自锚式悬索桥施工控制全过程分析

魏家乐

（陕西通宇公路研究所有限公司，西安　710118）

自锚式悬索桥施工控制全过程分析

魏家乐

（陕西通宇公路研究所有限公司，西安710118）

自锚式悬索桥的梁、塔、缆、索相互作用，形成复杂的自平衡体系，要想完成这类桥梁的建造，必须经历一个复杂的施工及结构体系转化过程。以青岛海湾大桥大沽河航道桥为例，对自锚式悬索桥施工全过程的控制要点和控制技术进行深入分析研究，分别给出索塔标高、变形和受力，加劲梁线形和受力，主缆长度和线形，吊索长度和张拉等的控制方法，为同类桥梁的施工控制提供参考。

自锚式悬索桥；施工控制；全过程分析；线形控制；吊索张拉

桥梁建造必须经历一个复杂的施工过程及结构体系转化过程。施工过程中对桥梁结构内力和线形进行施工控制可确保结构安全，保证成桥线形及受力状态符合设计要求。自锚式悬索桥主缆锚固于加劲梁上，其加劲梁、索塔、主缆、吊索相互作用，形成复杂的自平衡体系［1-3］。由于该类桥梁受力复杂，施工过程中其结构内力和线形不断变化，故必须采用合理的理论分析和计算方法来确定桥梁结构在施工各阶段其受力和变形的理想状态，以便控制其在施工各阶段的结构状态，使其最终成桥线形和受力状态满足设计要求。本文以青岛海湾大桥大沽河航道桥为例，对自锚式悬索桥从索塔、主梁、主缆、吊索至桥面施工的全过程进行分析，并提出主要控制方法。

1　工程背景及有限元模型

青岛海湾大桥大沽河航道桥结构型式为独塔空间索面自锚式悬索桥，跨径布置为80 m+190 m+ 260 m+80 m。主跨及边跨为悬吊结构，索塔塔身为混凝土独柱型塔，主缆和吊索均为平行钢丝，加劲梁为钢箱梁。桥型布置如图1所示。

该桥施工大体分以下几个步骤进行。

步骤1：施工索塔、桥墩、临时墩支架。

步骤2：工厂制造钢箱梁，采用大型浮吊将大节段钢箱梁吊装架设至临时墩支架上，大节段间进行环缝焊接以使钢箱梁由简支梁变成连续梁。

步骤3：进行塔顶索鞍预偏，安装架设主缆及其附属设施。

图1　桥型布置示意

步骤4：分批次张拉吊索，且在吊索张拉过程中逐步拆除临时墩支架。

步骤5：施工桥面铺装和附属设施。

本文采用空间有限元程序MIDAS/Civil建立有限元模型对该桥施工全过程进行结构分析。模型共有540个单元，602个节点，模型包含索塔、加劲梁、主缆和吊索等构件。结构离散示意如图2所示。

图2　结构离散示意

2　索塔施工阶段控制

通常，索塔施工控制中，应通过试验来确定混凝土索塔的力学参数（混凝土弹性模量、强度等），因为只有采用实际的力学参数才能保证计算的准确性，以精确控制索塔受力、变形及其对整体结构的影响。

索塔控制主要包括2方面：索塔预抬高值确定；塔顶位移和索塔受力控制。

1）设置索塔预抬高值是为了索塔施工阶段的变形完成后塔高能够达到成桥时的设计高度，索塔预抬高值主要分为索塔所在桥面位置预抬高及塔顶预抬高。桥面位置预抬高指索塔从施工至桥面塔高之后后期所有施工过程对该位置索塔产生的竖向变形量，或者说是从索塔施工开始到成桥整个过程中桥面位置处索塔竖向变形值扣除施工到桥面塔高时已发生的索塔竖向变形值。同样，塔顶预抬高指索塔从施工至塔顶之后后期所有施工过程对塔顶产生的竖向变形量，或者说是从索塔施工开始到成桥整个过程中塔顶竖向变形值扣除索塔封顶时已发生的塔顶竖向变形值。

2）塔顶位移和索塔受力控制主要是主缆架设到吊索张拉阶段的控制。塔顶位移很大程度上影响索塔甚至整个结构的受力，且随着塔顶主缆竖向分力的逐渐增加，索塔应力储备也逐渐增大，从而可允许的塔顶水平位移也逐渐增大。因此，控制了塔顶位移，就意味着控制了索塔应力处于安全范围内。

对于不对称的自锚式悬索桥，从主缆架设开始，边跨和主跨的主缆水平分力即大小不同，索塔则偏向水平分力较大一侧（一般为边跨）。此时索塔所能承受的水平荷载较小，如果不加以控制，索塔主跨侧塔身将开裂甚至发生事故。因此需对塔顶索鞍进行适当预偏，使其偏向边跨侧，从而可调整主缆两侧水平分力使其大小一致。此时索塔受到一个较小的偏心荷载（偏心距即为索鞍预偏量），塔顶发生微小的水平位移，塔身受力安全。

吊索张拉过程中，主跨的主缆水平分力逐渐大于边跨，索塔将逐渐偏向主跨方向，若不加以控制，当边跨侧塔身应力超限时将发生开裂。因此，应将索鞍逐渐向索塔中心顶推回来，顶推次数、顶推量和顶推时机根据既定的吊索张拉方案进行计算，且应考虑索塔受力安全。计算时应考虑以下2方面：一是顶推次数应尽可能少以减少施工量；二是顶推应尽早进行以减少顶推力的大小，因为顶推越晚，塔顶主缆竖向分力越大，索鞍和索塔间的摩阻力就越大，容易造成顶推困难。这样，至吊索张拉完毕时，索鞍已回到索塔中心处，索塔接近对称受力状态。在2期铺装后的成桥状态下，索塔两侧主缆水平分力应完全相等，达到设计状态。

3　主梁施工阶段控制

对于主梁为钢箱梁的自锚式悬索桥，工厂拼装梁段时，先将小节段拼装成大节段，并将大节段运至桥位吊装架设，然后在临时墩上将大节段焊接连成连续状态；再后张拉吊索以实现体系转换；最后施工2期铺装。进行上述施工时，钢箱梁线形和受力将发生多次变化，需进行精确计算和控制［4-5］。

钢箱梁的控制主要包括钢箱梁的拼装线形、架设线形、节段长度、体系转换控制等。

1）拼装线形。在工厂若干支墩上将小节段拼装成大节段时，钢箱梁近似为无应力状态，该无应力状态的拼装线形需预先提供给工厂。

2）架设线形。小节段钢箱梁在工厂预制拼装成大节段钢箱梁后，使用大型运输设备将其运至桥位，再采用大型浮吊吊装架设到提前施工好的临时墩上。架设线形即为大节段间的拼装线形，需精确计算控制。另外，还需对大节段钢箱梁之间的环缝进行焊接，以将钢箱梁受力状态转变为多跨连续梁。

3）节段长度。对于自锚式悬索桥而言，主缆在加劲梁上的锚固点和吊索吊点位置都非常重要，如果位置偏离目标值，则将会导致结构受力和线形发生很大变化。桥梁施工过程中，由于加劲梁受轴力压缩等原因会导致梁长变短，因此应预先通过有限元计算得到各段钢箱梁的压缩量，以便在节段加工时设置长度预留量，钢箱梁架设时进行精确控制和调整，从而保证钢箱梁上主缆锚点和吊索吊点的准确性。

4）体系转换控制。随着后期主缆架设和吊索张拉，梁重荷载逐渐转换到由主缆承担，钢箱梁由连续梁状态逐渐转换为吊索多点弹性支撑状态。体系转换过程中，主梁标高和受力发生较大变化，要按照既定的吊索张拉方案计算和控制每步张拉所引起的钢箱梁的变形和应力。

拼装线形和架设线形是所有后续线形的基础，是成桥线形能否达到设计目标线形的基本保证，可通过“倒拆-正装”反复迭代计算得到。主要方法如下：在成桥状态基础上，按逆施工顺序进行倒拆，依次拆除铺装、增加钢箱梁临时支撑、拆除吊索和主缆后，即得到加劲梁的架设线形。由于倒拆计算无法实现钢箱梁逆向的连续变简支状态，因此需将各节段钢箱梁的简支自重变形手动反加到架设线形上，此线形为倒拆分析得到的无应力拼装线形。由于自锚式悬索桥非线性效应显著，此拼装线形与实际是有一定误差的。因此，以此无应力拼装线形作为初始线形，模拟实际施工顺序并进行正装计算。由于自锚式悬索桥非线性效应显著，正装得到的钢箱梁成桥线形与设计线形不一致，则应将差量反加到初始无应力线形上进行同样的正装计算；正装完成后得到新的成桥线形，再将其与设计成桥线形的差量反加到初始无应力线形上；如此迭代正装计算，最终可使正装结束时的成桥线形逼近设计线形。实际计算中，经过3～5次迭代即可得到满意的误差范围，如图3所示。

图3　迭代计算次数与效果对比

4　主缆施工阶段控制

自锚式悬索桥主缆控制主要包括主缆索股无应力长度计算、空缆线形计算、基准索股线形架设控制。

4.1主缆无应力长度计算

主缆无应力长度指索股在设计温度下，截面应力为零时的长度。有应力长度随主缆所受荷载大小而发生变化；而无应力长度则是一个常量，无论荷载如何变化，其值均保持恒定不变。自锚式悬索桥施工控制过程中，主缆的无应力长度是通过成桥状态下有应力长度扣除各项荷载变形得到的，该值是索股加工长度的依据。为了使成桥状态下的结构线形和内力均达到设计要求，保证施工质量，主缆无应力长度计算准确性在整个施工控制中具有决定性的作用［6-8］。

采用有限元模型计算时，经成桥平衡状态分析得到主缆成桥线形和主缆张力后，扣除伸长量即得到无应力索长。主缆无应力长度求解得到理论计算值后，每根索股的无应力长度需进行修正计算。由于主缆一般采用中心索股进行计算，索股长度计算时在塔顶采用索鞍切线交点方式模拟，而索股实际是沿索鞍弯曲的，因此对于中心索股需对塔顶索鞍处进行长度修正计算［9］。对于中心索股之外的主缆其他索股，由于其在塔顶索鞍处弯曲半径不同、散索后锚固跨空间差异及受垂度差别的影响，需要逐段进行修正计算。计算时，应将主缆按控制点分为锚固点到散索鞍段、边跨曲线段、塔顶索鞍曲线段和中跨曲线段分别计算，并将各段无应力索长相加便可得到全桥主缆各索股的计算长度［7］。

4.2空缆线形计算

对于自锚式悬索桥而言，当主缆空挂时，主缆两端均锚固在加劲梁后锚面板，中间支撑在主塔上，以使索鞍两侧主缆满足鞍座的平衡条件，此时主缆中心索股的空间位置即为空缆线形［10］。主缆空缆线形的准确计算和精确控制是悬索桥施工的关键，一旦主缆施工架设完毕，最终主缆线形及内力能否达到设计要求即可基本确定。

空缆线形按照综合“倒装-正装-无应力状态法”的施工控制方法进行计算。通常需建立非线性有限元模型并采用已知的成桥吊索力来计算主缆成桥线形及各索段无应力长度，且通过倒拆可得到近似的空缆线形（包含索鞍、索夹的预偏量等）。另外，通过模拟桥梁施工过程可正装计算得到主缆成桥状态下的结构几何形状参数。将其与设计成桥状态几何形状参数进行比较，若误差不满足精度要求，则需修改空缆线形及索鞍、索夹的坐标。重复上述计算过程，直到满足精度要求为止［11］，从而得到包含主缆无应力长度、索鞍及索夹预偏量等的精确空缆线形。空缆线形有限元计算流程如图4所示。

图4　空缆线形有限元计算流程

4.3基准索股线形计算

主缆架设时，考虑施工的方便和架设质量，首先需选择1根具有代表性的索股并将其架设到位，其他索股参照该索股架设。这根索股被称为基准索股。考虑到主缆索股架设和施工控制的方便性，一般选择基准索股为最下缘索股，其他索股可参照基准索股架设，并遵循“若即若离”的原则。空缆线形计算一般取主缆中心索股，故需换算出基准索股线形并将其作为控制依据。

基准索股架设往往为非基准状态，气温、荷载、塔梁位移等都与设计理想值存在偏差［12-13］，因此，基准索股线形不能按照理论标准状态线形进行控制，需研究参数偏离对基准索股线形的影响。从便于现场控制角度出发，通常将影响因素归纳为主缆索股温度T、索股散索套标记点到索鞍中心线的跨径L和高差H三个参数进行研究。可分别研究T、L、H三个参数发生偏差时基准索股的线形特点。此外，为便于现场的调整和控制，可通过模拟计算得到基准索股线形的参数修正公式。且得到索股线形调整量后，可通过调整索长方式来调整线形。

例如，青岛海湾大沽河航道桥青岛侧主缆基准索股标记点坐标参数修正公式如下：

式中：δx为主缆基准索股纵桥向坐标修正量；δz为高程坐标修正量；T为主缆索股实测温度；T0为基准设计温度；H为青岛侧索股散索套标记点到索鞍中心线的实测高差；H青为理论高差；L为青岛侧索股散索套标记点到索鞍中心线的实测跨径；L青为理论跨径；δ1为青岛侧散索套相对于理论位置的纵桥向偏移量。

5　吊索施工阶段控制

自锚式悬索桥吊索控制主要包括吊索无应力长度计算、吊索张拉控制。

5.1吊索无应力长度计算

自锚式悬索桥成桥后吊索调整量很少，基本无调整余地，因此准确计算吊索的无应力长度和恒载作用下的吊索伸长量就显得尤为重要。与主缆无应力长度计算方法相同，吊索无应力长度可由成桥状态下的有应力索长减去应力伸长量得到。得到吊索无应力计算长度后，再修正吊索上下两端构造及施工误差即可得到实际下料长度。

5.2吊索张拉计算

吊索张拉过程中各种非线性问题突出，如主缆大位移非线性、吊索的参与和退出、吊索间力的强相干性、主缆与鞍座接触非线性、索鞍的顶推非线性、加劲梁与支架的接触非线性、主塔和加劲梁的梁柱效应非线性和混凝土材料收缩徐变非线性等。所有这些非线性相互耦合作用使得吊索张拉过程的计算极其复杂。吊索张拉过程中，几乎所有结构构件均参与进来，故一般应考虑主缆的线形和索力、吊索索力、索塔位移和应力、加劲梁线形和应力、索鞍顶推时机、压重施加时机、永久支座和临时支点反力、吊索倾斜角度、吊索张拉接长等问题。可采用有限元进行精细化模拟分析，且可采用吊索无应力长度法和张拉法等控制方法，经过试算、响应分析、调整控制等复杂过程，提出多种合理张拉控制方案，且经比选后得到最优张拉控制方案。

下面对青岛海湾大沽河航道桥吊索张拉过程主要结构受力进行分析。

1）吊索索力。

吊索张拉可谓“拉一索而动全索”，张拉1根或几根吊索会致使与其相邻吊索的实际吊索力大幅减小，而其他已张拉吊索的实际吊索力则整体向预期目标索力稳步增加，最终使得各个吊索的成桥索力与目标索力一致。为了能够直观看到各个吊索在施工过程中的索力变化，本文列举青岛海湾大沽河航道桥吊索在各张拉步骤的索力变化情况，如图5所示。

图5　吊索索力变化

2）主缆位移。

主缆是自锚式悬索桥主要受力构件，其是一个柔性结构，即几何可变体，表现出大位移非线性的力学特征。通常，通过对全桥吊索的不断张拉，可使主缆线形由空缆状态逐渐逼近成桥状态。青岛海湾大沽河航道桥主缆部分吊索张拉步骤的线形变化如图6所示。

3）索塔位移与应力。

吊索张拉过程中，会引起索塔位移和内力产生变化，可能会造成塔身局部拉应力过大，从而影响索塔的稳定性和安全性。因此，吊索张拉过程中需对塔顶索鞍进行顶推，以保证索塔受力安全。青岛海湾大沽河航道桥索塔塔顶在各张拉阶段纵桥向位移如图7所示。在张拉过程中索塔塔身最大压应力11.8 MPa，最小压应力0.25 MPa。

图6　青岛海湾大沽河航道桥主缆线形变化

图7　青岛海湾大沽河航道桥索塔塔顶纵桥向位移

6　桥面施工阶段控制

施工完2期铺装及附属设施后，结构应达到成桥状态，结构线形、受力也应接近设计值。若施工完成时桥面线形、主缆线形、吊索力等存在不可忽视的偏差时，则可采用影响矩阵法等方法进行适当调整，以使最终成桥状态的结构线形、受力逼近设计目标值。

例如，主梁线形出现偏差需进行调整，可通过基于影响矩阵法的吊索索力调整方法来实现，计算公式如下：

按照式（1），通过已知的主梁线形偏差即主梁各截面标高的目标调整值{}D 和影响矩阵[]A ，求解方程即可得到吊索索力调整值{}X 。对于线性结构，1次调整就可以获得准确结果；对于非线性结构，循环运用影响矩阵法进行调值也可得到理想结果。

7　结束语

本文对自锚式悬索桥施工全过程的控制要点和控制技术进行了分析研究，提出了如下主要控制内容和方法：

1）索塔桥面位置预及塔顶位置应进行预抬高设置，以预留索塔在施工过程中产生的压缩变形值，保证成桥索塔各控制位置标高达到设计值。塔顶位移和索塔受力控制主要考虑主缆架设到吊索张拉阶段的控制，通过索鞍预偏和顶推来实现。

2）钢箱梁拼装线形、架设线形可通过“倒拆-正装”反复迭代计算得到。节段长度需通过设置预留量、节段间焊缝补偿等方法来实现，以保证钢箱梁上主缆锚点和吊索吊点的准确性。吊索张拉过程是逐渐实现结构体系转换的过程，每步张拉所引起的钢箱梁变形和应力应严格计算和控制。

3）主缆无应力长度是通过成桥状态下有应力长度扣除各项荷载变形得到的，由于受塔顶索鞍处弯曲半径不同、散索后锚固跨空间差异以及垂度差别的影响，每根索股的无应力长度均需逐段进行修正计算。空缆线形（包含索鞍及索夹预偏量）可按照综合“倒装-正装-无应力状态法”的施工控制方法进行计算。基准索股架设应考虑气温、荷载、塔梁位移等与设计偏差因素进行修正计算和控制，其他索股则参照基准索股按照“若即若离”原则进行架设。

4）吊索无应力长度由成桥状态有应力索长减去应力伸长量得到，得到无应力长度理论计算值后，再进行吊索两端构造及误差修正以得到实际下料长度。吊索张拉一般应考虑主缆的线形和索力、吊索索力、索塔位移和应力、加劲梁线形和应力、索鞍顶推时机、压重施加时机、永久支座和临时支点反力、吊索倾斜角度、吊索张拉接长等问题，可采用有限元进行精细化模拟分析，并采用吊索无应力长度法和张拉法等控制方法，经过试算、响应分析、调整控制等复杂过程来提出多种合理的张拉控制方案，并经比选得到最优张拉控制方案。

5）施工完成时桥面线形、主缆线形、吊索力等存在的偏差，可采用影响矩阵法等方法进行适当调整，以使最终成桥状态的结构线形、受力逼近设计目标值。

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Whole Process Analysis for Anchored Suspension Bridge Construction Control

WEI Jiale

The beam，tower，cable and wire of anchored suspension bridge interact to form a complex self balance system.Construction of such bridges requires complicated construction and structural system transform process.This paper，taking Dagu River Navigable Bridge of Qingdao Bay Bridge as an example，performs detailed research on control key points and control technology in the whole process of anchored suspension bridge construction.This paper also summarizes control methods for cable tower elevation，deformation and stress，reinforced beam linearity and stress，main cable length and linearity，suspension length and tensile force，etc.，which may provide reference for similar bridge construction control.

anchored suspension bridge；construction control；whole process anslysis；linearity control；suspension tensile

1009-6477（2016）04-0086-06

U448.25

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.020

2016-03-18

魏家乐（1984-），男，陕西省眉县人，硕士，工程师。