浅析缆索吊系统缆风索对吊塔刚度影响

(重庆交通大学 重庆 400074)

缆索吊装施工具有设备跨越能力大，水平和垂直运输灵活，适应性广等优点，是修建大跨径拱桥和悬索桥的主要方法。悬索桥缆索吊吊塔通常固结于主塔上，主塔刚度较大，故吊塔刚度也大，一般无需设置缆风索。对于钢管混凝土拱桥“缆索吊装、斜拉扣挂”施工方法，扣塔作为临时结构，为节省成本，扣塔一般刚度较小。为减小吊塔对扣塔塔偏的影响，通常吊塔与扣塔采用铰接，阻止弯矩传递到扣塔，因而吊塔顺桥向属于机动体系，必须设置缆风索提供顺桥向刚度，因此缆风索面积、弹模、初张力均会影响吊塔刚度。

一、依托工程缆索吊系统介绍

缆索吊系统跨径布置为365m+504.4m+400m，净吊重140T。吊塔结构采用钢结构焊接而成，标准立柱采用φ630×12mm钢管，吊塔底通过铰接固定在扣塔顶端，立柱通过钢板组焊件的铰梁连接在一起；主索采用12φ60钢丝绳，起重索采用2φ36钢丝绳，牵引索采用φ42钢丝绳；缆风索两岸边跨侧后缆风索每侧设计4组9φ15.2mm钢绞线，中跨采用通风缆进行连接，通风缆采用4组3φ54mm钢丝绳；为提高吊塔的横向刚度，设置2组6φ15.2mm钢绞线外八字形的斜缆风索。缆风索张拉力南岸侧170T，北岸侧175T，通风缆170T，侧缆风56T。

二、缆风索对吊塔刚度影响分析

由于吊塔与扣塔采用铰接，吊塔顺桥向属于机动体系，吊塔刚度主要通过张拉缆风索形成，故缆风索刚度直接反映吊塔刚度，由于索结构存在垂度效应，缆风索的刚度由材料自身弹模及张拉力决定。由于材料实际弹模及现场实际张拉力与理论存在偏差，从而导致吊塔塔偏与理论值不符。下文将通过有限元软件Midas/civil分析缆风索弹模变化、初张力变化对吊塔刚度的影响大小。

(一)有限元模型建立

有限元建模分析采用有限元软件Midas/civil。模型共建立节点2966个、单元3320个，其中缆风索采用索单元；边界条件吊塔底部解除Y转动约束；缆索吊吊装荷载以节点力形式施加于吊塔顶。分析过程开启非线性分项。

模型示意图

(二)缆风索弹模对吊塔刚度影响

在实际工程中，钢丝绳的弹性模量比较发散，且工作时间在变化，对于新出厂的钢丝绳弹模相对较小。为分析缆风索弹模对吊塔刚度影响，在其他条件不变的情况下，缆风索弹模减小5%、10%、15%，分别计算额定吊重下吊塔的塔偏值。

在正常情况下，理论计算额定吊重下塔偏值为110mm，缆风索弹模减小5%、10%、15%情况下塔偏分别为115mm、121mm、128mm，由此可见缆风索弹模减小对吊塔刚度的影响近似线性影响关系。

(三)缆风索初张力对吊塔刚度影响

在实际工程中，由于吊塔顺桥向属于机动体系，张拉过程中吊塔随之产生位移进而影响其他缆风索索力，缆风索初张力不易控制。当张拉过程中缆风索索力同时减小时，吊塔仍然处于平衡竖直状态。由于大吨位张拉设备重，不便运算至塔顶，通常单根张拉钢丝绳，根据预应力损失原理，先张拉的较后张的索力必然小，综上原因，施工现场张拉力往往没有达到设计索力。为分析缆风索初张力对吊塔刚度影响，在其他条件不变的情况下，缆风索初张力减小10%、20%、30%，分别计算额定吊重下吊塔的塔偏值。

在正常情况下，理论计算额定吊重下塔偏值为110mm，缆风索初张力减小10%、20%、30%情况下塔偏分别为113mm、118mm、126mm，由此可见缆风索初张力减小对吊塔刚度的影响近似抛物线关系。

三、结论

通过有限元软件分析，缆风索弹模变化对吊塔刚度的影响近似线性影响关系。在架设缆风索时，建议对钢丝绳弹性模量进行实验，做好记录，对吊装过程塔偏分析提供依据。

通过有限元软件分析，缆风索初张力变化对吊塔刚度的影响近似抛物线关系。在张拉缆风索时，可分级多次张拉，使吊塔塔偏变化幅度在某个较小范围，以此减小缆风索之间相互影响以及减下预应力损失。