混凝土自錨式懸索橋吊索張拉方案與控制研究

虞冬冬

(常州市金壇區(qū)公路管理處，江蘇 常州 213200)

混凝土自錨式懸索橋吊索張拉方案與控制研究

虞冬冬

(常州市金壇區(qū)公路管理處，江蘇 常州 213200)

混凝土自錨式懸索橋吊索張拉是其體系轉(zhuǎn)換過程中最復(fù)雜的施工工藝，也是區(qū)別于地錨式懸索橋的一個施工控制難點。結(jié)合實際工程采用有限元分析軟件Midas/Civil對混凝土自錨式懸索橋吊索張拉進行了理論分析，研究了張拉過程中吊索的力學(xué)特性，并提出了施工過程中如何控制主纜的線形、加勁梁的線形、索鞍頂推量和吊索力，大幅度地提高張拉的效率精度，為此后同類橋梁施工提供參考。

混凝土自錨式懸索橋；吊索張拉；張拉方案；控制研究

混凝土自錨式懸索橋在吊索張拉過程中主纜會產(chǎn)生較大的線形變化，在施工初期主纜嚴重偏離最終的成橋線形，當(dāng)主纜逐漸承擔(dān)起全橋的恒載時，纜索線形又會趨于理想線形，吊索張拉就像在纜索上逐步加非均勻荷載，因此吊索應(yīng)力及其它各個控制因素在吊索張拉中會有較大的變化[1]。要將變化控制在允許誤差范圍內(nèi)以避免在施工中構(gòu)件產(chǎn)生破壞。

1 工程概況

山東聊城徒駭河大橋主橋采用三跨雙塔雙索面自錨式懸索橋，主橋跨徑組合為53m+112m+53m=218m。加勁梁為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱截面，每側(cè)邊箱采用單箱三室形式，兩個箱梁通過內(nèi)側(cè)懸臂及橫梁連接為一整體。主纜錨固區(qū)的端錨段采用變高度截面外，其余均為縱向等高度截面?？v向5m間距設(shè)一道橫梁，橫梁斷面采用矩形。箱梁采用縱、橫向預(yù)應(yīng)力體系，橫向預(yù)應(yīng)力布置于橫梁中，縱向預(yù)應(yīng)力布置于腹板當(dāng)中。橋塔由主塔和副塔組成，為單獨門形框架，主塔橋面以上高度為45m(含塔尖)。副塔不參加受力，為裝飾塔。徒駭河大橋主纜共2根，主纜采用對稱布置，成橋狀態(tài)下主纜跨度112m，矢跨比為1/5.276，邊跨矢跨比為1/12.965，兩主纜纜心橫向間距為31.7m。全橋吊索共37對74根，兩邊跨各8對，主跨21對，吊索標(biāo)準間距5m，靠近主纜錨固端處4根吊索采用40Cr剛性吊桿，其余吊索采用單根127～139絲φ7.1mm高強鍍鋅鋼絲組成的成品鋼絲索。

橋型立面圖如圖1所示。

2 吊索張拉計算及張拉方案

2.1 吊索張拉計算

吊索張拉過程中存在各種因素的影響，如吊索張拉對其余吊索力的影響；鞍座的滑移和頂推過程對結(jié)構(gòu)的影響；主纜的初始線形、吊索的下料長度的影響；另有施工限制因素影響，如吊索的承載力、張拉設(shè)備的數(shù)量和能力、主梁和主塔的承載力等因素，這些因素互相影響，使得吊索張拉過程的計算相當(dāng)復(fù)雜[2]。為了研究本橋吊索張拉過程中的受力及變形情況，采用Midas/Civil建立全橋有限元模型，如圖2所示。通過多次反復(fù)調(diào)整主纜和吊索的初應(yīng)變，使加勁梁和索塔的彎矩比較小，同時兼顧跨中及塔頂位移，達到合理成橋狀態(tài)，再通過倒拆計算得空纜狀態(tài)[3]，從而獲得吊索張拉的初始狀態(tài)及主索鞍預(yù)偏量。

徒駭河大橋使用的主要材料特性及構(gòu)件單元分類見表1所示。

圖1 徒駭河大橋立面圖及橫斷面圖

構(gòu)件名稱材料單元類型彈性模量(MPa)容重(kN/m3)泊松比主梁C50混凝土梁單元3.45E+0425.00.2主塔C40混凝土梁單元3.25E+0425.00.2主纜高強鍍鋅鋼絲索單元2.05E+0578.50.3柔性吊索高強鍍鋅鋼絲索單元1.95E+0578.50.3剛性吊索40Cr索單元2.05E+0578.50.3

圖2 Midas/Civil建立成橋模型圖

2.2 張拉方案

為了方便張拉和減少張拉次數(shù)，并保證張拉質(zhì)量，通過計算分析比較，本橋采用了“標(biāo)線法”、先頂推索鞍后張拉和主跨主動張拉邊跨被動張拉的方法進行吊索張拉。張拉分四步實現(xiàn)，其中張拉方案吊桿編號見圖3所示，具體方案如下：

(1)第一輪張拉：吊索力目標(biāo)值為0.35F(F為設(shè)計成橋吊索內(nèi)力)；

(2)第二輪張拉：吊索力目標(biāo)值為0.72F；

(3)第三輪張拉：吊索力目標(biāo)值為0.92F；

(4)吊索力校訂：全橋吊索力采用千斤頂校正，對索力誤差超過第三輪目標(biāo)索力6%的部分吊索進行調(diào)整；拆除滿堂支架；

(5)第四輪張拉：吊索力目標(biāo)值為F，該輪采用施加二恒的方式實現(xiàn)。

2.3 張拉實施過程

2.3.1 第一輪張拉(初張拉)

由于初張拉階段纜索體系的幾何非線性表現(xiàn)的會非常顯著，為了準確達到初張拉的目標(biāo)值，本輪采用“標(biāo)記線”控制法[4]，即使用吊索上標(biāo)記線長度作為此輪張拉控制標(biāo)準，提高操作舒適度，方便復(fù)核?！皹?biāo)記線”法與傳統(tǒng)的“錨頭外露量”法本質(zhì)相同，都是位移控制方法?！皹?biāo)記線”標(biāo)記于吊索索身上，避免了錨頭外露測量過程中因仰視光線不足等造成的誤差，此外還便于監(jiān)控、監(jiān)理部門對張拉結(jié)果進行復(fù)核，保證了施工精度。徒駭河大橋北側(cè)吊索標(biāo)記線距吊桿桶頂長度見圖4所示。

第一輪張拉具體步驟見表2所示。

圖3 張拉方案吊桿編號

步驟張拉吊桿步驟張拉吊桿1-14#、5#塔主鞍座分別向跨中頂推8.6cm和7.1cm1-2DS8、DS9、DS29、DS301-3DS7、DS10、DS28、DS311-4DS6、DS11、DS27、DS321-5DS5、DS12、DS26、DS331-6DS13、DS251-7DS4、DS14、DS24、DS341-8DS3、DS15、DS23、DS351-9DS16、DS221-10DS2、DS17、DS21、DS361-11DS18、DS201-12DS1、DS37、DS19

圖4 北側(cè)吊索標(biāo)記線距離吊桿桶頂長度

圖5 北側(cè)主纜初張拉階段后線形變化

由于初張拉階段是由空纜狀態(tài)到初張拉目標(biāo)狀態(tài)，且主纜有較強的幾何非線性，故主纜線形變化較大。北纜初張拉階段主纜線形變化值見圖5所示。從圖中所列數(shù)據(jù)可以看出，首輪張拉結(jié)束后，相對于空纜線形，邊跨的上升變化量較小，不很明顯。而在初張拉之后中跨線形下降較為顯著，線形變化滿足要求。

2.3.2 第二輪張拉(位移控制階段)

由于位移控制過程中主纜仍然會呈現(xiàn)出明顯的幾何非線性特征，為了避免線形變化過大，故在張拉過程中應(yīng)保證兩側(cè)吊索同步張拉。在第一輪初張拉后邊跨吊索力均已到達設(shè)計成橋位置，因此本輪階段張拉僅中跨吊索，并通過頂推索鞍達到對邊跨吊索被動增長索力。此輪張拉的步驟見表3所示。

表3 第二輪張拉步驟表

①吊索索力變化

在位控過渡階段主要考察隨著纜索系統(tǒng)剛度提升吊桿力相鄰性原理是否成立。圖6～圖11給出了該階段12個施工步驟實施過程中的部分索力變化情況。

根據(jù)索力變化圖可以得到如下結(jié)論：首先，混凝土自錨式懸索橋張拉過程中吊桿力相鄰性原理成立，吊索張拉過程中對其相鄰兩根吊索，尤其是高程較低位置處的吊索影響較大[5]；其次，鞍座頂推后邊跨索力上漲明顯，且邊跨不同吊索索力上漲幅度相近，說明“被動張拉”方案有效；最后，位控過渡階段步驟10的張拉索力已接近成橋設(shè)計索力，施工過程中的索力不宜超過成橋設(shè)計索力的120%，因此，下輪張拉過程中需以控制張拉索力為要點。

圖6 步驟2結(jié)束后吊索索力

圖7 步驟4結(jié)束后吊索索力

圖8 步驟6結(jié)束后吊索索力

圖9 步驟8結(jié)束后吊索索力

圖10 步驟10結(jié)束后吊索索力

圖11 步驟12結(jié)束后吊索索力

②主纜位移特性分析

確定張拉完主纜線形位置與初張拉結(jié)束后線形的對比，北側(cè)主纜線形變化具體見圖12，由圖可見徒駭河大橋主纜經(jīng)過位移控制階段的張拉，線形變化與上一輪初張拉相似，邊跨主纜比初張拉后的位置變化不是很明顯，微有上升，中跨主纜較初張拉線形標(biāo)高有所下降，說明徒駭河大橋此輪張拉主纜線形變化正常并達到了預(yù)期效果。

圖12 北側(cè)主纜位控過渡階段主纜線形變化

2.3.3 第三輪張拉

第三輪張拉是實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵階段，本輪張拉的主要目標(biāo)是進一步增加吊索的內(nèi)力，使得拆除支架完成二期恒載鋪設(shè)后的吊索力與設(shè)計成橋吊索力能夠較好地吻合，同時主梁及主纜線形也能夠達到設(shè)計的成橋線形[6]。本輪張拉跟第二輪張拉順序一致，僅張拉中跨吊索，邊跨各吊索為被動增加吊索索力。此輪張拉的步驟見表4所示。

表4 第三輪張拉步驟說明表

①吊索索力特性分析

該階段吊索索力的變化規(guī)律與位移控制階段的索力變化規(guī)律相似。部分步驟結(jié)束后吊索索力值具體見圖13～圖18所示。同時，當(dāng)進行單根吊索張拉時相鄰吊索內(nèi)力比進行兩兩吊索張拉時的相鄰吊索內(nèi)力增強很多。因此，兩根吊索張拉方法能很好的對相鄰吊索索力進行削弱。此輪張拉完成后，加勁梁下部已脫離底模，該橋體系轉(zhuǎn)換已基本完成，待吊索索力校訂后便可以進行支架拆除工作。

圖13 步驟2結(jié)束后吊索索力

圖14 步驟4結(jié)束后吊索索力

圖15 步驟6結(jié)束后吊索索力

圖16 步驟8結(jié)束后吊索索力

圖17 步驟10結(jié)束后吊索索力

圖18 步驟12結(jié)束后吊索索力

②主纜位移特性分析

經(jīng)過前兩輪吊索張拉后，本輪纜索體系剛度較大，主纜幾何非線性特征明顯弱化。吊索張拉完成后主纜的線形標(biāo)高與位移控制階段結(jié)束后主纜的位置進行差值對比分析，差值見圖19所示，從表中可以看出該階段張拉后，邊跨主纜跟上一輪一樣仍向上移動，中跨主纜標(biāo)高也同樣變低，說明徒駭河大橋第三輪張拉主纜變化正常且達到預(yù)期要求。

圖19 北側(cè)主纜第三輪張拉階段主纜線形變化

2.3.4 吊索力校訂階段

經(jīng)過前面三個階段的張拉后，吊索索力基本上接近目標(biāo)值，但在橋梁結(jié)構(gòu)施工和張拉過程中難免會產(chǎn)生些誤差，對于部分未能達到要求的索力，故要在第三輪張拉完后要進行吊索力的校訂，校訂仍使用千斤頂張拉吊索的初動油壓得到吊索力，并將吊索力與目標(biāo)值對比，對比誤差范圍應(yīng)在±6%以內(nèi)，若超出這個范圍便要對該根吊索索力進行微調(diào)，直到符合要求為止。

2.3.5 支架拆除和施加二恒

支架拆除后全橋吊索索力出現(xiàn)小幅下降。主要因為，支架對主梁變形起一定的約束作用，若要使加勁梁發(fā)生變形需提供更大的吊索力，支架拆除后，主梁約束條件減小，吊索索力將更接近單位間距內(nèi)加勁梁實際重量。

施加二恒純被動張拉，即采用施加二恒的方式對吊索進行被動加力，以使各吊索達到預(yù)期擬定的目前成橋索力。第四輪張拉步驟見表5。

表5 第四輪張拉步驟說明表

4 結(jié) 語

本文結(jié)合山東聊城徒駭河大橋施工控制項目，采用有限元分析的方法確定吊索張拉的施工控制方案，即：第一，初張拉中，為不產(chǎn)生邊跨空纜線形低于成橋線形的現(xiàn)象，采用先頂推主索鞍后張拉吊索方法。第二，位控過渡階段，使用了主跨主動張拉，邊跨被動張拉的方法提高張拉效率。第三，可以通過3輪吊索張拉完成調(diào)混凝土自錨式懸索橋調(diào)索工作，第一輪張拉以位移控制，第二輪張拉以位移和張拉力雙控，最后一輪張拉應(yīng)以吊索力為主要控制。對各個階段的關(guān)鍵參數(shù)控制分析，發(fā)現(xiàn)此方案可以大幅度地提高張拉的效率精度，達到理想的成橋狀態(tài)。

[1]朱建甫．自錨式懸索橋吊索安裝施工控制研究[D]．成都：西南交通大學(xué)，2008.

[2]譚冬蓮．大跨徑自錨式懸索橋合理成橋狀態(tài)的確定方法[J]．中國公路學(xué)報,2005，24(3):11-12.

[3]王雷,李傳習(xí)．大跨度懸索橋主纜線形及內(nèi)力計算方法研究[J]．安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2011，64(3):10-14.

[4]李建慧,李愛群．自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換標(biāo)記線控制法[J]．橋梁建設(shè),2013，13(5):7-41.

[5]劉厚軍,劉釗．自錨式懸索橋吊索張力及主纜線形的設(shè)計研究[J]．土木工程學(xué)報,2008,41(3):79-83.

[6]柯紅軍．廣州獵德大橋體系轉(zhuǎn)換施工方法的確定及實施[J]．橋梁建設(shè),2010，32(2):80-83.

Concrete Self-anchored Suspension Bridge Cable Tensioning Schemes and Control Research

YU Dong-dong

(Highway Administration Department of Jintan District of Changzhou，Changzhou 213200，China)

A construction control of Suspension Bridges by anchor is different from the difficulties of suspension bridges by anchor.in this paper，on the basis of practice，combined with practical engineering using finite element analysis software Midas/Civil，concrete self-anchored suspension bridge cable tensioning has carried on.The theoretical calculation analysis，studied the concrete since the anchor sling tension in the process of mechanical characteristics of suspension bridges and sling tensioning process.Since the anchor and put forward the concrete suspension bridge construction process，how to control the line shape of the main cable，stiffening beam line，rope sling and quantity of the saddle pushing force，greatly improve the efficiency and the precision of the tensioning，provide a reference for later similar bridge construction.

the concrete anchor suspension bridge；sling tension；tension；control research

2015-07-25

虞冬冬(1989 -)，男，江蘇常州人，碩士，E-mail：760576181@qq.com。

U448.25 ?

A ?

0.3969/j.issn.1671-234X.2015.03.003

1671-234X(2015)03-0010-07