空间缆索悬索桥主缆扭转的模型试验

齐东春，汪洪星

(三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌　443002 )



空间缆索悬索桥主缆扭转的模型试验

齐东春，汪洪星

(三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌443002 )

摘要:由钢丝集束体组成的主缆，其扭转刚度是受多因素影响的变量，目前空间主缆的扭转没有可靠的计算方法。通过江东大桥空间主缆扭转的模型试验，探讨了体系转换中主缆扭转角的量值及变化规律。试验结果表明:体系转换前期扭转刚度小、主缆横向位移大，主缆扭转角增加迅速，后期趋于稳定;各索夹呈现出下缘向远离桥轴线方向的横向偏转，成桥状态下主缆扭转角实测值在16°～28°。可在临时吊索张拉期间通过现场测试获得主缆扭转刚度随主缆轴力及扭转角的变化规律，在临时吊索全部张拉后再安装吊索索夹。

关键词:悬索桥空间主缆模型试验主缆扭转

空间缆索体系的悬索桥，在从空缆状态到成桥状态的过程中，主缆将发生横向位移，由此产生了主缆扭转和吊索索夹横向安装角度的问题，主缆扭转的控制及索夹安装定位的时机是空间缆索体系悬索桥监控的重点和难点［1］。空间主缆的扭转将会引起两个后果:①主缆扭转会导致已安装索夹横向倾角的变化，如果索夹的安装角度不能跟吊索的成桥角度取得一致，超过了吊索横桥向容许转角，将会引起吊索上吊点与索夹耳板在连接处发生挤压。另外，吊索上、下吊点的连线可能在横桥向与钢套管接触时产生弯折，严重时会影响吊索锚固构造的使用寿命。②空间主缆在经历了主索鞍的平弯和竖弯后已造成钢丝长度不一而形成鼓丝，而主缆从空缆到成桥的横向摆动又会引起主缆在主索鞍出口处产生扭转集中的现象，这进一步加剧了钢丝受力的不均匀性［2］。

杭州江东大桥［3-4］为双塔大横向倾角空间主缆自锚式悬索桥，空缆时主缆所在的铅垂平面与桥梁纵轴线平行，而成桥时两根主缆的横桥向间距由塔顶的4 m变化到跨中的42 m，横向位移很大，成桥状态吊索与铅垂线的横向夹角约19°，采用销铰式吊索，横向容许转角为±4°。而韩国永宗大桥［5-6］成桥时吊索与铅垂线的横向夹角为11°，吊索采用骑跨式钢丝绳吊索，其横向容许转角为±10°，可见江东大桥的主缆扭转更加明显，索夹的安装控制要求更加严格。而由大量钢丝组成且每隔一段距离用索夹箍紧的主缆的扭转刚度没有理论计算方法。本文通过空间主缆扭转的缩尺模型试验，得出体系转换中主缆扭转角的量值及变化规律，为空间主缆扭转的施工控制提供参考。

1　模型试验简介

杭州市江东大桥主通航孔为三跨独柱桥塔、空间缆索、分离式钢箱、单跨悬吊的自锚式悬索桥结构。成桥时中跨两侧主缆的间距从塔顶鞍座出口的4 m过渡到跨中的42 m，主缆横向矢跨比为22 /260，主缆空间特性十分明显，体系转换比韩国永宗大桥更为复杂。因此有必要通过模型试验探讨空间主缆的扭转规律，在模型上实现体系转换，从而指导实桥的施工控制和施工过程。

在综合考虑各因素后，确定模型的几何缩尺比为1∶16，力的缩尺比为1∶4，模型全长26. 625 m。主缆由37根直径1. 6 mm的高强度弹簧钢丝组成，吊索由2根直径1. 6 mm的高强度弹簧钢丝组成，吊索上端索夹采用钢丝绳夹具，下端通过全螺纹锚杆与加劲梁伸臂处的锚板用螺母连接在一起。模型设计时保证缆与梁的几何关系满足相似比要求，模型的详细设计参数见文献［7］。试验模型由2根主缆、26对吊索、钢箱、横向连接箱、梁端锚固梁、桥塔、索鞍和临时墩组成，试验模型体系转换前后的现场照片见图1和图2。

由于与主缆扭转变形相关的实桥主缆扭转刚度无法确定，因此模型中无法模拟主缆的扭转刚度。为了在这方面有一定的参考性，模型试验时设计的主缆采用了与实桥索股数相同的钢丝根数，用一根钢丝代表实桥的一根索股，以定性反映模型与实桥的相似。试验模型的总体构造如图3所示，图中“LS”表示临时吊索、“S”表示永久拉索。

图1试验模型体系转换前现场照片

图2试验模型体系转换后现场照片

图3江东大桥试验模型的总体构造示意(单位: mm)

2　体系转换试验方案

空间缆自锚式悬索桥在体系转换中除了要遵循平面缆索体系相同的控制原则外，还必须满足张拉吊索时吊索销铰中心与锚固点连线所形成的倾角不超过锚管允许的角度变化值，否则吊索就不能穿过锚管，无法进行锚固［8］。为此，在试验中先分步张拉5对临时索，将主缆拉开成与成桥线形差异不大的空间折线，此时吊索的横向偏角就大大减小，便于永久吊索的安装。永久吊索从桥塔处开始逐步对称张拉到跨中位置，在此过程中，临时吊索的作用逐步被永久吊索替代，可将临时吊索逐步拆除。跨中临时吊索会出现索力超出允许值的情况，因此要多次对其放松。当桥塔纵向偏移达到一定值即对鞍座进行顶推。

本试验进行了3种体系转换方案，针对前面两个试验方案存在的问题，提出了推荐方案三。该方案通过集中解决2对吊索的安装问题，彻底解决其它吊索安装角度差偏大的问题，并解决个别吊索安装初始力小、可能影响施工质量的问题。通过调整永久吊索的安装顺序，在按顺序安装完成前面6对吊索后，在7 /20，8 /19号吊索安装前先采取措施安装9 /18，10 /17号吊索(吊索从塔A向塔B方向按1～26的顺序编号)，这样其它吊索安装时的横向倾角与成桥横向倾角差得到了大幅度的改善。对称张拉完9 /18，10 /17号吊索后，所有未安装吊索位置的主缆与吊索锚固点连线的角度差都比较小了，索夹的固定工作就基本可以不受后续吊索张拉工序的控制，可以提前进行，对加快工程进度、提高施工控制质量非常有利。推荐方案三的体系转换顺序和控制参数如表1所示。

体系转换过程中空间主缆的扭转是一个比较重要的问题，而如何测试主缆的扭转角却没有现成经验可以参考。本模型试验采用了一种简便的方法来测试主缆的扭转角，即在每根吊索处的主缆配重块上安放一个量角器，并悬挂一小铅锤，铅锤吊点与量角器中心重合，主缆的扭转带动量角器转动，从而可以读出铅垂线与量角器0°线的夹角。在试验前记录下初始角度，然后在每个工况完毕后记录下当时的角度，直到体系转换完成为止，可以得到测点在各工况的扭转角度。在中跨右侧主缆的每一个吊索点布置了扭转测量装置，在左侧主缆则间隔一个索夹点布置一个测量装置。

3模型试验测试结果分析

在体系转换试验中，全面测试了吊索索力、主缆位移和线形、吊索的安装角度、主缆的扭转角。吊索索力及主缆线形实测值与理论计算结果非常一致，说明模型试验完全能反映实际结构的受力状态。此处仅列出有关主缆扭转及吊索横向倾角的部分结果。

图4是体系转换过程中吊索横向倾角与成桥状态角度差的包络图，可以看出体系转换过程中除了9 /18，10 /17号吊索横向倾角差接近4°，其他吊索均在2°以下，满足锚管容许的±4°的变化量。

表1方案三吊索张拉顺序和控制参数

图4体系转换过程中吊索横向倾角与成桥状态角度差

图5体系转换中5 /22号索夹处主缆扭转角实测曲线

图5给出了体系转换中5 /22索夹处主缆扭转角的实测曲线，将横向和纵向对称位置的主缆扭转角在同一图中给出，便于比较。实测结果表明:①随着吊索的张拉，主缆的扭转角逐渐增加，体系转换前期主缆扭转角增加迅速，后期主缆横向位移趋于稳定，扭转角的变化也较小;②在张拉5对临时吊索、张拉主缆测点处吊索及与该吊索相邻的吊索时，主缆的扭转角变化较大，其它工况主缆扭转角变化不大;③同一吊点左、右侧主缆扭转角变化规律相同，数值上存在一定误差。

图6对比了成桥状态下主缆扭转角实测值和理论计算值，计算时考虑了主缆拉扭耦合效应及索夹刚臂的影响。主缆扭转角的理论计算值介于17°～22°，除在鞍座出口附近区间存在扭转集中外，其它位置分布比较均匀。扭转角实测值在16°～28°，数据离散性较大，可能与模型中主缆扭转刚度太小有关。试验中也考察了以成桥状态为基础倒拆到空缆状态，发现空缆状态下部分索夹的量角器读数不能恢复到初始状态，说明扭转变形不是完全弹性的，模型中扭转变形一旦发生就不能很好的恢复，实桥主缆与此存在差异。

图6成桥状态下各索夹处主缆扭转角的实测值和计算值比较

4模型试验对施工控制的建议

通过江东大桥全桥模型试验研究，对3种体系转换方案进行比较，提出了一套合理的体系转换方案，得出了空间缆自锚式悬索桥体系转换中主缆扭转角的量值及分布规律。对施工控制的主要建议如下:

1)通过调整吊索的张拉次序可以解决部分吊索安装前后横向角度差变化大的问题。在7 /20，8 /19号吊索安装前先采取措施安装9 /18，10 /17号吊索，这样其它吊索安装时的横向倾角与成桥横向倾角差得到了大幅度的改善。

2)主缆的扭转刚度是非线性增长的，受到多个因素的影响，体系转换前期扭转刚度小、主缆横向位移大，主缆扭转角的增加迅速，可以在临时吊索全部张拉后再安装吊索索夹。

3)现场测试主缆扭转刚度很重要，在临时吊索张拉前后、索夹安装前后及吊索张拉前后需要对主缆扭转角进行测试，弄清主缆扭转刚度随主缆轴力及扭转角的变化规律，并对扭转刚度不断修正，预测下一工况的主缆扭转角。

4)在张拉临时索、张拉主缆测点处吊索及与该吊索相邻的吊索时，主缆的扭转角变化较大;成桥状态下主缆扭转角实测值在16°～28°。

参考文献

［1］齐东春．大跨径悬索桥主缆精细化计算研究［D］．成都:西南交通大学，2012．

［2］齐东春，沈锐利，刘章军，等．悬索桥有限元计算中的三节点空间鞍座单元［J］．西南交通大学学报，2014，49( 6) : 942-947．

［3］柯红军，李传习，张玉平，等．双塔大横向倾角空间主缆自锚式悬索桥体系转换方案与控制方法［J］．土木工程学报，2010，43( 11) : 94-101．

［4］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．

［5］KIM H K，LEE M J，CHANG S P．Non-linear Shape-finding A-nalysis of a Self-anchored Suspension Bridge［J］．Engineer Structures，2002，24( 12) : 1547-1559．

［6］严国敏，刘玉兰．韩国的永宗悬索桥［J］．国外公路，1998，18 ( 6) : 16-18．

［7］沈锐利，齐东春，唐茂林．杭州江东大桥静力特性全桥模型试验研究［J］．土木工程学报，2011，44( 1) : 74-80．

［8］齐东春，沈锐利．悬索桥空间缆索主缆线形的计算方法［J］．铁道建筑，2013( 4) : 13-16．

(责任审编赵其文)

Model test of main cable torsion of spatial cable suspension bridge

QI Dongchun，WANG Hongxing

( College of Civil Engineering＆Architecture，China Three Gorges University，Yichang Hubei 443002，China)

Abstract:Cable in suspension bridge is composed of a bundle of steel wires，and its torsion stiffness is affected by many factors．No reliable calculation method is available at present．T hrough model test of main cable torsion in Jiangdong Bridge，the value and variation of the cable torsion angle during the system transform were obtained．T he test results show that the cable has a small torsion stiffness and large transverse displacement during the initial stage of system transform．T he cable torsion angle increases rapidly，then tends to be stable．T he lateral deflection of the lower edge of cable clips is deviated from the bridge axis．At the completion of the bridge，the measured torsion angle of the cable is 16 degrees to 28 degrees．T he variation of the torsion stiffness with cable axial force and torsion angle can be obtained by the field test during the temporary cable tension．T he installation of cable clips can be carried out after the tension of all temporary cable．

Key words:Suspension bridge; Spatial cable; M odel test; Cable torsion

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0014-04

作者简介:齐东春( 1978—)，男，讲师，博士。

基金项目:湖北省自然科学基金( 2014CFB331) ;国家自然科学基金资助项目( 51178396)

收稿日期:2015-07-16;修回日期: 2015-10-28

中图分类号:U448．25

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．03