終減少張拉次數(shù)。另外在張拉中都采用對稱張拉，以保證整個自平衡結(jié)果的穩(wěn)定性。主要張拉順序有:

1)從跨中向兩邊張拉吊索，到一定階段后邊跨從錨固處張拉。

2)從跨中1/4及3/4處分別向主塔和跨中張拉，邊跨也從跨中開始向主塔及錨固處張拉。

3)從兩主塔處開始向主跨跨中張拉，邊跨部分則向錨固處張拉。

4)從主塔同時向主、邊跨開始張拉。

考慮到獵德大橋的獨塔結(jié)構(gòu)和在跨度上的不對稱性，為保證整個橋體的穩(wěn)定安全，擬定了2種張拉方案:①方案1是從塔處開始，向主跨梁端張拉13#，14#，15#，16#共 4對吊索;然后依次張拉主、邊跨余下吊索，張拉次序為 12#，17#，11#，18#，…，直到最后張拉28#吊索。②方案2是先對13#～16#吊索進行張拉后，同時對主、邊跨的吊索對稱張拉，即12#和17#吊索同時張拉，其余相同。

表1 張拉階段索力值 ×105N

全橋張拉完后對沒有達到預(yù)定索力的吊索再進行第二次張拉。張拉控制的標準是張拉的強度應(yīng)保證安全系數(shù)不少于2，安裝后的吊索長度不短于成橋時需要的吊索長度。在吊索張拉過程中，要對吊索進行臨時接長。具體張拉順序見表2。對于每階段的張拉力，由于篇幅原因不再詳述。

表2 張拉順序方案

3 結(jié)果分析

3.1 張拉等級分析

圖3和圖4分別是各個張拉階段下，主纜的位移變化和加勁梁的彎矩變化。

圖3 主纜位移變化

圖4 加勁梁彎矩變化

由上可以看出，在不同的索力張拉等級下，主纜的非線性較為明顯，但加勁梁相對呈現(xiàn)線性的狀態(tài)。通過索力的不斷增大，基本可以達到一期恒載的理想索力。在吊索索力整體提升的情況下，索塔彎矩相對較小，因此同時張拉多對吊索對索塔的彎矩的減小是有幫助的。但由于各吊索是同時增加，還不能看出吊索的張拉對相鄰索力的影響，這點在下一節(jié)的張拉順序分析中會做進一步的探討。

3.2 張拉順序分析

在張拉順序分析中發(fā)現(xiàn)，對于兩種不同的張拉順序，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了不同的受力響應(yīng)。在方案1中:

1)吊索出現(xiàn)了松弛，甚至零拉力的現(xiàn)象。例如22#吊索(圖5)，在33～36張拉步驟時，索力均為零值。

圖5 22#吊索索力變化

2)索塔底部以及索塔處的加勁梁則存在很大的彎矩。例如，在張拉13#吊索時，索塔底部彎矩達到5.89×106N·m，加勁梁跨中彎矩達到2.11×107N·m;在張拉16#吊索時，索塔底部彎矩達到1.12×107N·m，加勁梁跨中彎矩達到1.89×107N·m;在張拉7#吊索時，索塔底部彎矩達到0.99×107N·m，加勁梁跨中彎矩達到1.91×107N·m;在張拉22#吊索時，索塔底部彎矩達到1.32×107N·m，加勁梁跨中彎矩達到1.76×107N·m。

3)索塔左右索力呈現(xiàn)出非對稱性。例如張拉3#吊索(圖6)，在索塔左右相對位置的吊索索力相差較大，這會使主纜左右兩跨產(chǎn)生不平衡的水平力，對橋塔受力非常不利。

圖6 張拉3#吊索時各索索力

而對于按方案2的順序進行張拉時，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出了較合理的受力響應(yīng)。在拉索松弛、索塔和主梁彎矩、索力的均勻性以及主纜位移方面有了很大改善。例如:第22#索在各張拉階段下未出現(xiàn)吊索松弛，索力為零的現(xiàn)象(圖7);張拉3#，26#吊索時(圖8)，各索索力分布比較對稱、均勻;索塔處加勁梁的彎矩大大減小，約比初期方案減小了30%(圖9);主纜的變形較為平滑，且變形量較小(圖10)。

另外，在分析過程中還發(fā)現(xiàn)主纜位移的弱相干性和吊索索力的相鄰影響性［7］除了在張拉初期外，基本沒有體現(xiàn)出來。

例如，在張拉完12#吊索(方案1)，再張拉17#吊索時，12#吊索索力明顯增大(圖11，圖12)。其它吊索亦存在此類現(xiàn)象。這說明，吊索的張拉不僅對鄰近的吊索產(chǎn)生較大的影響，同時，由于張拉沒有在主邊跨上同時進行，在張拉吊索時，還會對另外一跨的吊索存在影響。而且隨著張拉的不斷進行，單根吊索的張拉所影響的吊索范圍更加大。

而在張拉第一根13#索時，主跨的主纜變形為30.5 cm，在邊跨的大部分吊點均有較小的向上變形;但在張拉16#索時，主纜最大變形為45.2 cm，在其它吊點的變形同樣較大，吊點位移的相鄰影響同樣不成立。

圖7 22#吊索索力變化

圖8 張拉3#，26#吊索時各索索力

圖9 優(yōu)化前后索塔勃對比

圖10 主纜位移

圖11 張拉12#吊索其它吊索索力變化

圖12 張拉17#吊索其它吊索索力變化

4 結(jié)論

1)通過張拉等級分析，可知所得吊索索力基本使加勁梁的彎矩變化在一個較小的范圍。在這種情況下，由于大部分吊索都是同時成對進行索力提高，索塔的彎矩變化和大小都較小，因此對稱張拉吊索可以減少頂推的距離和次數(shù)。

2)對于該類橋型在施工張拉機具允許的情況下，應(yīng)盡可能采用從主塔開始對稱同步張拉。這樣不但可以減少不平衡力對自平衡體系的影響，同時加快施工進度，減小接長桿的數(shù)量或長度，削弱吊索索力的松弛現(xiàn)象，減少頂推索鞍的次數(shù)和距離。

3)主纜位移的弱相干性和吊索索力的相鄰影響性不合理。自錨式懸索橋的吊索在張拉的時候，相鄰吊索、非相鄰吊索以及不同跨吊索之間的索力相互影響，部分吊索在其他吊索張拉的情況下，松弛現(xiàn)象突出。主纜在張拉時相鄰吊點之間的變形互相影響，且影響存在非線性。

［1］楊俊，沈成武．基于影響矩陣法的自錨式懸索橋施工張拉力確定［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版)，2009，33(3):588-591．

［2］金清平，陳長明．自錨式懸索橋吊索張拉施工分析［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報，2009，31(10):77-80．

［3］宋旭明，戴公連．自錨式懸索橋主纜線形計算方法及施工過程分析［J］．中外公路，2009，29(6):135-140．

［4］金清平．自錨式懸索橋吊索施工張拉合理狀態(tài)的確定［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2005．

［5］邱建冬．自錨式懸索橋吊索張拉優(yōu)化控制分析［D］．重慶:重慶交通大學(xué)，2010．

［6］肖海波．自錨式懸索橋的力學(xué)特性分析［D］．杭州:浙江大學(xué)，2004．

［7］張哲．混凝土自錨式懸索橋［M］．北京:人民交通出版社，2005．