空間索面斜拉橋拉索安裝及張拉影響分析

摘" 要：斜拉索安裝及索力調(diào)整是斜拉橋施工過(guò)程中控制的關(guān)鍵，該文以石家莊市學(xué)府路斜拉橋?yàn)槔瑢?duì)斜拉索掛索工藝及張拉控制方法進(jìn)行介紹，并根據(jù)實(shí)測(cè)及模擬分析結(jié)果重點(diǎn)分析斜拉索安裝張拉過(guò)程對(duì)主塔偏位、應(yīng)力及主梁應(yīng)力狀態(tài)的影響關(guān)系，得出斜拉索張拉過(guò)程橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為特征，給出二次調(diào)索后斜拉索實(shí)測(cè)索力值，表明實(shí)測(cè)索力與設(shè)計(jì)索力最大誤差不超7%，符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，也證明該文斜拉索施工及調(diào)索控制方法是合理的，為橋梁達(dá)到理想線形及受力狀態(tài)提供技術(shù)保證。

關(guān)鍵詞：空間索面斜拉橋;斜拉索安裝技術(shù);斜拉索索力控制;索力影響分析;設(shè)計(jì)要求

中圖分類號(hào)：U445" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）11-0128-04

Abstract： Cable installation and cable force adjustment are the key to control during the construction process of cable-stayed bridges. Taking the Xuefu Road cable-stayed bridge in Shijiazhuang City as an example， this paper introduces the cable hanging technology and tensioning control method. Based on the actual measurement and simulation analysis results， the influence relationship between the cable installation and tensioning process on the main tower deflection， stress and the stress state of the main beam is analyzed， and the mechanical behavior characteristics of the bridge structure during the cable tensioning process are obtained. The measured cable force value of the cable after secondary cable adjustment is given. It shows that the maximum error between the measured cable force and the design cable force is not more than 7%， which meets the specifications and design requirements. It also proves that the cable construction and cable adjustment control methods in this paper are reasonable and provide technical guarantee for the bridge to achieve ideal alignment and stress state.

Keywords： spatial cable plane cable-stayed bridge; cable installation technology; cable force control; cable force influence analysis; design requirements

斜拉橋因造型美觀、承載能力大、適用跨度范圍大等優(yōu)點(diǎn)，而受到設(shè)計(jì)及管理者的青睞。在城市更新改造中，斜拉橋更是成為主要推薦橋型[1]。斜拉橋主要由橋塔、主梁和斜拉索組成，其中斜拉索起著聯(lián)系主梁和橋塔，形成共同承載體系的關(guān)鍵作用，斜拉索施工成為施工控制的主要問(wèn)題[2-4]。關(guān)于斜拉索安裝技術(shù)不斷有文獻(xiàn)報(bào)道，如周慶文等[5]針對(duì)多塔斜拉橋大噸位斜拉索，對(duì)錨具安裝、斜拉索掛索、張拉和調(diào)索等施工要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié);張奧[6]以合江順大橋?yàn)楸尘?，從斜拉索運(yùn)輸及吊裝上橋、梁面展索等環(huán)節(jié)進(jìn)行了施工質(zhì)量控制分析;劉勇等[7]通過(guò)對(duì)斜拉索牽引方式、張拉端位置和掛索方式的比較分析，推薦了軟硬并用的拉索牽引方式以及“先塔后梁”掛索技術(shù)。盡管斜拉索安裝技術(shù)已趨于成熟，但由于橋梁的復(fù)雜性以及不同結(jié)構(gòu)拉索體系存在差異，結(jié)合具體工程進(jìn)行斜拉索安裝以及施工過(guò)程影響分析仍十分必要。依據(jù)石家莊市學(xué)府路空間索面斜拉橋，對(duì)斜拉索施工關(guān)鍵技術(shù)以及斜拉索張拉施工影響進(jìn)行分析，以利于讀者對(duì)該橋施工階段力學(xué)特征有更深入認(rèn)識(shí)。

1" 工程概況

石家莊市學(xué)府路跨太平河橋梁工程，橋型布置如圖1所示，采用160 m+140 m 獨(dú)塔鋼箱梁空間索面斜拉橋。該橋橋?qū)?6 m，橋下凈空3 m，道路等級(jí)為城市主干路，設(shè)計(jì)時(shí)速50 km/h。主梁采用半封閉鋼箱梁，采用Q345qD結(jié)構(gòu)鋼，主梁中心線位置高3.3 m，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段重量最大259 t。人字形主橋塔分為塔冠、上塔柱、中塔柱、下塔柱和塔座，除塔座采用C40鋼筋混凝土外，其余均采用C55鋼筋混凝土。

該斜拉橋拉索設(shè)計(jì)集成了先進(jìn)的空間布局理念、高強(qiáng)材料應(yīng)用、精細(xì)化的受力分析與安全防護(hù)措施，共同構(gòu)成了穩(wěn)固的支撐體系。斜拉索采用空間雙索面布置，塔上索距2.3～3.4 m，梁上標(biāo)準(zhǔn)段索距8.0 m，邊跨梁端6.0 m。全橋共34對(duì)、68根斜拉索，拉索水平傾角28°～70°。最大單根拉索設(shè)計(jì)拉力約625 t，安全系數(shù)不小于2.5。拉索材料采用強(qiáng)度等級(jí)1 860 MPa的高強(qiáng)鍍鋅鋼絲，采用雙層PE保護(hù)套，以保證具有良好的抗腐蝕能力。拉索錨具規(guī)格有PESLZM7-337、313、253、223、211等5種型號(hào)，以適應(yīng)不同直徑拉索錨固要求。其中，最長(zhǎng)拉索長(zhǎng)度約162 m，重量達(dá)16.5 t。

2" 斜拉索安裝方法

2.1" 斜拉索安裝方案

全橋總共34對(duì)、68根斜拉索，其中主跨編號(hào)從塔端開(kāi)始依次為Z1—Z17，邊跨從塔端開(kāi)始依次為B1—B17。本橋采取先梁后索法施工，即當(dāng)主塔封頂施工完成，主橋鋼箱梁頂推施工合龍后，再?gòu)乃藢?duì)稱進(jìn)行拉索安裝工作，為控制塔端不平衡索力以及保證結(jié)構(gòu)安全，斜拉索索力分兩次從塔端對(duì)稱地進(jìn)行張拉調(diào)整，第一次張拉時(shí)，斜拉索最小張拉力為1 845 kN，最大張拉力為3 848 kN;第二次調(diào)索張拉時(shí)，斜拉索最小張拉力為2 617 kN， 最大張拉力為6 988 kN。拉索掛索工作是從小索號(hào)（靠近主塔處）依次向大索號(hào)進(jìn)行，待同次張拉拉索全部安裝就位后，再對(duì)稱同步張拉主跨、邊跨各1對(duì)索（4根索），如當(dāng)Z1和B1共4根拉索安裝完成后再進(jìn)行第一次張拉轉(zhuǎn)換。拉索掛索時(shí)，采用吊車、卷?yè)P(yáng)機(jī)將拉索牽引到指定位置并進(jìn)行張拉，當(dāng)拉索全部安裝并按第一次索力張拉完畢，并按設(shè)計(jì)完成橋面及相關(guān)附屬施工后，進(jìn)入調(diào)索階段，即對(duì)拉索進(jìn)行第二次張拉，直至達(dá)到合理成橋狀態(tài)為止。在斜拉索安裝過(guò)程中，需要對(duì)斜拉索拉力進(jìn)行準(zhǔn)確控制，以保證橋梁體系轉(zhuǎn)換工作順利完成，如果控制不當(dāng)將增加調(diào)索難度和調(diào)索的工作量。

2.2" 安裝工藝

斜拉橋承載體系主要由斜拉索、主塔和主梁構(gòu)成，通過(guò)斜拉索拉力控制可以實(shí)現(xiàn)三者的共同受力和協(xié)調(diào)變形。斜拉索安裝是在考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)力、橋塔偏位和主梁線形控制條件下，通過(guò)索力調(diào)整進(jìn)行主動(dòng)控制而形成橋梁的合理狀態(tài)。因此，斜拉索安裝完成后最重要的工作就是索力的調(diào)控。本橋斜拉索安裝采用塔端掛索、梁端錨固、塔上張拉的施工工藝。

塔端安裝方法：斜拉索上端安裝采取塔吊提升就位，安裝時(shí)慢慢將上錨頭提起送至塔柱預(yù)埋索導(dǎo)管的位置。在塔吊開(kāi)始緩慢提升拉索的同時(shí)，由工作人員在地面剝除放索盤中拉索剩余的包裝。當(dāng)拉索即將達(dá)到索導(dǎo)管口位置時(shí)，需精準(zhǔn)調(diào)整拉索的傾斜角度，以確保其上錨頭能夠順利穿入索導(dǎo)管外端。斜拉索牽引方式主要有卷?yè)P(yáng)機(jī)、軟牽引、硬牽引以及軟硬兼?zhèn)?種。本工程采用卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引和張拉桿牽引2種牽索方式結(jié)合的方法。此方法可規(guī)避掉卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引方式牽引力小，張拉桿牽引方式操作空間限制的缺點(diǎn)，當(dāng)牽引索力較小的短索時(shí)采用卷?yè)P(yáng)機(jī)及手拉葫蘆配合的牽引方式;而長(zhǎng)索索力較大牽引難度增加，則改為采用張拉桿進(jìn)行牽引。

橋面展索：斜拉索在梁端安裝過(guò)程中，首先需要在橋面展開(kāi)斜拉索。橋面展索主要目的是要將放索盤中剩余的拉索索體在橋面上展開(kāi)，使用卷?yè)P(yáng)機(jī)和吊車將拉索牽引到指定位置，方便梁端錨固。橋面展索采用放索盤進(jìn)行，與橋面脫空展索相比，這種方法具有安全性高、操作簡(jiǎn)便、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)。

梁端錨固施工：展索完成后，使用吊車提起索頭，將拉索拉到梁端的指定位置，當(dāng)錨頭接近索導(dǎo)管口時(shí)，通過(guò)指揮橋面卷?yè)P(yáng)機(jī)慢慢收緊。然后通過(guò)收緊牽引繩，將螺母擰上并繼續(xù)收緊直到達(dá)到指定位置。在安裝斜拉索下端時(shí)，前10對(duì)拉索的牽引力較小，可以通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)和動(dòng)滑輪組進(jìn)行安裝，而后幾根拉索的牽引力較大，則需要在塔柱內(nèi)部在準(zhǔn)備好的斜拉索上安裝張拉設(shè)備，下放斜拉索上端以減小橋面端的牽引力，待橋面端安裝好后再通過(guò)千斤頂將塔柱端重新安裝好并旋上螺母。

2.3" 斜拉索張拉方法

斜拉索張拉主要設(shè)備有穿心式千斤頂、油泵和張拉桿。根據(jù)斜拉索初始張拉力設(shè)計(jì)值和同一索號(hào)需對(duì)稱同步張拉的要求，配置相應(yīng)規(guī)格的千斤頂并選用最高輸出壓力55 MPa、兩路各輸出量達(dá)1.5 L/min的油泵，采用0.4級(jí)的液壓表控制油壓。張拉桿設(shè)計(jì)加工不同規(guī)格的剛性拉桿，其端部采用“T”形螺紋。

為提高拉索索力控制精度，斜拉索張拉安排在塔端進(jìn)行，分兩次進(jìn)行對(duì)稱張拉，張拉時(shí)應(yīng)使主跨邊跨同索號(hào)4根拉索同步。根據(jù)拉索的張拉順序，將拉索的整個(gè)張拉過(guò)程分為C1—C17，共17個(gè)施工階段，每階段張拉主跨與邊跨對(duì)稱的2對(duì)4根斜拉索。張拉開(kāi)始后，首先在不加載任何負(fù)荷情況下，操作千斤頂完成2個(gè)完整的行程，以此確認(rèn)千斤頂工作順暢，無(wú)異常情況。啟動(dòng)油泵開(kāi)始張拉，拉索索頭逐漸升高，升高的同時(shí)需同步擰緊斜拉索螺母，防止其相對(duì)于錨墊板的位置過(guò)高，張拉力達(dá)到設(shè)計(jì)值后，穩(wěn)住油壓，核對(duì)索力值，最后卸除油壓。

3" 斜拉索張拉影響分析

3.1" 拉索張拉對(duì)橋塔偏位影響分析

對(duì)橋塔偏位分析時(shí)，以塔頂位置標(biāo)記點(diǎn)作為測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)拉索安裝時(shí)主塔縱橋向偏位，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，在張拉C1—C3階段時(shí)，表現(xiàn)為主跨側(cè)索力略大于邊跨側(cè)索力，因此塔頂有向主跨側(cè)偏移的趨勢(shì)，在張拉C4—C17階段，塔頂則始終偏向邊跨一側(cè)。在斜拉索第一次全部張拉階段完成后，主塔塔頂?shù)目v向位移為13.3 mm，向邊跨方向偏移，滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

3.2" 拉索張拉對(duì)橋塔應(yīng)力影響分析

在斜拉索張拉過(guò)程中，橋塔最大壓應(yīng)力隨施工階段變化情況如圖3所示。

由圖3可知，橋塔最大壓應(yīng)力隨拉索張拉過(guò)程總體呈線性增加趨勢(shì)，在進(jìn)行C1階段張拉時(shí)，橋塔最大壓應(yīng)力為3.94 MPa，當(dāng)完成第C17階段張拉時(shí)，橋塔最大壓應(yīng)力增至9.02 MPa。在張拉斜拉索過(guò)程中，橋塔全截面處于受壓狀態(tài)，未產(chǎn)生拉應(yīng)力。

3.3" 拉索張拉對(duì)主梁應(yīng)力影響分析

主梁截面最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力隨斜拉索張拉過(guò)程變化關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，主梁最大拉應(yīng)力在張拉至C7階段時(shí)，呈增加趨勢(shì)，之后隨張拉出現(xiàn)下降，具體表現(xiàn)為在C1階段張拉時(shí)，主梁最大拉應(yīng)力為26.43 MPa，在第C7階段張拉時(shí)，主梁拉應(yīng)力達(dá)到最大值28.43 MPa;全部張拉完成后，主梁最大拉應(yīng)力降為12.83 MPa。另外，在C1階段張拉時(shí)，最大壓應(yīng)力為10.06 MPa;在C17階段張拉時(shí)，主梁壓應(yīng)力達(dá)到最大值23.76 MPa。最大拉、壓應(yīng)力滿足施工控制要求。

4" 索力調(diào)整

在橋面鋪裝完成后，還要進(jìn)行第二次調(diào)索，調(diào)索完成后實(shí)測(cè)索力值與設(shè)計(jì)索力比較見(jiàn)表1。

由表1可知，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)索力基本符合，其中，誤差最大的是6號(hào)索，其實(shí)測(cè)索力值為2 900 kN，與設(shè)計(jì)值2 714 kN相差186 N，相對(duì)誤差為6.84%，其余拉索索力基本接近設(shè)計(jì)索力，全橋索力誤差均在7%范圍以內(nèi)，未超過(guò)施工控制要求的10%，表明索力調(diào)整結(jié)果滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

5" 結(jié)論

本文結(jié)合石家莊市學(xué)府路斜拉橋施工，對(duì)斜拉索安裝工藝進(jìn)行了總結(jié)分析，采用塔端掛設(shè)、梁端牽引、塔端張拉的安裝技術(shù)，保證了拉索張拉的順利實(shí)施。在斜拉索從塔附近向遠(yuǎn)離位置拉索張拉過(guò)程中，橋塔位移呈先向主跨、再向邊跨傾斜狀態(tài)，在全部張拉完成后偏向邊跨側(cè)，縱向偏位值為13.3 mm;在斜拉索張拉過(guò)程中，橋塔始終處于全截面受壓狀態(tài)，全部拉索第一次張拉完成后最大壓應(yīng)力為9.02 MPa;鋼箱主梁最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力均未超過(guò)30 MPa，滿足施工控制要求。當(dāng)全橋施工完畢，經(jīng)對(duì)斜拉索進(jìn)行二次張拉調(diào)索，實(shí)測(cè)索力與設(shè)計(jì)索力比較，得到索力誤差均在7%之內(nèi)，未超過(guò)10%，滿足索力控制要求。通過(guò)施工過(guò)程分析，表明本工程采用的安裝控制方法合理，成橋線形和受力達(dá)到了理想成橋狀態(tài)。

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