基于无索鞍预偏的悬索桥施工控制计算分析

李盛洋 檀永刚 潘盛山

（湖北交通规划设计院1） 武汉 430051） （大连理工大学建设工程学部2） 大连 116024）

0 引 言

在悬索桥施工过程中，为平衡施工阶段中主塔塔顶所受不平衡水平力，需设置索鞍预偏量；通过在不同施工阶段顶推索鞍，实现对塔顶不平衡力的消除，保证施工阶段中主塔受力合理．主梁架设过程中索鞍在塔顶的位置要不断变化，以至于主缆与索鞍的分离点或切点不断变化，从而改变主塔两侧主缆轴力的水平分力，实现消除施工阶段中塔顶的不平衡水平力［1］．

无索鞍预偏施工方法则是从索鞍安装时就将主索鞍与塔顶固接，施工过程中，通过分阶段张拉边跨主缆（背索），增大边跨主缆张力的方式，消除索塔的不平衡水平力，使成桥后结构的内力和线形与设计理想状态相一致．该方法曾用于施工云南澜沧江悬索桥［2］．该桥在施工过程中，将主索鞍与主塔顶永久固结，通过在锚固跨设置千斤顶，分阶段张拉边跨索股而增大边跨主缆张力的方式消除塔顶水平位移，从而达到纠偏的目的．

对于空间索面悬索桥，由于索鞍与竖直面呈一定角度，索鞍与塔顶接触面受力复杂，活动索鞍安装困难，且施工过程中，索鞍顶推的精度难以控制，通过使用无索鞍预偏施工方法，施工阶段中无需顶推索鞍，免去活动鞍座的安装，可有效解决以上所述难题．对于主缆轴力在一定范围内的悬索桥，通过在主缆两端设置冷铸锚，通过安置于4个锚碇内的4台千斤顶，即可实现对全桥边跨主缆力的调整，操作简单，且能有效保证张拉控制精度．对于主梁通过支架施工的悬索桥，体系转换通过逐步张拉吊杆实现；体系转换完成之前，主梁均由支架支撑，这样可通过调整施工阶段中吊杆张拉控制力，充分利用结构受力性能，使张拉步骤减至最少，节省施工成本．在综合考虑施工难易度，控制精度及施工成本后，最终确定采用了无索鞍预偏施工方法实现青龙山公园一号桥的体系转换，并根据这一施工方法进行施工控制计算分析．

1 工程概况

青龙山公园一号桥位于营口经济技术开发区，跨径布置为20．7m＋70m＋20．7m，理论矢高15．31m，矢跨比1∶4．57．该桥为地锚式空间索面悬索桥，缆索面与竖直面呈14．13°夹角．主梁采用混凝土箱型主梁，单箱3室，梁高1m，宽11m．主塔采用钢筋混凝土实心截面主塔，高20．7m．吊杆采用镀锌高强钢丝，桥面吊杆间距4 m．主缆为成品缆索体系，采用镀锌平行钢丝．主缆通过索鞍后，直接锚固在两侧山体上的重力式锚锭里．

本桥施工采用“先梁后缆”的施工方法，即先将主梁、主塔浇注完成后，再安装主缆、吊杆，最后通过张拉吊杆使主梁脱模，最后拆除支架，实现结构体系转换．

该桥的立面、平面图见图1～2．

图1 桥梁立面布置图（单位：cm）

图2 桥梁平面布置图（单位：cm）

2 无索鞍预偏法的优点

青龙山公园一号桥主缆为空间索面，索鞍轴线与主桥中心线呈14．13°，见图3．由于索鞍偏转角的存在，使得索鞍与塔顶之间有较大横向力；相比竖直索面悬索桥，索鞍滑道需设置相应的横向位移限制，这增加了滑动索鞍安装的难度．同时由于偏转角度的存在，各阶段对索鞍顶推位移量的精度也较竖直索面悬索桥更加难以控制［3］．采用无索鞍预偏施工方法，施工阶段中索鞍固定于主塔塔顶，无需安置索鞍滑道，降低了施工难度．

图3 索鞍布置图

该桥主缆设计轴力为5 200kN，采用成品缆索体系．由于主缆轴力较小，可通过在主缆两端安装张拉端锚具，在施工阶段中，通过安置于桥梁两端锚锭内的4台6 000kN千斤顶张拉一次即可实现对边跨主缆（背索）张拉力的一轮调整．对于使用散索鞍的悬索桥，边跨主缆张拉力每调整一次，就需使用多台千斤顶张拉每一根索股，这使得边跨主缆张拉力调整的工作量较大，也容易造成张拉过程中主缆力在单根索股上的不均匀分配．然而对于主缆使用单根成品索的悬索桥，背索张拉可通过张拉主缆两端冷铸锚完成，易于操作，节省施工成本，且能有效保证工程精度．见图4．

图4 张拉背索示意图

综上所述，无索鞍预偏施工方法避免了在桥塔塔顶处安装庞大的索鞍顶推装置；免去了塔顶活动索鞍的安装，使施工成本大大降低；通过索端设置冷铸锚，通过4台千斤顶即可实现对背索张拉，施工简单，且能够保证张拉精度．经过综合考虑，最终该桥采用无索鞍预偏方法施工．

3 控制难点

无索鞍预偏施工方法施工监控主要有以下控制难点．

1）边跨主缆放张量的确定 空缆状态下，边跨主缆的无应力索长与成桥状态下无应力索长的差值定义为边跨主缆放张量．对于无预偏施工方法，主塔塔顶处由主跨主缆和边跨主缆产生的不平衡力要靠改变边跨主缆无应力索长实现．因此，空缆状态下边跨主缆的无应力索长值需能保证在空缆状态下，主塔两侧主缆轴力的水平力分力相等．施工监控计算中，需计算空缆状态塔顶不平衡力，并通过给边跨主缆一定的放张量，实现塔顶不平衡力的消除．结构空缆状态下，边跨主缆放张量，对应索鞍预偏施工中的索鞍预偏量．

2）主塔塔根应力确定 悬索桥施工控制中，主塔塔根应力是重要控制指标．索鞍无预偏施工的悬索桥在施工过程中，随着施工阶段推进，逐步张拉锚跨索股，目的是为了保证索塔的受力在允许的范围内［4］．张拉过程中，需保证主塔处于全截面受压状态．塔根较小的压应力储备，会增加结构不安全性；较大的压应力储备，又会使张拉步长变小，张拉次数增多，同时也使施工难度增加．

3）边跨主缆及吊杆张拉力的确定 在施工控制计算中，通过合理确定各阶段吊杆及背索张拉力，将主塔塔根应力控制在一定范围的同时，使得张拉步骤最简．无索鞍预偏施工阶段中，通过张拉边跨主缆实现主塔纠偏．本文在计算中，计算边跨主缆张拉力时，考虑通过对张拉边跨主缆实施超张拉，使得本阶段结束时，主塔塔顶产生偏向边跨位移，为下一轮吊杆张拉提供一定的应力储备．通过合理控制边跨主缆及吊杆张拉力，使得施工阶段中，主塔根部不产生拉应力，同时将张拉步骤减至最少．

4 合理成桥状态及边跨主缆放张量的确定

4．1 合理成桥状态

合理成桥状态是结构计算的基准状态．合理成桥状态下结构应满足以下条件：在恒载作用下，主缆线形平顺，主缆矢高、主缆吊点及主梁标高与设计相符，吊杆力均匀，主塔直立．本文使用RM专业桥梁分析软件，使用ACCDON模块进行悬索桥合理成桥状态计算．计算中设置吊杆力、节段主缆轴力为变量；以桥面竖向位移、主缆吊点水平位移、主塔塔顶水平位移、及主缆跨中节点竖向位移为零，为约束条件，进行计算并得到合理成桥状态．

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通过计算得出合理的成桥状态，计算得出的中跨主缆索夹标高见表1及图5．

表1 成桥状态下索夹标高对比

图5 索夹编号示意图

4．2 边跨主缆放张量的确定

在索鞍预偏施工中，主塔塔顶在空缆状态下，所受不平衡力可通过设置合理的索鞍预偏量来消除．根据索跨间无应力索长与成桥时无应力索长相等，及主缆自重作用下，中边跨索力水平分力相等为条件，求出索鞍预偏值［5］．无索鞍预偏施工中，索鞍位置是固定的，需通过给边跨主缆设置一定的放张量，减小边跨主缆轴力，使得空缆状态下，中边跨主缆索力水平分力相等．在澜沧江施工控制计算中，采用将锚固跨索股锚固端拉杆处索股锚头的锚固位置向主塔方向沿拉杆切线方向移动一定距离，进而使边跨主缆的水平拉力减小，并逐渐与中跨水平拉力相等来模拟．

边跨主缆放张量的计算使用RM软件建立成桥状态，添加弹簧限制塔顶水平位移，钝化主梁及吊杆单元，得到中跨主缆空缆轴力，调整边跨主缆矢高，直至中、边跨主缆水平力相等，得到边跨主缆空缆状态下坐标，再放松塔顶纵向位移限制，得到结构空缆状态，并提取此状态下边跨主缆的无应力索长值．这种通过限制塔顶产生协调变形的计算方法，收敛速度较快，能精确得到锚固跨主缆空缆状态下坐标值及无应力索长．

边跨主缆放张量即为计算得出的索长值与成桥状态下，边跨主缆力达到成桥主缆力下对应索长之间的差值．在施工过程中，通过合理设置主缆张拉端锚杯调节长度（给定背索适当放张量），实现对空缆状态下塔顶不平衡水平力的调整．本文计算出主缆放张量为239mm，见表2，图6．

表2 主缆无应力长度对比 mm

图6 主缆分段示意图

5 背索张拉控制过程计算

本桥体系转换为通过逐步张拉吊杆，将主梁自重由支架转至主缆，使主梁脱模，结构达到刚度，实现成桥状态；并在施工中通过张拉背索调整塔顶位移，使塔根应力在整个施工阶段处于安全范围内．

合理确定施工过程中背索张拉时机及张拉控制力，可有效缩减张拉次数，简化施工步骤．在塔根应力满足要求的情况下，如何合理计算出各张拉步骤下的张拉力，是施工控制计算的关键．

计算中以主缆空缆状态建立初态模型，通过改变单元体内力方法，模拟吊杆分步张拉．并验算各施工阶段下主塔塔根应力值，逐步完成对各施工阶段控制参量的计算．

背索张拉控制计算步骤为：

步骤1 根据成桥状态内力划分施工阶段，拟定各阶段吊杆及背索张拉控制力目标值．

步骤2 调整吊杆力，计算得出此状态下主塔塔顶水平位移及塔根处应力值，保证主塔塔根全截面受压．

步骤3 调整背索力，计算得出此状态下主塔塔顶水平位移及塔根处应力值，保证主塔塔根全截面受压．

步骤4 重复步骤2、步骤3依次验算并得出相应阶段吊杆及背索张拉控制力．

步骤5 完成施工阶段计算，达到成桥状态．

采用有限元分析软件RM进行分析，加劲梁、主缆与吊杆通过节段节点连接，建立桁架单元．主梁采用梁单元，主缆、吊杆采用索单元．主塔为墩节段，采用梁单元．主缆中心点通过刚性弹簧连接于主塔横梁锚固点处，通过刚性接地弹簧将边跨主缆锚固点固结，背索与吊杆张拉过程通过修改单元体内力FX0实现．

由于本桥为空间索面悬索桥，空缆状态下中跨主缆面呈铅直状态，施工阶段中添加吊杆，计算难以收敛．江东大桥曾在计算中，采用增加辅助吊杆的方法，解决中跨主缆索面偏转角度的问题［6］．本文在计算中，将吊杆安装分4步完成，将奇数编号吊杆与主缆单元一同激活，并施加吊杆单元张拉力；添加施工阶段，调整背索初拉力；再安装偶数编号吊杆，并施加初拉力；最后张拉背索．验算各阶段塔根应力，最终确定吊杆安装阶段各吊杆及背索初始张拉力．

吊杆安装完成后，添加张拉施工阶段．通过调整体内力，实现对施工阶段吊杆、背索张拉的模拟．依次计算并验算塔根应力，得到各阶段张拉控制参量．计算结果表明，吊杆安装完成后，经过3轮张拉可实现结构的体系转换，其中每轮张拉分为吊杆张拉和背索张拉2步．各张拉工况完成时结构状态计算值见表3．

吊杆安装阶段，主塔所受轴力较小，主塔塔根压应力储备较小，在施工中需随张拉过程，监测塔顶位移．在体系转换前期，将吊杆张拉步长控制在一定范围，随着主缆轴力的增加，塔根拉应力储备增大，张拉增量逐渐增长．

表3 背索张拉控制分析结果

6 结 论

1）对于主缆轴力在一定范围内、使用先梁后缆的施工方法的悬索桥，通过无索鞍预偏施工方法，使用4台千斤顶实现主塔施工阶段中的纠偏，具有较好的可行性．此方法避免了在桥塔塔顶处安装庞大的索鞍顶推装置，免去了塔顶活动索鞍的安装，能有效保证施工精度，节约施工成本．此方法对于大跨径悬索桥施工，分索股张拉边跨主缆的悬索桥，施工复杂，且张拉精度较难控制，无索鞍预偏施工具有一定的局限性．

2）无索鞍预偏施工方法计算分析中需精确计算出空缆状态下，边跨主缆放张量，及各施工阶段吊杆及背索张拉力计算等控制参量，并计算相应施工阶段下主塔受力状态，保证施工中对结构状态的准确把握．

3）根据计算结果，前3个工况主塔塔根处压应力储备较小，施工控制计算中，需对前期张拉控制力进行细分，且在施工过程中，加强对结构状态的监测．吊杆张拉过程中，张拉力步长采用前短后长的计算思路，可有效缩短结构体系转换张拉次数．

［1］魏建东，刘忠玉．具有滑移式散索鞍的悬索桥主缆架设分析［J］．计算力学学报，2005（12）：755－761．

［2］徐 勋，姜 勇，谢功元，等．大跨度悬索桥索鞍无预偏索塔张拉锚跨索股纠偏施工控制［J］．四川建筑科学研究，2008，34（1）：221－224．

［3］GLI H，CHOI Y．Cable erection test at pylon saddle for spatial suspension bridge［J］．Journal of Bridge Engineering，2001，6（3）：183－188．

［4］许世展，贺栓海，盖轶婷．基于索鞍无预偏施工悬索桥的施工仿真［J］．长安大学学报：自然科学版，2007，27（7）：34－39．

［5］陈常松，陈政清，颜东煌．悬索桥主缆初始位形的悬链线方程精细迭代分析法［J］．工程力学，2002，23（8）：62－68．

［6］沈 洋．江东大桥空间缆自锚式悬索桥体系转换分析研究［J］．上海公路，2009（1）：31－35．