极不平衡转体斜拉桥配重拉索施工关键技术研究

王石

桥梁转体施工首先出现在跨越山谷、河流，且为竖转形式，随着科学技术的发展和桥梁建设者的创新，平转、竖转+平转逐渐出现。水平转体施工主要应用在具有自平衡结构体系的桥梁，如连续梁、连续刚构桥等。而如今不平衡转体能够克服特殊的场地限制而更具科研价值。

龙岩大桥190m+150m 不平衡斜拉桥通过设置转体施工压重实现平衡转体；唐山二环路上跨津山铁路不平衡斜拉桥通过设置水袋解决配重问题，实现平衡转体；沪昆客专南西及西北上行联络线上跨武广高铁112m+84m 不平衡斜拉桥，通过在53m 梁段配重7.8 t/m 实现平衡转体。然而配重与斜拉索张拉顺序和支架承载能力关系的相关研究并不完善，本文将结合哈西大桥研究考虑支架承载能力的极不平衡转体斜拉桥配重拉索施工技术。

一、工程概况及特点

哈西大桥跨径布置（118+198+118）m，上跨哈南编组站48 条铁路既有线，是我国跨越铁路线路最多的双塔双索面转体斜拉桥。主梁采用双向预应力混凝土双主梁肋板式轻型柔性结构，两纵梁间设预应力混凝土横梁，纵梁宽1.8m，横梁宽0.42m，顶板宽29.8m，顶板厚0.3m。采用双塔双转体法施工，单侧主塔和连续梁重29000t，合计58000t，为我国东北地区最重转体斜拉桥。其中10#墩主梁悬臂长（90+107）m，不平衡重达1300t，在中跨侧6#索至13#索43m 范围内配重31.47t/m，不平衡重为国内之最。

二、斜拉索张拉施工技术

斜拉桥的索力调整是一个保证结构安全、改善桥梁线形的主动、有效手段，索力调整计算模型选取主梁标高误差最小为目标函数，以结构内力作为约束条件。拉索索力监控单位结合设计及监控结果，通过计算给出。

桥梁主梁采用支架法分段现浇施工，主梁施工完成后，张拉横梁预应力、纵梁预应力、桥面板预应力；待主塔上横梁施工完成后开始挂索施工，挂索完成后转体前进行初次张拉调索，索力按照设计初张力进行张拉控制。张拉设备应按预应力施工的有关规定进行标定。

斜拉索张拉的顺序、批次和量值应符合设计要求。拉索按设计要求对称同步张拉，张拉中不同步的相对差值不得大于10%。两侧不对称或设计索力不同的斜拉索，应按设计要求的索力分段同步张拉。以千斤顶油压表量值控制张拉过程，以结合短索、中索、长索安装的锚索计索力修正后的索力动测仪测定的索力为准，以拉索伸长值作校核。

三、配重方案研究

设计主梁上的转体平衡重荷载靠近主纵梁布置，不得沿横桥向均匀布置。10#墩在中跨侧6#索至13#索43m范围内配重31.47t/m，配重放置在两侧纵梁区域5m 范围内。根据现有资源，选择边长1.2m 的混凝土立方体块作为配重，各纵梁横向两排，分三层紧密布置。由于主梁采用支架法施工，且中跨配重侧主梁下方有电气化铁路运营线，支架采用混凝土柱+钢管柱+贝雷片形式。为保障既有线路运营安全，采用拉索+配重同步进行方式，依靠斜拉索索力消耗配重重量，实现主动脱架目的。

1.有限元模型

采用通用有限元程序，选用梁单元和桁架单元建立空间模型，考虑多种非线性因素，包括（1）完全按照设计进行建模，以保证结构质量分布、各方向刚度和边界条件真实；（2）模型中考虑大位移效应、拉索垂度效应和初始内力效应等斜拉桥几何非线性特征；（3）建立只受压单元模拟主梁支架连接，建立哈西大桥有限元模型，如图1所示。

2.配重区先拉索后配重方案

（1）方案设计

配重从6#索导管位置开始布置，按先张拉后配重原则，在无配重区即1#索-5#索区段直接张拉拉索至施工初张力，6#索至13#索43m 范围内对应索导管配重区域，6#索直接张拉至施工初张力，7#索至12#索均为先张拉施工初张力的50%，然后上该索索导管与前一号索索导管之间的配重第一层；再张拉至施工初张力的80%，上第二层配重；最后张拉至施工初张力的100%，上完所有配重。

图1 哈西大桥有限元模型

（2）有限元计算分析验证

根据设定方案细化施工阶段，经有限元计算模拟，10#墩配重区先张拉拉索后配重方案得到的各施工阶段塔梁位移与先一次性上完配重再张拉拉索的塔梁位移结果相差最大0.004m，且落架后整体线形一致（如图2 所示），说明此种配重拉索方案安全可行。

图2 落架后塔梁变形形状模拟

3.配重区先配重后拉索方案

（1）方案设计

9#墩主梁悬臂长（97+101）m，在边跨侧12#索至13#索8m 范围内配重29.1t/m，按配重区先张拉拉索后配重方案得到先张拉12#索后梁面上抬0.081m，远大于与先一次性上完配重再张拉拉索的主梁位移0.003m。且9#墩两端悬臂不平衡配重小，支架下方无运营铁路，故9#墩采取在无配重区即1#索-11#索区段直接张拉拉索至施工初张力，12#索至13#索8m 范围内对应索导管配重区域，12#索直接张拉至施工初张力，13#索先上该索索导管与12#索索导管之间的配重，再张拉至施工初张力。

（2）有限元计算分析验证

根据设定方案细化施工阶段，经有限元计算模拟，9#墩配重区先配重后张拉拉索方案得到的各施工阶段塔梁位移与先一次性上完配重再张拉拉索的塔梁位移结果相差最大0.003m，且落架后整体线形一致，说明此种配重拉索方案安全可行。

四、频率法测量索力

振动频率量测法是目前最常用索力测量方法。利用紧固在缆索上的高灵敏度传感器，拾取缆索在环境振动激励下的振动信号，经过滤波、放大、谱分析，得出缆索的自振频率。利用索的拉力与索的振动频率之间存在对应关系的特点，在已知索的长度、两端约束情况、质量分布等参数时，通过测量索的振动频率，进而计算出索的拉力。这是一种间接的测量方法，不造成缆索损伤，操作简便，测试精度高，一般可达到3%以内。

在缆索两端铰支的情况下，索力为：

其中：l 为缆索的计算长度；k 为缆索自振频率的阶数；fk为缆索的第k 阶自振频率。对于较长的拉索，EI/l2 很小，（1）式即可简化为：

对于同一根缆索，P 恒定时，fk2/k2是一恒值，则有：f1:f2:f3:……:fk = 1:2:3:……:k， 即：f2-f1=f3-f2=……=fk-fk-1=f1，反映在频谱图上，各阶频率是等间距的，其间距值大小即等于基频f1。在实际测量过程中，可以充分利用这个特性，来判断是否为缆索自振的频谱，凡与缆索振动的频谱特征一致的频谱图，才确认缆索振动的频谱图，否则要分析原因，重新测量。

五、结语

通过对考虑支架承载能力的极不平衡转体斜拉桥配重拉索施工关键技术研究，得到的结论如下：

（1）经有限元计算模拟分析，10#墩配重区采取先张拉拉索后配重方案，9#墩配重区采取先配重后张拉拉索方案，与实际张拉拉索及落架后线形一致，说明此种配重拉索方案安全可行。

（2）基于频率法测量索力，在判断基频准确，增益较小的情况下，经过锚索计索力修正，确保了拉索索力误差不超过设计索力的3%，为大桥顺利转体提供了有力支撑。