空間纜索懸索橋主纜扭轉(zhuǎn)的模型試驗

齊東春，汪洪星

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌　443002 )

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空間纜索懸索橋主纜扭轉(zhuǎn)的模型試驗

齊東春，汪洪星

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌443002 )

摘要:由鋼絲集束體組成的主纜，其扭轉(zhuǎn)剛度是受多因素影響的變量，目前空間主纜的扭轉(zhuǎn)沒有可靠的計算方法。通過江東大橋空間主纜扭轉(zhuǎn)的模型試驗，探討了體系轉(zhuǎn)換中主纜扭轉(zhuǎn)角的量值及變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明:體系轉(zhuǎn)換前期扭轉(zhuǎn)剛度小、主纜橫向位移大，主纜扭轉(zhuǎn)角增加迅速，后期趨于穩(wěn)定;各索夾呈現(xiàn)出下緣向遠(yuǎn)離橋軸線方向的橫向偏轉(zhuǎn)，成橋狀態(tài)下主纜扭轉(zhuǎn)角實測值在16°～28°?？稍谂R時吊索張拉期間通過現(xiàn)場測試獲得主纜扭轉(zhuǎn)剛度隨主纜軸力及扭轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，在臨時吊索全部張拉后再安裝吊索索夾。

關(guān)鍵詞:懸索橋空間主纜模型試驗主纜扭轉(zhuǎn)

空間纜索體系的懸索橋，在從空纜狀態(tài)到成橋狀態(tài)的過程中，主纜將發(fā)生橫向位移，由此產(chǎn)生了主纜扭轉(zhuǎn)和吊索索夾橫向安裝角度的問題，主纜扭轉(zhuǎn)的控制及索夾安裝定位的時機是空間纜索體系懸索橋監(jiān)控的重點和難點［1］?？臻g主纜的扭轉(zhuǎn)將會引起兩個后果:①主纜扭轉(zhuǎn)會導(dǎo)致已安裝索夾橫向傾角的變化，如果索夾的安裝角度不能跟吊索的成橋角度取得一致，超過了吊索橫橋向容許轉(zhuǎn)角，將會引起吊索上吊點與索夾耳板在連接處發(fā)生擠壓。另外，吊索上、下吊點的連線可能在橫橋向與鋼套管接觸時產(chǎn)生彎折，嚴(yán)重時會影響吊索錨固構(gòu)造的使用壽命。②空間主纜在經(jīng)歷了主索鞍的平彎和豎彎后已造成鋼絲長度不一而形成鼓絲，而主纜從空纜到成橋的橫向擺動又會引起主纜在主索鞍出口處產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)集中的現(xiàn)象，這進一步加劇了鋼絲受力的不均勻性［2］。

杭州江東大橋［3-4］為雙塔大橫向傾角空間主纜自錨式懸索橋，空纜時主纜所在的鉛垂平面與橋梁縱軸線平行，而成橋時兩根主纜的橫橋向間距由塔頂?shù)? m變化到跨中的42 m，橫向位移很大，成橋狀態(tài)吊索與鉛垂線的橫向夾角約19°，采用銷鉸式吊索，橫向容許轉(zhuǎn)角為±4°。而韓國永宗大橋［5-6］成橋時吊索與鉛垂線的橫向夾角為11°，吊索采用騎跨式鋼絲繩吊索，其橫向容許轉(zhuǎn)角為±10°，可見江東大橋的主纜扭轉(zhuǎn)更加明顯，索夾的安裝控制要求更加嚴(yán)格。而由大量鋼絲組成且每隔一段距離用索夾箍緊的主纜的扭轉(zhuǎn)剛度沒有理論計算方法。本文通過空間主纜扭轉(zhuǎn)的縮尺模型試驗，得出體系轉(zhuǎn)換中主纜扭轉(zhuǎn)角的量值及變化規(guī)律，為空間主纜扭轉(zhuǎn)的施工控制提供參考。

1　模型試驗簡介

杭州市江東大橋主通航孔為三跨獨柱橋塔、空間纜索、分離式鋼箱、單跨懸吊的自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)。成橋時中跨兩側(cè)主纜的間距從塔頂鞍座出口的4 m過渡到跨中的42 m，主纜橫向矢跨比為22 /260，主纜空間特性十分明顯，體系轉(zhuǎn)換比韓國永宗大橋更為復(fù)雜。因此有必要通過模型試驗探討空間主纜的扭轉(zhuǎn)規(guī)律，在模型上實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，從而指導(dǎo)實橋的施工控制和施工過程。

在綜合考慮各因素后，確定模型的幾何縮尺比為1∶16，力的縮尺比為1∶4，模型全長26. 625 m。主纜由37根直徑1. 6 mm的高強度彈簧鋼絲組成，吊索由2根直徑1. 6 mm的高強度彈簧鋼絲組成，吊索上端索夾采用鋼絲繩夾具，下端通過全螺紋錨桿與加勁梁伸臂處的錨板用螺母連接在一起。模型設(shè)計時保證纜與梁的幾何關(guān)系滿足相似比要求，模型的詳細(xì)設(shè)計參數(shù)見文獻［7］。試驗?zāi)Ｐ陀?根主纜、26對吊索、鋼箱、橫向連接箱、梁端錨固梁、橋塔、索鞍和臨時墩組成，試驗?zāi)Ｐ腕w系轉(zhuǎn)換前后的現(xiàn)場照片見圖1和圖2。

由于與主纜扭轉(zhuǎn)變形相關(guān)的實橋主纜扭轉(zhuǎn)剛度無法確定，因此模型中無法模擬主纜的扭轉(zhuǎn)剛度。為了在這方面有一定的參考性，模型試驗時設(shè)計的主纜采用了與實橋索股數(shù)相同的鋼絲根數(shù)，用一根鋼絲代表實橋的一根索股，以定性反映模型與實橋的相似。試驗?zāi)Ｐ偷目傮w構(gòu)造如圖3所示，圖中“LS”表示臨時吊索、“S”表示永久拉索。

圖1試驗?zāi)Ｐ腕w系轉(zhuǎn)換前現(xiàn)場照片

圖2試驗?zāi)Ｐ腕w系轉(zhuǎn)換后現(xiàn)場照片

圖3江東大橋試驗?zāi)Ｐ偷目傮w構(gòu)造示意(單位: mm)

2　體系轉(zhuǎn)換試驗方案

空間纜自錨式懸索橋在體系轉(zhuǎn)換中除了要遵循平面纜索體系相同的控制原則外，還必須滿足張拉吊索時吊索銷鉸中心與錨固點連線所形成的傾角不超過錨管允許的角度變化值，否則吊索就不能穿過錨管，無法進行錨固［8］。為此，在試驗中先分步張拉5對臨時索，將主纜拉開成與成橋線形差異不大的空間折線，此時吊索的橫向偏角就大大減小，便于永久吊索的安裝。永久吊索從橋塔處開始逐步對稱張拉到跨中位置，在此過程中，臨時吊索的作用逐步被永久吊索替代，可將臨時吊索逐步拆除?？缰信R時吊索會出現(xiàn)索力超出允許值的情況，因此要多次對其放松。當(dāng)橋塔縱向偏移達(dá)到一定值即對鞍座進行頂推。

本試驗進行了3種體系轉(zhuǎn)換方案，針對前面兩個試驗方案存在的問題，提出了推薦方案三。該方案通過集中解決2對吊索的安裝問題，徹底解決其它吊索安裝角度差偏大的問題，并解決個別吊索安裝初始力小、可能影響施工質(zhì)量的問題。通過調(diào)整永久吊索的安裝順序，在按順序安裝完成前面6對吊索后，在7 /20，8 /19號吊索安裝前先采取措施安裝9 /18，10 /17號吊索(吊索從塔A向塔B方向按1～26的順序編號)，這樣其它吊索安裝時的橫向傾角與成橋橫向傾角差得到了大幅度的改善。對稱張拉完9 /18，10 /17號吊索后，所有未安裝吊索位置的主纜與吊索錨固點連線的角度差都比較小了，索夾的固定工作就基本可以不受后續(xù)吊索張拉工序的控制，可以提前進行，對加快工程進度、提高施工控制質(zhì)量非常有利。推薦方案三的體系轉(zhuǎn)換順序和控制參數(shù)如表1所示。

體系轉(zhuǎn)換過程中空間主纜的扭轉(zhuǎn)是一個比較重要的問題，而如何測試主纜的扭轉(zhuǎn)角卻沒有現(xiàn)成經(jīng)驗可以參考。本模型試驗采用了一種簡便的方法來測試主纜的扭轉(zhuǎn)角，即在每根吊索處的主纜配重塊上安放一個量角器，并懸掛一小鉛錘，鉛錘吊點與量角器中心重合，主纜的扭轉(zhuǎn)帶動量角器轉(zhuǎn)動，從而可以讀出鉛垂線與量角器0°線的夾角。在試驗前記錄下初始角度，然后在每個工況完畢后記錄下當(dāng)時的角度，直到體系轉(zhuǎn)換完成為止，可以得到測點在各工況的扭轉(zhuǎn)角度。在中跨右側(cè)主纜的每一個吊索點布置了扭轉(zhuǎn)測量裝置，在左側(cè)主纜則間隔一個索夾點布置一個測量裝置。

3模型試驗測試結(jié)果分析

在體系轉(zhuǎn)換試驗中，全面測試了吊索索力、主纜位移和線形、吊索的安裝角度、主纜的扭轉(zhuǎn)角。吊索索力及主纜線形實測值與理論計算結(jié)果非常一致，說明模型試驗完全能反映實際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。此處僅列出有關(guān)主纜扭轉(zhuǎn)及吊索橫向傾角的部分結(jié)果。

圖4是體系轉(zhuǎn)換過程中吊索橫向傾角與成橋狀態(tài)角度差的包絡(luò)圖，可以看出體系轉(zhuǎn)換過程中除了9 /18，10 /17號吊索橫向傾角差接近4°，其他吊索均在2°以下，滿足錨管容許的±4°的變化量。

表1方案三吊索張拉順序和控制參數(shù)

圖4體系轉(zhuǎn)換過程中吊索橫向傾角與成橋狀態(tài)角度差

圖5體系轉(zhuǎn)換中5 /22號索夾處主纜扭轉(zhuǎn)角實測曲線

圖5給出了體系轉(zhuǎn)換中5 /22索夾處主纜扭轉(zhuǎn)角的實測曲線，將橫向和縱向?qū)ΨQ位置的主纜扭轉(zhuǎn)角在同一圖中給出，便于比較。實測結(jié)果表明:①隨著吊索的張拉，主纜的扭轉(zhuǎn)角逐漸增加，體系轉(zhuǎn)換前期主纜扭轉(zhuǎn)角增加迅速，后期主纜橫向位移趨于穩(wěn)定，扭轉(zhuǎn)角的變化也較小;②在張拉5對臨時吊索、張拉主纜測點處吊索及與該吊索相鄰的吊索時，主纜的扭轉(zhuǎn)角變化較大，其它工況主纜扭轉(zhuǎn)角變化不大;③同一吊點左、右側(cè)主纜扭轉(zhuǎn)角變化規(guī)律相同，數(shù)值上存在一定誤差。

圖6對比了成橋狀態(tài)下主纜扭轉(zhuǎn)角實測值和理論計算值，計算時考慮了主纜拉扭耦合效應(yīng)及索夾剛臂的影響。主纜扭轉(zhuǎn)角的理論計算值介于17°～22°，除在鞍座出口附近區(qū)間存在扭轉(zhuǎn)集中外，其它位置分布比較均勻。扭轉(zhuǎn)角實測值在16°～28°，數(shù)據(jù)離散性較大，可能與模型中主纜扭轉(zhuǎn)剛度太小有關(guān)。試驗中也考察了以成橋狀態(tài)為基礎(chǔ)倒拆到空纜狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)空纜狀態(tài)下部分索夾的量角器讀數(shù)不能恢復(fù)到初始狀態(tài)，說明扭轉(zhuǎn)變形不是完全彈性的，模型中扭轉(zhuǎn)變形一旦發(fā)生就不能很好的恢復(fù)，實橋主纜與此存在差異。

圖6成橋狀態(tài)下各索夾處主纜扭轉(zhuǎn)角的實測值和計算值比較

4模型試驗對施工控制的建議

通過江東大橋全橋模型試驗研究，對3種體系轉(zhuǎn)換方案進行比較，提出了一套合理的體系轉(zhuǎn)換方案，得出了空間纜自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換中主纜扭轉(zhuǎn)角的量值及分布規(guī)律。對施工控制的主要建議如下:

1)通過調(diào)整吊索的張拉次序可以解決部分吊索安裝前后橫向角度差變化大的問題。在7 /20，8 /19號吊索安裝前先采取措施安裝9 /18，10 /17號吊索，這樣其它吊索安裝時的橫向傾角與成橋橫向傾角差得到了大幅度的改善。

2)主纜的扭轉(zhuǎn)剛度是非線性增長的，受到多個因素的影響，體系轉(zhuǎn)換前期扭轉(zhuǎn)剛度小、主纜橫向位移大，主纜扭轉(zhuǎn)角的增加迅速，可以在臨時吊索全部張拉后再安裝吊索索夾。

3)現(xiàn)場測試主纜扭轉(zhuǎn)剛度很重要，在臨時吊索張拉前后、索夾安裝前后及吊索張拉前后需要對主纜扭轉(zhuǎn)角進行測試，弄清主纜扭轉(zhuǎn)剛度隨主纜軸力及扭轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，并對扭轉(zhuǎn)剛度不斷修正，預(yù)測下一工況的主纜扭轉(zhuǎn)角。

4)在張拉臨時索、張拉主纜測點處吊索及與該吊索相鄰的吊索時，主纜的扭轉(zhuǎn)角變化較大;成橋狀態(tài)下主纜扭轉(zhuǎn)角實測值在16°～28°。

參考文獻

［1］齊東春．大跨徑懸索橋主纜精細(xì)化計算研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2012．

［2］齊東春，沈銳利，劉章軍，等．懸索橋有限元計算中的三節(jié)點空間鞍座單元［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報，2014，49( 6) : 942-947．

［3］柯紅軍，李傳習(xí)，張玉平，等．雙塔大橫向傾角空間主纜自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換方案與控制方法［J］．土木工程學(xué)報，2010，43( 11) : 94-101．

［4］沈洋．江東大橋空間纜自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換分析研究［J］．上海公路，2009( 1) : 31-35．

［5］KIM H K，LEE M J，CHANG S P．Non-linear Shape-finding A-nalysis of a Self-anchored Suspension Bridge［J］．Engineer Structures，2002，24( 12) : 1547-1559．

［6］嚴(yán)國敏，劉玉蘭．韓國的永宗懸索橋［J］．國外公路，1998，18 ( 6) : 16-18．

［7］沈銳利，齊東春，唐茂林．杭州江東大橋靜力特性全橋模型試驗研究［J］．土木工程學(xué)報，2011，44( 1) : 74-80．

［8］齊東春，沈銳利．懸索橋空間纜索主纜線形的計算方法［J］．鐵道建筑，2013( 4) : 13-16．

(責(zé)任審編趙其文)

Model test of main cable torsion of spatial cable suspension bridge

QI Dongchun，WANG Hongxing

( College of Civil Engineering＆Architecture，China Three Gorges University，Yichang Hubei 443002，China)

Abstract:Cable in suspension bridge is composed of a bundle of steel wires，and its torsion stiffness is affected by many factors．No reliable calculation method is available at present．T hrough model test of main cable torsion in Jiangdong Bridge，the value and variation of the cable torsion angle during the system transform were obtained．T he test results show that the cable has a small torsion stiffness and large transverse displacement during the initial stage of system transform．T he cable torsion angle increases rapidly，then tends to be stable．T he lateral deflection of the lower edge of cable clips is deviated from the bridge axis．At the completion of the bridge，the measured torsion angle of the cable is 16 degrees to 28 degrees．T he variation of the torsion stiffness with cable axial force and torsion angle can be obtained by the field test during the temporary cable tension．T he installation of cable clips can be carried out after the tension of all temporary cable．

Key words:Suspension bridge; Spatial cable; M odel test; Cable torsion

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0014-04

作者簡介:齊東春( 1978—)，男，講師，博士。

基金項目:湖北省自然科學(xué)基金( 2014CFB331) ;國家自然科學(xué)基金資助項目( 51178396)

收稿日期:2015-07-16;修回日期: 2015-10-28

中圖分類號:U448．25

文獻標(biāo)識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．03