空间非对称独塔自锚式悬索桥吊索张拉施工研究

程俭廷，张俊平，张力文

(1.广州诚安路桥检测有限公司，广东广州 510420;2.广州大学土木工程学院，广东广州 510006;3.同济大学桥梁工程系，上海 200092)

由于自锚式悬索桥施工方法的特殊性，在施工过程中，吊索张拉的顺序、索力的大小决定了成桥后的主缆线形和结构受力。因此，为了保证施工期间结构安全、能达到合理的成桥状态，需要制定正确的吊索张拉等级和张拉顺序。猎德大桥是一座空间非对称独塔自锚式悬索桥，其吊索张拉方法不同于以往研究的传统自锚式悬索桥［1-5］，具有特殊性。为此，本文以猎德大桥为依托，对该桥型的吊索张拉等级、张拉顺序进行研究，找出适用于该桥型吊索张拉施工方法。

1 研究背景

猎德大桥跨径为(47+167+219+47)m，主缆和吊索均为空间布置。加劲梁左边跨和主跨采用单箱三室流线形扁平钢箱梁;锚固跨为预应力混凝土结构(C50)。主塔采用预应力混凝土结构(C50)。整个吊索张拉过程通过ANSYS进行仿真分析。主缆与吊索采用Link10单元(拉单元)，加劲梁与主塔采用Beam4单元，支撑结构采用Link10单元(压单元)。建模时，将加劲梁材料统一等效为钢结构。边墩处约束主梁的竖向自由度和扭转自由度;主桥和引桥交接处约束竖向自由度、横向自由度以及扭转自由度;索塔和钢箱梁的交界处设置横向支座。图1是结构立面及平面图，图2为有限元模型。

2 吊索张拉工况

2.1 张拉等级

自锚式悬索桥在吊索张拉中一般采用逐步分等级张拉吊索迫近成桥索力，由此，梁体在张拉中何时脱模的问题是值得探讨的问题。吊索合理张拉状态的确定原则是:既要避免由于张拉力过大而出现大应力、大位移的情况;又要避免由于张拉力过小而带来不必要的张拉轮次和施工工时增多。对于吊索张拉力而言，在所建的自锚式悬索桥实际工程中，大致有以下3种方法［4，6］:

1)将脱模前理想吊索力P分级张拉，共分为5级，分别为 0.2P，0.4P，0.6P，0.8P 和 1.0P。在前 3级(0.2P，0.4P，0.6P)执行全桥张拉工序，在第4级和第5级(即0.8P和1.0P)执行中跨张拉工序。此后，还会对吊索执行几次张拉，这是对吊索的补张拉过程，以调整张拉力的合理状态。

2)完成了吊索安装的第一遍张拉，可称之为“安装张拉”。张拉力大约为理想吊索力P的1/4。安装张拉结束时，并非全部吊索都已经受拉。逐渐对吊索实行P/4，P/2，3P/4及P等四阶段的张拉。

3)确定30%理想索力状态、60%理想索力状态和100%的理想索力。

综合以上的吊索张拉力的分级情况，结合本文研究内容，拟定以30%理想索力状态、60%理想索力状态和100%的理想索力，共三阶段进行张拉。

正装分析模拟吊索施工的思路:以主缆空缆状态为起始状态，在吊索的下锚固点分批次施加等同于30%加劲梁恒载作用的节点荷载，并给主缆和吊索单元赋初应变值模拟结构初始应力刚度，打开程序应力刚化效应和大位移控制开关，计算结构的受力和位移变化情况，并以这个状态下吊索的内力值作为该理想状态下吊索张拉控制值和后继计算的初始状态。具体索力见表1。

图1 结构立面及平面图(单位:m)

图2 有限元模型

2.2 张拉顺序

对于一般的双塔三跨自锚式悬索桥，最常用的做法都是先从主塔开始张拉，因为可以减少接长杆的数量，而且在张拉过程中，对主缆的影响较少。较短的吊索索力较小，放在较后张拉，可以减少前面张拉对其的影响，并最终减少张拉次数。另外在张拉中都采用对称张拉，以保证整个自平衡结果的稳定性。主要张拉顺序有:

1)从跨中向两边张拉吊索，到一定阶段后边跨从锚固处张拉。

2)从跨中1/4及3/4处分别向主塔和跨中张拉，边跨也从跨中开始向主塔及锚固处张拉。

3)从两主塔处开始向主跨跨中张拉，边跨部分则向锚固处张拉。

4)从主塔同时向主、边跨开始张拉。

考虑到猎德大桥的独塔结构和在跨度上的不对称性，为保证整个桥体的稳定安全，拟定了2种张拉方案:①方案1是从塔处开始，向主跨梁端张拉13#，14#，15#，16#共 4对吊索;然后依次张拉主、边跨余下吊索，张拉次序为 12#，17#，11#，18#，…，直到最后张拉28#吊索。②方案2是先对13#～16#吊索进行张拉后，同时对主、边跨的吊索对称张拉，即12#和17#吊索同时张拉，其余相同。

表1 张拉阶段索力值 ×105N

全桥张拉完后对没有达到预定索力的吊索再进行第二次张拉。张拉控制的标准是张拉的强度应保证安全系数不少于2，安装后的吊索长度不短于成桥时需要的吊索长度。在吊索张拉过程中，要对吊索进行临时接长。具体张拉顺序见表2。对于每阶段的张拉力，由于篇幅原因不再详述。

表2 张拉顺序方案

3 结果分析

3.1 张拉等级分析

图3和图4分别是各个张拉阶段下，主缆的位移变化和加劲梁的弯矩变化。

图3 主缆位移变化

图4 加劲梁弯矩变化

由上可以看出，在不同的索力张拉等级下，主缆的非线性较为明显，但加劲梁相对呈现线性的状态。通过索力的不断增大，基本可以达到一期恒载的理想索力。在吊索索力整体提升的情况下，索塔弯矩相对较小，因此同时张拉多对吊索对索塔的弯矩的减小是有帮助的。但由于各吊索是同时增加，还不能看出吊索的张拉对相邻索力的影响，这点在下一节的张拉顺序分析中会做进一步的探讨。

3.2 张拉顺序分析

在张拉顺序分析中发现，对于两种不同的张拉顺序，结构表现出了不同的受力响应。在方案1中:

1)吊索出现了松弛，甚至零拉力的现象。例如22#吊索(图5)，在33～36张拉步骤时，索力均为零值。

图5 22#吊索索力变化

2)索塔底部以及索塔处的加劲梁则存在很大的弯矩。例如，在张拉13#吊索时，索塔底部弯矩达到5.89×106N·m，加劲梁跨中弯矩达到2.11×107N·m;在张拉16#吊索时，索塔底部弯矩达到1.12×107N·m，加劲梁跨中弯矩达到1.89×107N·m;在张拉7#吊索时，索塔底部弯矩达到0.99×107N·m，加劲梁跨中弯矩达到1.91×107N·m;在张拉22#吊索时，索塔底部弯矩达到1.32×107N·m，加劲梁跨中弯矩达到1.76×107N·m。

3)索塔左右索力呈现出非对称性。例如张拉3#吊索(图6)，在索塔左右相对位置的吊索索力相差较大，这会使主缆左右两跨产生不平衡的水平力，对桥塔受力非常不利。

图6 张拉3#吊索时各索索力

而对于按方案2的顺序进行张拉时，结构呈现出了较合理的受力响应。在拉索松弛、索塔和主梁弯矩、索力的均匀性以及主缆位移方面有了很大改善。例如:第22#索在各张拉阶段下未出现吊索松弛，索力为零的现象(图7);张拉3#，26#吊索时(图8)，各索索力分布比较对称、均匀;索塔处加劲梁的弯矩大大减小，约比初期方案减小了30%(图9);主缆的变形较为平滑，且变形量较小(图10)。

另外，在分析过程中还发现主缆位移的弱相干性和吊索索力的相邻影响性［7］除了在张拉初期外，基本没有体现出来。

例如，在张拉完12#吊索(方案1)，再张拉17#吊索时，12#吊索索力明显增大(图11，图12)。其它吊索亦存在此类现象。这说明，吊索的张拉不仅对邻近的吊索产生较大的影响，同时，由于张拉没有在主边跨上同时进行，在张拉吊索时，还会对另外一跨的吊索存在影响。而且随着张拉的不断进行，单根吊索的张拉所影响的吊索范围更加大。

而在张拉第一根13#索时，主跨的主缆变形为30.5 cm，在边跨的大部分吊点均有较小的向上变形;但在张拉16#索时，主缆最大变形为45.2 cm，在其它吊点的变形同样较大，吊点位移的相邻影响同样不成立。

图7 22#吊索索力变化

图8 张拉3#，26#吊索时各索索力

图9 优化前后索塔勃对比

图10 主缆位移

图11 张拉12#吊索其它吊索索力变化

图12 张拉17#吊索其它吊索索力变化

4 结论

1)通过张拉等级分析，可知所得吊索索力基本使加劲梁的弯矩变化在一个较小的范围。在这种情况下，由于大部分吊索都是同时成对进行索力提高，索塔的弯矩变化和大小都较小，因此对称张拉吊索可以减少顶推的距离和次数。

2)对于该类桥型在施工张拉机具允许的情况下，应尽可能采用从主塔开始对称同步张拉。这样不但可以减少不平衡力对自平衡体系的影响，同时加快施工进度，减小接长杆的数量或长度，削弱吊索索力的松弛现象，减少顶推索鞍的次数和距离。

3)主缆位移的弱相干性和吊索索力的相邻影响性不合理。自锚式悬索桥的吊索在张拉的时候，相邻吊索、非相邻吊索以及不同跨吊索之间的索力相互影响，部分吊索在其他吊索张拉的情况下，松弛现象突出。主缆在张拉时相邻吊点之间的变形互相影响，且影响存在非线性。

［1］杨俊，沈成武．基于影响矩阵法的自锚式悬索桥施工张拉力确定［J］．武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2009，33(3):588-591．

［2］金清平，陈长明．自锚式悬索桥吊索张拉施工分析［J］．武汉理工大学学报，2009，31(10):77-80．

［3］宋旭明，戴公连．自锚式悬索桥主缆线形计算方法及施工过程分析［J］．中外公路，2009，29(6):135-140．

［4］金清平．自锚式悬索桥吊索施工张拉合理状态的确定［D］．武汉:武汉理工大学，2005．

［5］邱建冬．自锚式悬索桥吊索张拉优化控制分析［D］．重庆:重庆交通大学，2010．

［6］肖海波．自锚式悬索桥的力学特性分析［D］．杭州:浙江大学，2004．

［7］张哲．混凝土自锚式悬索桥［M］．北京:人民交通出版社，2005．