斜拉橋橋塔豎轉工藝拉索受力性能研究

徐 琛

[上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市200433]

0 引言

目前在空間網狀索面獨塔斜拉橋的橋塔施工過程中，鋼主塔常規(guī)采用支架法，人工輔助，節(jié)段空中焊接作業(yè)。既不安全，功效也低。此類橋塔一般可以考慮采取“橫拼豎轉”法，豎向轉體臨時結構主要由油缸、拉索、拉桿、壓桿、背索、轉鉸等組成，其中由李宇航對液壓油缸進行了研究分析[1]，由楊士成對轉動鉸進行了研究分析[2]。本文以某景觀斜拉橋梁為背景，對拉索在施工各階段受力狀態(tài)開展理論計算與現場實際監(jiān)測，并做了分析與對比。該橋梁是空間網狀索面獨塔景觀斜拉橋，橋塔為鋼塔，在成橋狀態(tài)下與主梁成82°夾角，向主跨傾斜，塔高104 m，采用豎向轉體法施工，轉體重量1 150 t，見圖1。

圖1 橋梁效果圖

1 拉索的作用

拉索是轉體臨時結構的重要組成部分，通過拉索將千斤頂產生的拉力傳導到至塔體進而使得橋塔由水平靜止狀態(tài)，以轉鉸為軸心，實現豎向轉體動作。拉索在此過程中主要承受拉應力，傳遞拉力和控制位移。目前常規(guī)應用中，拉索分剛性拉索和柔性拉索兩種，其中剛性拉索較多采用組合型鋼形式，柔性拉索則多采用平行鋼絲拉索或鋼絞線拉索。

相比剛性拉索，柔性拉索具有自重輕，安裝簡易，傳力順暢且價格低，運輸方便等優(yōu)點，相比平行鋼絲，鋼絞線標準強度大，整索自重輕，下料進度要求低、更換便捷、可單根調整索力等優(yōu)點。由此可見，采用鋼絞線作為拉索使用更具合理性。

2 豎轉工藝

2.1 豎轉臨時結構

主塔施工在邊跨現澆箱梁主橋完成施工后進行，主塔分節(jié)段用履帶吊吊裝至邊跨橋面拼裝胎架完成邊跨側主塔橫臥拼裝后并焊接成一個整體，然后安裝轉體臨時結構；豎向轉體臨時結構見圖2，其中拉索采用25×Φ17.8 鋼絞線，共4 束，分南北2 組。

圖2 豎轉臨時結構布置圖

2.2 轉體步驟

利用前錨4 臺560 t 穿心千斤頂逐級加載，采用“位置同步，載荷跟蹤”法通過行程傳感器，檢測南北兩側錨點轉體行程，通過計算機進行實時調節(jié)，確保兩者最大差值不超過1 cm，在同一側的兩個轉體油缸，壓力并聯使用，各臺千斤頂之間拉力差值不大于20 t。使穿心千斤頂按照20%→40%→60%→80%→100%逐級進行加載張拉拉索，通過拉索傳力。過程中以索力控制為主，線形控制為輔的“雙控”措施。

鋼主塔橫臥0°狀態(tài)→張拉拉索，使鋼主塔脫離胎架10 cm，靜載24 h→分級張拉拉索，塔體豎轉至20°→分級張拉拉索，塔體豎轉至41°→塔體豎轉至41°，張拉背索，并分級加載到指定荷載→分級加載張拉拉索和背索，塔體豎轉至60°→分級加載張拉拉索和背索，塔體豎轉至70°→分級加載張拉拉索和背索，塔體豎轉至82°→對位焊接橋塔根部，分級張拉B1 和Z1 永久索形成自穩(wěn)，拆除臨時結構，完成橋塔轉體施工，見圖3。

圖3 橋塔豎轉立面示意圖

3 拉索的不同施工階段有限元分析

該橋為高次超靜定結構，且橋塔為傾斜構造，采用豎轉施工，施工過程中結構體系將隨施工階段不同而變化，鋼絞線作為主要傳力構件的類似工程施工經驗較少，施工控制難度較高。受此影響可能引起橋塔內力和位移偏離設計理論值，這種偏離累積到一定程度如不及時加以調整修正，有可能在施工過程中發(fā)生安全事故或成橋后斜拉橋結構的理想受力狀態(tài)將難以保證。因此施工過程中必須通過拉索對結構線形及內力進行控制，及時掌握結構實際狀態(tài)，對施工步驟及控制條件作出調整，防止施工中的誤差積累，保證最終的成橋線形及結構受力合理。

利用MIDAS CIVIL計算軟件，將塔體離散成空間桿系，建立有限元靜力分析模型，分析每一豎轉工況，依次計算各施工工況下結構的內力與變形。塔體和剛性壓桿設定為梁單元，拉索設定為桁架單元。模型中拉索分兩組，見圖4～圖7。各工況計算結果見表1。

表1 各工況計算結果表

圖4 拉索、柔性拉桿最大張拉力值（單位：kN）

圖5 塔體最大應力（單位：MP a）

圖6 壓桿最大應力值（單位：MP a）

圖7 結構最大變形圖（單位：mm）

4 拉索受力與理論分析的對比

為降低初始提升力，一般考慮提高初始起扳角度，以10°為例，該工藝下拼裝胎架為傾斜狀態(tài)，相較于0°，拼裝胎架高度有所提高，且每個格構柱標高均不一致，要求測量精度較高。塔尖尾端最后一個格構柱10°狀態(tài)下比0°狀態(tài)下要加高15 m，橫臥拼裝焊接難度和高空作業(yè)風險增大。

綜上所述，初始起扳角度選取為0°更適合于該工程。這勢必會提高拉索提升力，故對實際轉體各工況的拉索索力進行監(jiān)測，通過實際采集的索力數據，跟蹤計算分析理論狀態(tài)，得出和反饋控制措施，驗證0°狀態(tài)作為初始狀態(tài)的合理性與可靠性。

該工程實施過程中，通過在拉索表面設置應力計進行拉索拉力的監(jiān)測，并在不同轉體角度時進行數據采集，具體數據見表2。通過采集的數據與有限元分析理論值進行對比分析，理論與現場變化軌跡基本吻合，且橋塔豎轉過程中，整體空間姿態(tài)較為理想，變化趨勢見圖8。橋塔最終對口位置準確無誤。

表2 塔體豎轉拉索拉力監(jiān)測結果表 單位：kN

圖8 監(jiān)測截面應力測點變化趨勢圖

由表2 和圖8 可知，橋塔豎轉過程中，受滾軸摩擦影響，南側牽引索張拉力均略大于北側牽引索張拉力，但整體誤差均在4.5%以內，滿足設計和規(guī)范的要求。

5 結語

（1）針對高度較高的橋塔采用豎向轉體法可有效解決高空作業(yè)風險，提高施工效率，保證安裝精度。較常規(guī)吊裝方案具有顯著優(yōu)勢。

（2）拉索采用鋼絞線拉索相較剛性拉索與平行鋼絲拉索具有經濟性好、安全性高、安裝方便、受力狀態(tài)清晰等優(yōu)點，更適用于高度較高、重量較大的塔體豎轉施工。

（3）拉索在轉體各階段的受力狀態(tài)通過采用有限元理論分析，實測采集數據結果與之相比基本吻合。

（4）本文未對柔性拉桿和剛性壓桿開展理論與實際研究對比分析，建議后續(xù)開展相應研究，并結合拉索的研究開展總體論證。