獨(dú)塔非對(duì)稱自錨式空間懸索橋體系轉(zhuǎn)換

黃子能，李 珊，牙舉鵬

（柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司 柳州市 545005）

自錨式懸索橋是將主纜直接錨固在加勁梁上，從而取消了龐大的錨碇。它繼承了地錨式懸索橋造型優(yōu)美的特點(diǎn)，又具有造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，為在城市空間受到限制或不方便建造錨碇的地方修建懸索橋提供了一種好的解決辦法。

目前，自錨式懸索橋已由平面纜索結(jié)構(gòu)向空間纜索結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。空間纜索懸索橋的主纜吊索均呈空間線形，并形成了一個(gè)三維纜索結(jié)構(gòu)體系，其具有以下的優(yōu)點(diǎn)：纜索系統(tǒng)的橫向承載能力得到顯著提高，從而提高了整個(gè)橋梁的橫向剛度和抗扭剛度；空間纜索懸索橋的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、造型更加優(yōu)美。近年來，自錨式空間懸索橋得到不錯(cuò)的發(fā)展，比較典型的懸索橋，國(guó)外有韓國(guó)永宗大橋和奧克蘭海灣大橋；國(guó)內(nèi)有松原天河大橋、天津富民橋和杭州江東大橋。

1 工程概況

太原市通達(dá)街汾河橋位于太原城市南部的汾東新區(qū)，是太原城市南部溝通城市東西區(qū)域的重要橋梁。該橋?yàn)楠?dú)塔非對(duì)稱自錨式空間懸索橋，主橋分為主跨和邊跨，跨徑布置為208m+133m，橋梁布置圖見圖1。

該橋共設(shè)兩根主纜，采用PPWS法編制，單根主纜由37股PPWS5.7-127索股組成。兩根主纜為空間纜索結(jié)構(gòu)，在塔頂索鞍處間距為20m，逐步過渡至散索點(diǎn)處的間距為46m左右。主跨設(shè)置20對(duì)吊索，邊跨設(shè)置13對(duì)吊索，為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。吊索采用Φ7-109冷鑄錨平行鋼絲索體，鋼絲強(qiáng)度為1770MPa，吊索的破斷力為7425kN。吊索上端與索夾連接的叉耳設(shè)置有可適應(yīng)±8°轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)軸承，下端錨具采用球形支座和球形螺母結(jié)構(gòu)，與鋼箱梁錨固。吊索的結(jié)構(gòu)可適應(yīng)橫橋向、順橋向的雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，有利于空間懸索橋體系轉(zhuǎn)換的實(shí)施。

2 施工特點(diǎn)及難點(diǎn)

自錨式懸索橋是依靠加勁梁來傳遞主纜的水平力，由于其獨(dú)特的受力特性，在施工控制過程中的受力比較復(fù)雜，一般采用“先梁后纜”的施工方法：施工時(shí)，加勁梁要在主纜架設(shè)之前先連接為整體，并支承于支架上，再進(jìn)行主纜的架設(shè)。待主纜的垂度調(diào)整至空纜線形后，安裝并張拉吊索，同時(shí)進(jìn)行索鞍頂推，完成懸索橋體系的轉(zhuǎn)換。太原市通達(dá)街汾河橋?yàn)楠?dú)塔非對(duì)稱自錨式空間懸索橋，相對(duì)于一般自錨式懸索橋而言，其體系轉(zhuǎn)換存在諸多的施工難點(diǎn)：

（1）主纜為空間纜索結(jié)構(gòu)，體系轉(zhuǎn)換過程中，其幾何非線性特征較為明顯，主纜會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，給索夾的安裝和預(yù)偏傾角的控制帶來很大難度。

（2）體系轉(zhuǎn)換過程中，主纜從空纜狀態(tài)到成橋狀態(tài)，在橫橋向和豎直向均發(fā)生非線性大位移，主纜線形相差很大，導(dǎo)致吊索的調(diào)節(jié)量不夠，需增加連接桿來實(shí)現(xiàn)吊索臨時(shí)錨固。

（3）該橋的主跨和邊跨呈非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，體系轉(zhuǎn)換過程中，會(huì)導(dǎo)致主塔兩側(cè)產(chǎn)生不均衡的水平分力，并引起索鞍水平方向的非線性位移，這些非線性互相耦合使得吊索張拉過程的計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，而且在分析方法上與常規(guī)自錨式懸索橋存在較大區(qū)別。

3 體系轉(zhuǎn)換施工

3.1 體系轉(zhuǎn)換控制因素

在吊索張拉初期，主梁重量主要由臨時(shí)支墩支撐，主纜處在空纜狀態(tài)，受力較少。在中、后期施工過程中，隨著吊索張拉數(shù)量的增大，主梁的荷載由臨時(shí)支墩逐漸轉(zhuǎn)移到主纜上，主纜的內(nèi)力越來越大，主纜的幾何剛度會(huì)逐漸增加，吊索的張拉應(yīng)力必須控制在安全的范圍內(nèi)。對(duì)于橋塔，主纜不平衡水平力過大會(huì)導(dǎo)致橋塔產(chǎn)生較大的彎矩，使橋塔變形甚至開裂，因此要控制好索鞍的預(yù)偏量及頂推。體系轉(zhuǎn)換過程中，應(yīng)考慮以下的控制因素：

（1）在空纜狀態(tài)下，可無應(yīng)力安裝的吊索優(yōu)先安裝；

（2）體系轉(zhuǎn)換過程中，保證吊索的安全系數(shù)≥2.0；

（3）體系轉(zhuǎn)換過程中，保證主梁的應(yīng)力、線形滿足規(guī)范要求，吊索張拉初期，主梁的應(yīng)力不宜過大，可通過多次調(diào)整，保證最后階段控制在規(guī)范的范圍內(nèi)；

（4）控制好索鞍的頂推量，使體系轉(zhuǎn)換過程中及成橋狀態(tài)的橋塔保持豎直，保證橋塔的最大彎矩在規(guī)范范圍內(nèi)。

3.2 體系轉(zhuǎn)換施工流程

該橋體系轉(zhuǎn)換的施工流程圖如圖2所示。

3.3 體系轉(zhuǎn)換施工過程

（1）索夾的安裝

該橋?yàn)榭臻g纜索結(jié)構(gòu)，主纜從鉛垂面向空間轉(zhuǎn)換，必然產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，為減少扭轉(zhuǎn)角，索夾安裝時(shí)需要進(jìn)行預(yù)偏角度。按照模擬計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行索夾的安裝以及角度預(yù)偏。

（2）吊索安裝

利用吊裝設(shè)備將吊索吊起，將吊索上端與索夾耳板用銷軸連接。對(duì)于不需要張拉的吊索，可直接將下端錨頭放入鋼導(dǎo)管并錨固在鋼箱梁下端的錨墊板上，而對(duì)于需要張拉的吊索，則先將張拉桿與吊索的下端錨頭連接，再將下端錨頭放入鋼導(dǎo)管內(nèi)。

（3）體系轉(zhuǎn)換方案

體系轉(zhuǎn)換是將橋梁的承載力由支架承載轉(zhuǎn)換到主纜及吊索承載的一個(gè)過程，吊索張拉的次數(shù)、索鞍頂推的次數(shù)和連接桿的長(zhǎng)度及數(shù)量將影響到體系轉(zhuǎn)換施工的工作量、工期以及成橋后纜索系統(tǒng)的整體受力，因此，應(yīng)制定合理的體系轉(zhuǎn)換方案。該橋采用Midas／civil 2015有限元分析軟件，進(jìn)行了三維建模結(jié)構(gòu)分析和模擬計(jì)算，模型三維圖見圖3。三維建模結(jié)構(gòu)分析：體系轉(zhuǎn)換過程中，所有吊索的最大應(yīng)力分布見圖4，圖中顯示：吊索的最大應(yīng)力為784MPa，那么安全系數(shù)：1770／784＝2.26≥2.0，滿足設(shè)計(jì)要求，由此確定了最優(yōu)的體系轉(zhuǎn)換方案。

擬定的體系轉(zhuǎn)換方案中，吊索的張拉順序?yàn)閺闹魉騼蓚?cè)依次張拉，先對(duì)主跨的7對(duì)吊索進(jìn)行張拉后，主跨、邊跨同時(shí)張拉。每對(duì)吊索的張拉次數(shù)不超過3次，每個(gè)吊點(diǎn)的張拉力控制3500kN以內(nèi)，整個(gè)體系轉(zhuǎn)換過程需要29步完成，具體的施工步驟如表1所示。

（4）吊索的張拉

該橋?yàn)榭臻g纜索結(jié)構(gòu)，體系轉(zhuǎn)換過程中，從空纜狀態(tài)到成橋狀態(tài)，主纜線形在橫橋向和豎直向均發(fā)生變化，導(dǎo)致吊索錨具的調(diào)節(jié)量不夠，需要采用連接桿來實(shí)現(xiàn)吊索臨時(shí)錨固，經(jīng)過三維建模結(jié)構(gòu)分析和模擬計(jì)算，每根吊索連接桿的長(zhǎng)度參數(shù)如表2所示。鑒于吊索的錨固點(diǎn)在鋼箱梁底部，體系轉(zhuǎn)換時(shí)，制作一個(gè)可移動(dòng)的張拉平臺(tái)，利用YCW400B系列千斤頂配合張拉桿、張拉設(shè)備等附件進(jìn)行吊索張拉，吊索張拉結(jié)構(gòu)如圖5所示。

表1 體系轉(zhuǎn)換方案

表2 吊索連接桿長(zhǎng)度

（5）索鞍的頂推

自錨式懸索橋在體系轉(zhuǎn)換過程中，因吊索張拉產(chǎn)生不平衡水平力，會(huì)導(dǎo)致塔頂發(fā)生偏移。依據(jù)三維建模結(jié)構(gòu)分析：體系轉(zhuǎn)換過程中，主塔會(huì)向主跨側(cè)產(chǎn)生豎向縱移，最大位移量為65mm。因此，該橋索鞍在初始安裝時(shí)，預(yù)先向邊跨側(cè)偏移65mm，并在索鞍的邊跨側(cè)安裝兩臺(tái)千斤頂用于索鞍頂推。體系轉(zhuǎn)換過程中，利用塔頂反力支架和千斤頂將索鞍分次頂推至規(guī)定位置，其頂推的位移量需結(jié)合塔頂位移、塔身應(yīng)力以及模擬計(jì)算加以確定。隨著主索鞍的多次頂推，使索鞍回到無偏移狀態(tài)，然后固定索鞍，最終完成體系轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)語(yǔ)

體系轉(zhuǎn)換仍是自錨式懸索橋體系在施工過程中重點(diǎn)控制的環(huán)節(jié)，需通過三維建模結(jié)構(gòu)分析和模擬計(jì)算，并進(jìn)行綜合比選來制定最優(yōu)的體系轉(zhuǎn)換方案。太原通達(dá)街汾河橋采用擬定的最優(yōu)方案進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換施工，并嚴(yán)格監(jiān)控施工過程，歷時(shí)40多天最終完成了體系轉(zhuǎn)換。成橋后的索力值與理論索力較為吻合，主纜線型與設(shè)計(jì)線形基本一致，驗(yàn)證了三維建模結(jié)構(gòu)分析和模擬計(jì)算的必要性和可靠性，可以為同類型自錨式空間懸索橋的施工提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)及參考。