自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換吊索張拉設(shè)計(jì)

劉少華

（北京國(guó)道通公路設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，北京 100161）

引言

自錨式懸索橋主纜錨固于加勁梁兩端，吊索與主纜受拉，加勁梁受壓彎曲，構(gòu)成自平衡索支承體系。其受力模式與斜拉橋相近[1-2]。兩種橋型都是高次超靜定結(jié)構(gòu)，加勁梁受力對(duì)吊索力變化非常敏感，加勁梁和主纜所承擔(dān)的恒荷載比例可以通過(guò)吊索張力大小的改變來(lái)調(diào)整，從而達(dá)到合理的成橋狀態(tài)[3]。因此，自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換吊索張拉方案的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)理想成橋狀態(tài)的重要一環(huán)。

1 自錨式懸索橋體系轉(zhuǎn)換

1.1 體系轉(zhuǎn)換方法

自錨式懸索橋是一種自平衡體系，其主纜直接錨固于加勁梁兩端，由加勁梁來(lái)承擔(dān)主纜的水平分力。這造成了自錨式懸索橋一般必須先施工主梁，然后施工主纜，即先施工加勁主梁，后架設(shè)主纜的施工順序；待主纜架設(shè)完畢，分批張拉吊索完成體系轉(zhuǎn)換。

目前，先梁后纜的施工法，其體系轉(zhuǎn)換又可以分成吊索張拉法和一次落梁法。吊索張拉法是以支架或臨時(shí)墩上主梁為初始狀態(tài)，通過(guò)分批吊索的張拉，實(shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換；而落梁法是主梁線形有所抬升或頂升為初始狀態(tài)，通過(guò)逐步卸架、松頂?shù)姆绞?，?shí)現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換。

1.2 體系轉(zhuǎn)換方案原則

自錨式懸索橋合理成橋狀態(tài)確定完成后，施工過(guò)程的體系轉(zhuǎn)換都以此為目標(biāo)。吊索張拉完成時(shí)體系轉(zhuǎn)換后懸索橋的各構(gòu)件的受力滿足規(guī)范要求，線形符合設(shè)計(jì)預(yù)期。另外，體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中還需滿足吊索與套筒、主纜與主梁錨固套筒不相碰幾何相容原則，體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中橋梁各構(gòu)件受力安全原則及體系轉(zhuǎn)換施工經(jīng)濟(jì)原則。

2 工程實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

京承聯(lián)絡(luò)線潮白河大橋?yàn)橐华?dú)塔自錨式懸索橋，跨徑組合為35 m +135 m +165 m +35 m，其中兩側(cè)各設(shè)有35 m 預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆箱梁配跨，索區(qū)主梁為扁平鋼箱梁。主纜采用對(duì)稱布置，橫橋向主纜間距29.5 m，在成橋狀態(tài)下，主跨跨度為159.8 m，理論矢高12.583 m，矢跨比為1∶12.7；邊跨跨度為129.8 m，跨中垂度為8.343 9 m，垂跨比為1∶15.556。

吊索采用垂直布置見(jiàn)圖1，間距9.0 m，兩側(cè)錨固處各設(shè)一對(duì)D130 mm 剛性吊桿；其余吊索采用85絲φ7 mm 的預(yù)制平行鋼絲束，共25 對(duì)。全橋吊索自左向右分別為S1 號(hào)吊索至S27 號(hào)吊索，其中左邊邊跨為S1 ～S12，右邊主跨為S13 ～S27[1]。

圖1 橋型布置/cm

2.2 有限元分析

采用橋梁空間非線性分析系統(tǒng)BNLAS 計(jì)算。BNLAS 由兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：主纜線形分析系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)空間計(jì)算分析系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)空間計(jì)算分析子系統(tǒng)基于非線性有限元理論，計(jì)入纜索單元的強(qiáng)變形、易轉(zhuǎn)動(dòng)空間因素，運(yùn)用數(shù)值法求解單元的內(nèi)力及位移[1,4]。體系轉(zhuǎn)換吊索張拉采用此程序模擬計(jì)算。

將懸索橋主纜線形計(jì)算系統(tǒng)循環(huán)迭代所得理想成橋狀態(tài)的主纜線形代入結(jié)構(gòu)空間計(jì)算分析系統(tǒng)?；谟邢尬灰评碚?，設(shè)定主梁的吊索端錨固點(diǎn)和支座支撐點(diǎn)的豎向位移逼近于零；水平位移在吊索上錨端逼近于零；計(jì)入主梁預(yù)長(zhǎng)、橋塔預(yù)高等彈性伸縮補(bǔ)償，保證主纜矢高不變，主纜各控制點(diǎn)位移趨近于零的目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行空間計(jì)算分析[1]。

計(jì)算按實(shí)際施工順序：（1）橋塔柱施工；（2）在支架上澆筑混凝土梁段和鋼混結(jié)合梁段；（3）在支架上拼裝鋼箱梁進(jìn)行頂推；（4）鋼箱梁合攏；（5）主纜的架設(shè)與安裝；（6）分批次張拉吊索，達(dá)到一期恒載受力狀態(tài)；（7）橋面鋪裝，成橋狀態(tài)分析[1]。

2.3 吊索張拉方案的設(shè)計(jì)及計(jì)算

潮白河大橋采用先施工主梁，后架設(shè)主纜的施工順序。體系轉(zhuǎn)換的吊索張拉設(shè)計(jì)，遵循體系轉(zhuǎn)換的幾何相容、結(jié)構(gòu)受力安全及經(jīng)濟(jì)的原則。在吊索張拉的各個(gè)階段，無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度控制是吊索張拉的主要控制方法，某些吊索同時(shí)采用張拉力進(jìn)行配合。

本橋?yàn)楠?dú)塔非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、力學(xué)特性以及鋼加勁梁假設(shè)方案等，吊索張拉順序：（1）自橋塔向兩錨跨張拉；（2）自左邊跨最短吊索開(kāi)始，自左向右張拉；（3）自右邊跨最短吊索開(kāi)始，自右向左張拉。經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算分析，按從橋塔向兩錨跨的順序張拉最易控制且結(jié)構(gòu)受力最好。以下對(duì)按這種順序張拉吊索時(shí)的兩個(gè)設(shè)計(jì)施工方案進(jìn)行分析。吊索在張拉控制過(guò)程中遵循：張拉力不能太大，也不能超過(guò)吊帶的允許張力。若按無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度一步到位進(jìn)行張拉錨固時(shí)吊索張拉力太大，需先通過(guò)張拉力控制將相鄰的吊索拉到一定的力。吊索張拉的次數(shù)及張拉力的大小，應(yīng)按每個(gè)吊索張緊力不超過(guò)允許值的原則計(jì)算和確定。

2.3.1 自橋塔向兩錨跨1 對(duì)吊索順序張拉（方案一）

此張拉方案每一步驟張拉錨固1 對(duì)吊索，以合理成橋狀態(tài)計(jì)算得到的吊索無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)控制。張拉步驟：主跨自橋塔開(kāi)始依次按無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度將S13 ～S15號(hào)吊索張拉到位，每一步張拉1 對(duì)吊索，共需3 步；然后頂推主索鞍。第4 步將邊跨S12 號(hào)吊索張拉到位；第5 步張拉主跨S16 號(hào)吊索到位；第6 步張拉邊跨S11 號(hào)吊索到位；按此方法邊跨、主跨依次交替張拉，第13 步按無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度將主跨S20 號(hào)吊索張拉到位，第14 步將S6 號(hào)吊索張拉至1 200 kN，S7 號(hào)吊索張拉到位；按此規(guī)律張拉剩余吊索。

在整個(gè)吊索的張拉過(guò)程中，吊索的安全系數(shù)較大，見(jiàn)圖2、圖3。隨著吊索按順序張拉，各吊索受力逐漸增大，部分臨時(shí)采用張拉力控制張拉的吊索也隨著第二輪吊索的張拉完成達(dá)到設(shè)計(jì)索力。在吊索的張拉過(guò)程中，鋼主梁由大間距臨時(shí)支架支撐的連續(xù)梁受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為小間距吊索支撐的壓彎受力模式，主梁上緣最大壓應(yīng)力78.77 MPa，下緣最大壓應(yīng)力63.21 MPa。方案一按兩輪張拉，靠近主塔吊索一次張拉到位，遠(yuǎn)離主塔吊索需2 次張拉到位；共分27 個(gè)張拉步驟，全部吊索張拉完成。共需4 臺(tái)千斤頂，需要20 根0.5 m 吊索接長(zhǎng)桿?？紤]到接長(zhǎng)桿可以重復(fù)使用，共需4 根0.5 m 接長(zhǎng)桿。

2.3.2 自橋塔向兩錨跨2 對(duì)吊索對(duì)稱張拉（方案二）

由于邊跨與主跨非對(duì)稱，在主跨依次按無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度張拉完S13 ～S15 號(hào)吊索、頂推主索鞍后，余下每一步驟張拉錨固2 對(duì)吊索，以合理成橋狀態(tài)計(jì)算得到的吊索無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度控制。第4 步至第8 步分別 對(duì) 稱 將S12 與S16、S11 與S17、S10 與S18、S9與S19、S8 與S20 號(hào)吊索張拉到位；第9 步先對(duì)稱張拉S6、S22 號(hào)吊索至1 200 kN，再對(duì)稱張拉S7、S21 號(hào)吊索到位；按此規(guī)律張拉剩余吊索，直至第14 步先對(duì)稱張拉S1、S27 號(hào)吊索至1 600 kN，再對(duì)稱張拉S2、S26 號(hào)吊索到位；最后第15 步對(duì)稱張拉S1、S27 號(hào)吊索到位。

圖2 主跨S13 ～S27 號(hào)吊索各張拉階段索力

圖3 邊跨S1 ～S12 號(hào)吊索各張拉階段索力

如圖4、圖5 所示，在整個(gè)吊索的張拉過(guò)程中，吊索的安全系數(shù)足夠大，隨著兩輪吊索的全部張拉完成，吊索力達(dá)到設(shè)計(jì)索力；剛主梁上下緣應(yīng)力逐漸增大，具備足夠的應(yīng)力安全儲(chǔ)備。方案二按兩輪張拉，靠近主塔吊索一次張拉到位，遠(yuǎn)離主塔吊索需2 次方能張拉到位；共分15 個(gè)張拉步驟，全部吊索張拉完成。共需8 臺(tái)千斤頂，需要24 根0.5 m 吊索接長(zhǎng)桿，考慮接長(zhǎng)桿可以重復(fù)使用，共需8 根0.5 m接長(zhǎng)桿。

圖4 主跨S13 ～S27 號(hào)吊索各張拉階段索力

圖5 邊跨S1 ～S12 號(hào)吊索各張拉階段索力

由兩種吊索張拉方案計(jì)算比較分析可知，京承聯(lián)絡(luò)線潮白河獨(dú)塔自錨式懸索橋兩種體系轉(zhuǎn)換吊索張方案，均為兩輪張拉。整個(gè)吊索張拉過(guò)程中吊索安全儲(chǔ)備大，各吊索逐漸受力達(dá)到設(shè)計(jì)索力。隨著吊索的張拉，鋼主梁由大間距臨時(shí)支架支撐的連續(xù)梁受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為小間距吊索支撐的壓彎受力模式，主梁應(yīng)力儲(chǔ)備安全。從施工方面來(lái)說(shuō)，方案一分27 個(gè)張拉步數(shù)，全部吊索張拉完畢，共需4 臺(tái)千斤頂和4 根0.5 m 臨時(shí)接長(zhǎng)桿；方案二分15 個(gè)張拉步數(shù)，全部吊索張拉完成，共需8 臺(tái)千斤頂和8 根0.5 m 臨時(shí)接長(zhǎng)桿。方案二由于采用對(duì)稱張拉，施工協(xié)調(diào)控制較方案一復(fù)雜，綜合來(lái)說(shuō)，兩種方案均滿足要求，且控制值均比較合理。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于非對(duì)稱獨(dú)塔自錨式懸索橋，綜合考慮結(jié)構(gòu)受力及空纜和成橋狀態(tài)時(shí)跨中標(biāo)高相差較大避免使用接長(zhǎng)桿的因素，宜采取先張拉橋塔處吊索，從橋塔處向兩側(cè)張拉吊索比較容易控制。（2）同步張拉多根吊索，張拉步數(shù)比較少，施工工期較短，但需要的張拉千斤頂、接長(zhǎng)桿數(shù)量較多，且張拉協(xié)調(diào)控制較復(fù)雜。（3）驗(yàn)證了采用無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度控制法進(jìn)行吊索的安裝張拉，張拉操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、可控性強(qiáng)，可以比較準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)自錨式懸索橋的體系轉(zhuǎn)換。